Princip, struktura i karakteristike PZT piezoelektričnog keramičkog aktuatora

Piezoelektrični keramički aktuator je uređaj koji koristi inverzni piezoelektrični učinak piezoelektrične keramike za primjenu električnog polja u odgovarajućem smjeru piezoelektrične keramike za stvaranje odgovarajućeg pomaka i sile. Kada se na polariziranu piezoelektričnu keramiku dovede napon, ona se izdužuje u smjeru polarizacije (longitudinalni učinak) i skraćuje u smjeru okomite polarizacije (lateralni učinak). Piezoelektrični keramički aktuator ima laminirani tip koji koristi piezoelektrične uzdužne učinke i zakrivljeni tip s dvostrukom dijafragmom koji koristi piezoelektrične poprečne učinke.

Budući da je piezoelektrični aktuator uređaj za kontrolu pomaka i izvor energije, materijal koji se koristi mora biti u stanju generirati velika deformacija i naprezanje pod malim električnim poljem, a učinkovitost pretvaranja električne energije u mehaničku energiju je visoka, stoga je najvažnije koristiti piezo pretvornik s okruglim diskom . Meki materijal s velikom konstantom d, takvo rastuće električno polje (oko 1 MV/m), proizvodi veliku deformaciju (Δl/l oko 10 -2 ) i naprezanje (oko 9,8 MPa). S druge strane, varijabla odziva je velika, a zahtjevi za dielektričnom čvrstoćom i mehaničkom čvrstoćom također su visoki. Trenutno su materijali koji se koriste u piezoelektričnim keramičkim aktuatorima uglavnom piezoelektrični keramički materijali temeljeni na olovo cirkonat titanatu (PZT).

3.1 Laminirani piezoelektrični keramički pokretač

Iako piezoelektrični keramički pokretač ima gore spomenute izvrsne performanse, teško je postaviti kontrolnu petlju jer je pogonski napon čak 1 kV ili više. Ako je više slojeva naslagano paralelno, udaljenost između unutarnjih elektroda može biti samo oko 10 μm. Pogonski napon se može smanjiti na manje od 100V. Za deformaciju uzrokovanu piezoelektričnim longitudinalnim efektom, piezo keramika ima deformaciju od oko 0,3 μm, a višeslojni laminat može se deformirati za nekoliko desetaka mikrometara.

3.2 piezoelektrični keramički pokretač s dvostrukom dijafragmom

Laminirani tip je superioran u karakteristikama odziva i generiranju sile, i Piezo keramički disk od PZT materijala ima nedostatak u tome što je pomak mali. Stoga, kako bi se dobio pomak od nekoliko stotina mikrometara, potrebno je koristiti dvostruki tip savijanja dijafragme. Tip savijanja dvostruke dijafragme je da se dvije piezoelektrične keramike pritisnu zajedno. Kada se jedan komad rasteže, drugi se skraćuje, a deformacija je proporcionalna primijenjenom električnom polju. Tip savijanja dvostruke dijafragme podijeljen je u dvije vrste: serijski i paralelni. uspoređuju se glavne značajke to dvoje. Iz tablice se može vidjeti da tip paralelnog piezoelektričnog savijanja dvostruke dijafragme ima veliku količinu pomaka za isti napon.

3.3 superiornost performansi piezoelektričnog keramičkog drajvera

1) Korištenje tehnike laminiranja debelog filma, čvrsta tvar piezoelektrični disk kristal koji je integralno sinteriran dobiva se bez veziva.
2) Uvođenjem IC procesa i tehnologije izolacije, unutarnje elektrode su u skladu s presjekom komponente, a raspodjela naprezanja je jednolika, čime se povećava granica oštećenja.
3) Piezoelektrični keramički sloj je stanjen, a korak elektrode može se smanjiti na oko 10 μm, što omogućuje niskonaponski pogon.
4) Uvođenjem HIP tehnologije (tehnologija sinteriranja izostatičkog vrućeg prešanja) može se postići visoka gustoća, a mehanička čvrstoća se povećava za oko 30% u usporedbi s običnim sinteriranim tijelima.
5) Naponski pogon, nema elektromagnetske buke.
6) Promjena pomaka tijekom vremena, mali pomak i dobra temperaturna stabilnost) Može se masovno proizvoditi, a cijena je niska za primjenu piezoelektričnog keramičkog pokretača

4.1 Mehaničke primjene

Dobivena je praktična ispisna glava za udarni matrični pisač koja je kombinacija laminiranog piezoelektričnog aktuatora i mehanizma za pojačavanje pomaka. Ova glava pisača ima napon napajanja od 90 V, povećanje pomaka od oko 30 puta i pomak terminala od oko 600 μm. Može postići performanse ispisa velike brzine od 100 riječi/s ili više, te ima nisku potrošnju energije i nisko stvaranje topline. Osim toga, također se koristi u ultra-preciznim uređajima za pozicioniranje za proizvodnju poluvodiča i ultra-preciznu strojnu obradu. Pomak je uglavnom u submikronskom rasponu. S obzirom na histerezu i linearnost, pozornost se mora obratiti na upravljanje zatvorenom petljom.

4.2 Primjena u snazi

Primjene u energetskim jedinicama kao što su piezoelektrični ventilatori, piezoelektrični ventili, piezoelektrične pumpe i ultrazvučni motori uglavnom su zbog niske potrošnje energije i precizne kontrole piezoelektričnih aktuatora. Pomak ovih uređaja mora biti nekoliko stotina mikrometara, a često se koristi tip dvostrukog savijanja dijafragme, a piezoelektrični ventil koji se koristi za kontrolu protoka je blizu praktičnosti.

4.3 Optičke primjene

Trenutačno se naširoko provodi primjena piezoelektričnih keramičkih aktuatora u novim poljima kao što su optički komunikacijski sustavi, kao što je određivanje sićušne pozicije laserskog zrcala, spojnice za spajanje optičkih vlakana i kontrolera polarizacije vlakana.

4.4 Primjena u senzorima

U usporedbi s općim senzorom tlaka, laminirani piezoelektrični aktuator može dobiti veliki izlazni napon s malim tlakom i stoga se može koristiti kao visokoosjetljivi senzor tlaka i senzor ubrzanja.