Prinsip, struktur dan karakteristik aktuator keramik piezoelektrik PZT

Aktuator keramik piezoelektrik adalah perangkat yang memanfaatkan efek piezoelektrik terbalik dari keramik piezoelektrik untuk menerapkan medan listrik ke arah keramik piezoelektrik yang sesuai untuk menghasilkan perpindahan dan gaya yang sesuai. Ketika tegangan diterapkan pada keramik piezoelektrik terpolarisasi, tegangan tersebut memanjang pada arah polarisasi (efek longitudinal) dan memendek pada arah polarisasi vertikal (efek lateral). Aktuator keramik piezoelektrik memiliki tipe laminasi yang memanfaatkan efek longitudinal piezoelektrik dan tipe lengkung diafragma ganda yang memanfaatkan efek transversal piezoelektrik.

Karena aktuator piezoelektrik merupakan alat pengatur perpindahan dan sumber tenaga, maka bahan yang digunakan harus mampu menimbulkan regangan dan tegangan yang besar pada medan listrik yang kecil, dan efisiensi pengubahan energi listrik menjadi energi mekanik yang tinggi, sehingga yang terpenting adalah menggunakan transduser cakram bulat piezo . Bahan lunak dengan konstanta d yang besar, seperti peningkatan medan listrik (sekitar 1 MV/m), menghasilkan regangan yang besar (Δl/l sekitar 10 -2 ) dan tegangan (sekitar 9,8 MPa). Di sisi lain, variabel responnya besar, dan persyaratan kekuatan dielektrik dan kekuatan mekanik juga tinggi. Saat ini, bahan yang digunakan dalam aktuator keramik piezoelektrik sebagian besar adalah bahan keramik piezoelektrik berbahan dasar timbal zirkonat titanat (PZT).

3.1 Driver keramik piezoelektrik laminasi

Meskipun penggerak keramik piezoelektrik memiliki kinerja luar biasa yang disebutkan di atas, sulit untuk mengatur loop kontrol karena tegangan penggeraknya mencapai 1 kV atau lebih. Jika beberapa lapisan ditumpuk secara paralel, jarak antara elektroda internal bisa sependek sekitar 10 μm. Tegangan penggerak dapat dikurangi hingga kurang dari 100V. Untuk deformasi yang disebabkan oleh efek longitudinal piezoelektrik, keramik piezo memiliki deformasi sekitar 0,3 μm, dan laminasi multilayer dapat mengalami deformasi beberapa puluh mikrometer.

3.2 driver keramik piezoelektrik tipe diafragma ganda

Tipe laminasi lebih unggul dalam karakteristik respon dan menghasilkan gaya, dan Cakram keramik piezo bahan PZT memiliki kelemahan yaitu besar perpindahannya yang kecil. Oleh karena itu, untuk mendapatkan perpindahan beberapa ratus mikrometer, perlu menggunakan tipe lentur diafragma ganda. Jenis pembengkokan diafragma ganda adalah dengan menekan dua keramik piezoelektrik secara bersamaan. Ketika satu bagian diregangkan, bagian lainnya diperpendek, dan deformasi sebanding dengan medan listrik yang diterapkan. Jenis lentur diafragma ganda dibagi menjadi dua jenis: seri dan paralel. fitur utama keduanya dibandingkan. Dapat dilihat dari tabel bahwa piezoelektrik paralel tipe lentur diafragma ganda mempunyai besar perpindahan yang besar untuk tegangan yang sama.

3.3 keunggulan kinerja penggerak keramik piezoelektrik

1) Menggunakan teknik laminasi film tebal, padat kristal cakram piezoelektrik yang disinter secara integral diperoleh tanpa bahan pengikat.
2) Dengan memperkenalkan proses IC dan teknologi isolasi, elektroda internal sejajar dengan penampang komponen, dan distribusi tegangan seragam, sehingga meningkatkan batas kerusakan.
3) Lapisan keramik piezoelektrik menipis, dan jarak elektroda dapat dikurangi menjadi sekitar 10 μm, memungkinkan penggerak tegangan rendah.
4) Pengenalan teknologi HIP (teknologi sintering pengepresan panas isostatik) dapat mencapai kepadatan tinggi, dan kekuatan mekanik meningkat sekitar 30% dibandingkan dengan benda sinter biasa.
5) Penggerak tegangan, tidak ada suara elektromagnetik.
6) Perubahan perpindahan seiring waktu, penyimpangan kecil, dan stabilitas suhu yang baik) Dapat diproduksi secara massal dan biayanya rendah untuk aplikasi penggerak keramik piezoelektrik

4.1 Aplikasi mekanis

Telah diperoleh printhead praktis untuk printer impact dot matriks yang merupakan kombinasi aktuator piezoelektrik laminasi dan mekanisme penguatan perpindahan. Kepala printer ini memiliki tegangan catu daya 90 V, perbesaran perpindahan sekitar 30 kali, dan perpindahan terminal sekitar 600 μm. Ini dapat mencapai kinerja pencetakan berkecepatan tinggi 100 kata/s atau lebih, dan memiliki konsumsi daya yang rendah dan pembangkitan panas yang rendah. Selain itu, ini juga digunakan dalam perangkat penentuan posisi ultra-presisi untuk manufaktur semikonduktor dan permesinan ultra-presisi. Perpindahan sebagian besar berada pada kisaran sub-mikron. Dalam pertimbangan histeresis dan linearitas, perhatian harus diberikan pada kontrol loop tertutup.

4.2 Penerapan dalam kekuasaan

Aplikasi pada unit daya seperti kipas piezoelektrik, katup piezoelektrik, pompa piezoelektrik, dan motor ultrasonik terutama disebabkan oleh konsumsi daya yang rendah dan kontrol yang tepat dari aktuator piezoelektrik. Perpindahan perangkat ini harus beberapa ratus mikrometer, dan tipe lentur diafragma ganda sering digunakan, dan katup piezoelektrik yang digunakan untuk kontrol aliran mendekati praktis.

4.3 Aplikasi optik

Saat ini, penerapan aktuator keramik piezoelektrik di bidang baru seperti sistem komunikasi optik, seperti penentuan posisi kecil cermin laser, docking coupler serat optik, dan pengontrol polarisasi serat, sedang banyak dilakukan.

4.4 Aplikasi pada sensor

Dibandingkan dengan sensor tekanan umum, aktuator piezoelektrik laminasi dapat memperoleh tegangan keluaran yang besar dengan tekanan yang kecil, sehingga dapat digunakan sebagai sensor tekanan yang sangat sensitif dan sensor percepatan.