Principio, struttura e caratteristiche dell'attuatore ceramico piezoelettrico PZT

Un attuatore piezoelettrico in ceramica è un dispositivo che utilizza l'effetto piezoelettrico inverso di una ceramica piezoelettrica per applicare un campo elettrico in una direzione appropriata della ceramica piezoelettrica per generare uno spostamento e una forza corrispondenti. Quando viene applicata una tensione alla ceramica piezoelettrica polarizzata, questa viene allungata nella direzione di polarizzazione (effetto longitudinale) e accorciata nella direzione di polarizzazione verticale (effetto laterale). L'attuatore ceramico piezoelettrico è di tipo laminato che utilizza effetti longitudinali piezoelettrici e di tipo curvo a doppio diaframma che utilizza effetti trasversali piezoelettrici.

Poiché l'attuatore piezoelettrico è un dispositivo per il controllo dello spostamento e una fonte di energia, il materiale utilizzato deve essere in grado di generare grandi deformazioni e sollecitazioni sotto un piccolo campo elettrico e l'efficienza di conversione dell'energia elettrica in energia meccanica è elevata, quindi la cosa più importante è utilizzare trasduttore piezoelettrico a disco rotondo . Un materiale morbido con una costante d elevata, un campo elettrico crescente (circa 1 MV/m), produce una grande deformazione (Δl/l circa 10 -2 ) e uno stress (circa 9,8 MPa). D'altro canto, la variabile di risposta è ampia e anche i requisiti di rigidità dielettrica e resistenza meccanica sono elevati. Attualmente, i materiali utilizzati negli attuatori ceramici piezoelettrici sono principalmente materiali ceramici piezoelettrici a base di zirconato titanato di piombo (PZT).

3.1 Driver ceramico piezoelettrico laminato

Sebbene il driver piezoelettrico in ceramica abbia le eccellenti prestazioni sopra menzionate, è difficile impostare il circuito di controllo perché la tensione di pilotaggio raggiunge 1 kV o più. Se più strati vengono impilati in parallelo, la distanza tra gli elettrodi interni può essere pari a circa 10 μm. La tensione di pilotaggio può essere ridotta a meno di 100 V. Per la deformazione causata dall'effetto longitudinale piezoelettrico, la ceramica piezoelettrica ha una deformazione di circa 0,3 μm e un laminato multistrato può essere deformato di diverse decine di micrometri.

Driver ceramico piezoelettrico a doppio diaframma da 3.2

Il tipo laminato è superiore nelle caratteristiche di risposta e nella forza di generazione e Il disco piezo-ceramico in materiale PZT presenta lo svantaggio che la quantità di spostamento è ridotta. Pertanto, per ottenere uno spostamento di diverse centinaia di micrometri, è necessario utilizzare un tipo di flessione a doppia membrana. Il tipo di piegatura a doppio diaframma consiste nel premere insieme due ceramiche piezoelettriche. Quando un pezzo viene allungato, l'altro pezzo viene accorciato e la deformazione è proporzionale al campo elettrico applicato. La tipologia di piegatura a doppia membrana si divide in due tipologie: serie e parallela. vengono messe a confronto le caratteristiche principali dei due. Dalla tabella si può vedere che il tipo piegante piezoelettrico parallelo a doppio diaframma ha un grande spostamento per la stessa tensione.

3.3 superiorità prestazionale del driver ceramico piezoelettrico

1) Utilizzando una tecnica di laminazione a film spesso, un solido Il cristallo del disco piezoelettrico integralmente sinterizzato è ottenuto senza legante.
2) Introducendo il processo IC e la tecnologia di isolamento, gli elettrodi interni sono in linea con la sezione trasversale del componente e la distribuzione delle sollecitazioni è uniforme, aumentando così il limite di danno.
3) Lo strato ceramico piezoelettrico è assottigliato e il passo dell'elettrodo può essere ridotto a circa 10 μm, consentendo il pilotaggio a bassa tensione.
4) L'introduzione della tecnologia HIP (tecnologia di sinterizzazione con pressatura a caldo isostatica) può raggiungere un'elevata densità e la resistenza meccanica è aumentata di circa il 30% rispetto ai normali corpi sinterizzati.
5) Azionamento in tensione, nessun rumore elettromagnetico.
6) Il cambiamento di spostamento nel tempo, piccola deriva e buona stabilità della temperatura) Può essere prodotto in serie e il costo è basso per l'applicazione di driver piezoelettrici in ceramica

4.1 Applicazioni meccaniche

È stata ottenuta una pratica testina di stampa per una stampante a matrice di punti ad impatto che è una combinazione di un attuatore piezoelettrico laminato e un meccanismo di amplificazione dello spostamento. Questa testina della stampante ha una tensione di alimentazione di 90 V, un ingrandimento dello spostamento di circa 30 volte e uno spostamento terminale di circa 600 μm. Può raggiungere prestazioni di stampa ad alta velocità di 100 parole/s o più e ha un basso consumo energetico e una bassa generazione di calore. Inoltre, viene utilizzato anche in dispositivi di posizionamento ultraprecisi per la produzione di semiconduttori e lavorazioni meccaniche ultraprecise. Lo spostamento è per lo più nell'ordine dei submicron. In considerazione dell'isteresi e della linearità, è necessario prestare attenzione al controllo ad anello chiuso.

4.2 Applicazione al potere

Le applicazioni in unità di potenza come ventilatori piezoelettrici, valvole piezoelettriche, pompe piezoelettriche e motori a ultrasuoni sono principalmente dovute al basso consumo energetico e al controllo preciso degli attuatori piezoelettrici. Lo spostamento di questi dispositivi deve essere di diverse centinaia di micrometri e spesso viene utilizzato il tipo di piegatura a doppio diaframma e la valvola piezoelettrica utilizzata per il controllo del flusso è quasi pratica.

4.3 Applicazioni ottiche

Attualmente, l'applicazione di attuatori ceramici piezoelettrici in nuovi campi come i sistemi di comunicazione ottica, come la determinazione della minuscola posizione dello specchio laser, l'accoppiatore di aggancio in fibra ottica e il controller di polarizzazione della fibra, sono ampiamente praticati.

4.4 Applicazione nei sensori

Rispetto ad un sensore di pressione generale, un attuatore piezoelettrico laminato può ottenere una grande tensione di uscita con una pressione ridotta e quindi può essere utilizzato come sensore di pressione altamente sensibile e sensore di accelerazione.