Prinsipp, struktur og egenskaper til PZT piezoelektrisk keramisk aktuator

En piezoelektrisk keramisk aktuator er en enhet som utnytter den omvendte piezoelektriske effekten til en piezoelektrisk keramikk for å påføre et elektrisk felt i en passende retning av den piezoelektriske keramikken for å generere en tilsvarende forskyvning og kraft. Når en spenning påføres den polariserte piezoelektriske keramikken, blir den forlenget i polarisasjonsretningen (langsgående effekt) og forkortet i vertikal polarisasjonsretning (lateral effekt). Den piezoelektriske keramiske aktuatoren har en laminert type som benytter piezoelektriske langsgående effekter og en dobbel diafragma buet type som benytter piezoelektriske tverreffekter.

Siden den piezoelektriske aktuatoren er en enhet for forskyvningskontroll og kraftkilde, må materialet som brukes være i stand til å generere store belastninger og spenninger under et lite elektrisk felt, og effektiviteten av å konvertere elektrisk energi til mekanisk energi er høy, så det viktigste er å bruke piezo rund skivesvinger . Et mykt materiale med en stor konstant d, et slikt økende elektrisk felt (ca. 1 MV/m), gir en stor tøyning (Δl/l ca. 10 -2 ) og en spenning (ca. 9,8 MPa). På den annen side er responsvariabelen stor, og kravene til dielektrisk styrke og mekanisk styrke er også høye. For tiden er materialene som brukes i piezoelektriske keramiske aktuatorer hovedsakelig piezoelektriske keramiske materialer basert på blyzirkonattitanat (PZT).

3.1 Laminert piezoelektrisk keramisk driver

Selv om den piezoelektriske keramiske driveren har den ovenfor nevnte utmerkede ytelsen, er det vanskelig å stille inn kontrollsløyfen fordi drivspenningen er så høy som 1 kV eller mer. Hvis flere lag er stablet parallelt, kan avstanden mellom de interne elektrodene være så kort som ca. 10 μm. Drivspenningen kan reduseres til mindre enn 100V. For deformasjonen forårsaket av den piezoelektriske langsgående effekten, har piezokeramikk en deformasjon på omtrent 0,3 μm, og et flerlagslaminat kan deformeres med flere titalls mikrometer.

3.2 dobbel membrantype piezoelektrisk keramisk driver

Den laminerte typen er overlegen i responsegenskaper og genererende kraft, og PZT-materiale piezokeramisk skive har en ulempe ved at forskyvningsmengden er liten. Derfor, for å oppnå en forskyvning på flere hundre mikrometer, er det nødvendig å bruke en dobbel membranbøyningstype. Den doble membranbøyningstypen er å presse to piezoelektriske keramikk sammen. Når det ene stykket strekkes, blir det andre stykket forkortet, og deformasjonen er proporsjonal med det påførte elektriske feltet. Bøyningstypen med dobbel membran er delt inn i to typer: serie og parallell. hovedtrekkene til de to sammenlignes. Det kan ses av tabellen at den parallelle piezoelektriske dobbeltmembranbøyningstypen har en stor forskyvningsmengde for samme spenning.

3,3 piezoelektrisk keramisk driver ytelse overlegen

1) Ved hjelp av en tykkfilmlamineringsteknikk, et fast stoff piezoelektrisk skivekrystall som er integrert sintret oppnås uten bindemiddel.
2) Ved å introdusere IC-prosessen og isolasjonsteknologien er de interne elektrodene på linje med komponenttverrsnittet, og spenningsfordelingen er jevn, og øker dermed skadegrensen.
3) Det piezoelektriske keramiske laget er tynnet, og elektrodestigningen kan reduseres til ca. 10 μm, noe som muliggjør lavspentdrift.
4) Innføringen av HIP-teknologi (isostatisk varmpressende sintringsteknologi) kan oppnå høy tetthet, og den mekaniske styrken økes med ca. 30 % sammenlignet med vanlige sintrede legemer.
5) Spenningsdrift, ingen elektromagnetisk støy.
6) Endring av forskyvning over tid, liten drift og god temperaturstabilitet) Den kan masseproduseres og kostnadene er lave for piezoelektrisk keramisk driverapplikasjon

4.1 Mekaniske applikasjoner

Et praktisk skrivehode for en slagpunktmatriseskriver er oppnådd som er en kombinasjon av en laminert piezoelektrisk aktuator og en forskyvningsforsterkermekanisme. Dette skriverhodet har en strømforsyningsspenning på 90 V, en forskyvningsforstørrelse på ca. 30 ganger, og en terminalforskyvning på ca. 600 μm. Den kan oppnå høyhastighets utskriftsytelse på 100 ord/s eller mer, og har lavt strømforbruk og lav varmegenerering. I tillegg brukes den også i ultrapresisjonsposisjoneringsenheter for halvlederproduksjon og ultrapresisjonsmaskinering. Forskyvningen er for det meste i submikronområdet. Av hensyn til hysterese og linearitet, må det tas hensyn til lukket sløyfestyring.

4.2 Anvendelse ved makt

Anvendelser i kraftenheter som piezoelektriske vifter, piezoelektriske ventiler, piezoelektriske pumper og ultralydmotorer skyldes hovedsakelig lavt strømforbruk og presis kontroll av piezoelektriske aktuatorer. Forskyvningen av disse enhetene må være flere hundre mikrometer, og den doble membranbøyningstypen brukes ofte, og den piezoelektriske ventilen som brukes til strømningskontroll er nær praktisk.

4.3 Optiske applikasjoner

For tiden utføres bruken av piezoelektriske keramiske aktuatorer i nye felt som optiske kommunikasjonssystemer, for eksempel bestemmelse av den lille posisjonen til laserspeilet, den fiberoptiske dockingkobleren og fiberpolarisasjonskontrolleren.

4.4 Bruk i sensorer

Sammenlignet med en generell trykksensor, kan en laminert piezoelektrisk aktuator oppnå en stor utgangsspenning med et lite trykk, og kan dermed brukes som en svært følsom trykksensor og en akselerasjonssensor.