Дослідження ефективності переміщення багатошарового мікроприводу з п’єзоелектричної кераміки PZT (2

 Порівняння густини, діелектричної проникності та п’єзоелектричного коефіцієнта керамічної плівки PZN-PZ-PT, отриманої методом лиття та методом сухого пресування:

  На малюнку показана статична характеристика напруга-переміщення багатошарового чіпа п’єзоелектричного керамічного мікроприводу PZT у режимі поздовжнього переміщення. З цієї кривої видно, що коли прикладена напруга поступово збільшується, а потім повертається до нуля, пристрій починає. Як показано в рівнянні (1), зміщення генерується лінійним і квазілінійним способом, а потім зсувається нелінійним способом; коли напруга зменшується від максимальної напруги, її зміщення більше не повертається як початкове зміщення, але відбувається затримка зміщення. Ця гістерезисна залежність між напругою та зміщенням є важливою особливістю гнучкості на основі PZT штатні п'єзокерамічні кільцеві пересувні пристрої. Причина цього гістерезису напруги-зміщення пов’язана з кристалічною структурою та електричною доменною структурою п’єзоелектричної кераміки на основі PZT. Оскільки п'єзокристалічна структура PZT п'єзоелектричної кераміки є перовскітною структурою, а її постійні решітки осей a та c різні; коли п’єзоелектрична кераміка поляризована, у кристалах залишається багато 90 електричних доменів. У слабкому електричному полі (відповідна напруга також відносно низька) зсув п'єзоелектричної кераміки в основному пов'язаний з поляризацією електричного диполя під дією електричного поля, так що зміна його інтенсивності поляризації поєднується з електрострикційним ефектом, або зворотний електричний ефект викликає його лінійне механічне зміщення; однак, коли п’єзоелектрична кераміка піддається сильному електричному полю, 90 доменів у кристалі починають повертатися, так що осі a і c нерівних постійних гратки викликають зміщення п’єзоелектричної кераміки нелінійно в напрямку, паралельному або перпендикулярному електричному полю. Коли напруга знижується від максимального значення, в 90 доменах є два оборотних і незворотних домени. Ці незворотні домени існують. Завдяки цьому в п’єзоелектричній кераміці з’являється явище петлі гістерезису напруги-зміщення.

 П’єзоелектричні характеристики кожного п’єзоелектричного керамічного шару в п’єзоелектричному керамічному мікроприводі мікросхеми оцінюються інтуїтивно. Коли п’єзоелектричний керамічний мікропривід багатошарового чіпа прикладається з напругою 2,3 В (електричне поле становить 50 В/мм, це близько до повороту електричного домену та порогового електричного поля), пристрій генерує загальне зміщення приблизно 0,04 мкм. Якщо вважається, що електричне керування доменом має невеликий вплив на п’єзоелектричну деформацію, середню п’єзоелектричну деформацію кожного п’єзоелектричного керамічного шару можна розрахувати за рівнянням (2) Коефіцієнт d33≈500pC/N. Це значення в основному близьке до вказаного значення d33. Тому можна вважати, що п'єзоелектричні характеристики монолітні П'єзокерамічний циліндровий перетворювач, розроблений у цій роботі, досяг монолітної литої керамічної плівки та об'єму.

Результати на малюнку також показують, що багатошаровий п’єзоелектричний керамічний мікропривод може створювати велике зміщення приблизно 1 мкм при відносно низькій робочій напрузі 38 В, але розмір пристрою дуже малий. Таким чином, цей пристрій можна застосовувати в деяких високотехнологічних галузях з низькою робочою напругою, великим робочим об’ємом і невеликим розміром пристрою, жорсткі диски вимагають невеликого розміру пристрою та робочої напруги <12 В. Коли використовується гнучка п’єзокераміка серії PZT, коли змінюється зворотна напруга або електричне поле в протилежному напрямку, легко спричинити деполяризацію п’єзокераміки, що знижує п’єзоелектричні характеристики та зменшує зміщення. Тому пристрої з багатошаровими мікросхемами зазвичай працюють з односпрямованою позитивною напругою. Багатошаровий мікросхемний пристрій односпрямованої синусоїдальної форми сигналу змінного струму та його динамічний спектр відгуку зміщення. З кривої відповіді на зміщення, показаної на малюнку, видно, що багатошаровий чіп має односпрямований синусоїдальний змінний струм із піковою напругою 12 В і частотою 1 кГц. Під дією максимальне зміщення становить 0,28 мкм, що в основному таке ж, як статичне зміщення при 12 В постійного струму, це вказує на те, що під електричним полем 250 В / мм немає очевидної залежності між його зміщенням і частотою. крім того, динамічне зміщення пристрою в основному має форму синусоїди, а різниця фаз від напруги також дуже мала (важко обчислити різницю фаз на малюнку), що вказує на те, що зміщення багатошарового пристрою може слідувати за зміною електричного поля для створення зміщення. Факт. У наведеному вище показники вищевказаного динамічного зміщення в основному не змінюються в діапазоні частот від 100 Гц до 5 кГц, що можна побачити з спектральних кривих зміщення та різниці фаз показаного пристрою з багатошаровою мікросхемою. Форма сигналу напруги V = 6 (1 + sinωt), динамічне зміщення, створене під впливом різних частот напруги, майже не змінюється з частотою, а його різниця фаз змінюється лише близько 5 кГц.

2. Характеристики напруги-зміщення багатошарових мікросхем пов’язані з кристалічною структурою та поведінкою електричних доменів п’єзоелектричних керамічних матеріалів PZT під дією електричних полів. Електричні домени все ще можуть добре повертатися під дією низькочастотних електричних полів, що робить діапазон частот від 100 Гц до 5 кГц. Розмір внутрішнього динамічного зміщення П'єзоелектричний керамічний циліндр залишається в основному незмінним.

3. Використання зворотного п’єзоелектричного ефекту для вивчення закону зміни зміщення, викликаного електричними диполями та доменами під дією електричного поля, є хорошим методом дослідження мікроскопічних властивостей п’єзоелектричного тіла та п’єзоелектричного коефіцієнта.