Главная / Библиотека / Пьезоэлектроника. Основы функционирования и принципы пьезоэлектрических устройств.

Пьезоэлектроника. Основы функционирования и принципы пьезоэлектрических устройств.

Пьезоэлектроника. Основы функционирования и принципы пьезоэлектрических устройств.

Пьезоэлектричество - явление, при котором электрическое поле механически воздействует на материал. В результате электрическое поле индуцируется в ответ на деформацию (прямой пьезоэффект), либо деформация вызывается от действия электрического поля (обратный пьезоэффект). Благодаря этому пьезоэлектрики широко применяются как в датчиках, так и в приводах. Пьезоэлектрики часто называют «умными» или «интеллектуальными» материалами. В частности, цирконат-титанат свинца (ЦТС) применяется во всех пьезоэлектрических устройствах.

Цирконат-титанат свинца – это керамический материал, из которого созданы почти все пьезоэлектрические устройства, доступные на сегодняшний день. Пьезоэлектрик проявляет свойства пироэлектрические и сегнетоэлектрические. ЦТС-устройства обеспечивают слаженную работу механических устройств благодаря пьезоэлектрическому эффекту, описанного системой уравнений, где поведение электрического поля связывается с законом Гука:

Закон Гука

В матричной форме уравнения примут вид:

Закон Гука(матричный вид)

Рисунок 1

Здесь D – вектор электрического смещения, ε – вектор напряженности, E – вектор электрического поля, σm –тензор напряжения, eσij – тензор диэлектрической проницаемости пьезоматериала, ddim и dcjk – пьезоэлектричекие коэффициенты, и sEkm – коэффициент податливости. Элементы матрицы используются для вычисления параметров пьезоэлектрического прибора, но полный вывод этих уравнений выходит за рамки данного руководства.

На рисунке 1 представлена упрощенная модель ЦТС-устройства. Схема приведена для случая, когда вектора силы и перемещения лежат в одной плоскости с осью поляризации (она определяется электрическим полем). Напряжение задается как F / A. Основываясь на этом, можно сделать следующий вывод: при любой механической деформации модуль противодействующей силы будет пропорционален площади поперечного сечения.

Мы рассмотрели случай, когда пьезоэлектрический элемент двигается одномерно. Однако в целом пьезокерамика может деформироваться по-разному (см. рисунок 2). Именно это становится основной сложностью при использовании ЦТС-приводов. Позднее мы вернемся к этой теме.

Рисунок 2

Типы пьезоактюаторов

Существует три основных типа пьезокерамических актюаторов: низковольтные, высоковольтные и кольцевые. Сейчас широко распространены многослойные пьезоактюаторы. На рисунках 4 и 5 (см. ниже) демонстрируется различие многослойных дискретных и монолитных электроприводов.

Для любой заданной высоты h привода внешнее устройство может производить большее смещение, пропорциональное площади сечения. Это выведено из уравнения деформации:

Уравнение деформации

Здесь n - число слоев. Таким образом, можно легко убедиться, что изменение высоты пропорционально числу слоев. К достоинствам такого рода структуры относят низкое потребляемое напряжение, быстрое время отклика, высокую мощность, а также надежное соединение. Есть еще один вид актюаторов, биморфный, но в данной статье он не рассматривается.

рисунок 3

Низковольтные пьезоприводы

Рабочее напряжение низковольтных пьезоприводов - ниже 200 В. Эти устройства представляют собой монолитные многослойные устройства. В таких структурах слои сплавлены между собой, а не склеены (см. рисунок 3).

Все пьезоактюаторы в основном небольшого размера и прямоугольной формы. Электроемкость достигает порядка нескольких мкФ, инструменты имеют высокий модуль упругости. Пьезоприводы достаточно бюджетны, отлично подходят для точного позиционирования. Основным неудобством в процессе эксплуатации пьезоактюаторов является их малых размер – чем миниатюрнее модель, тем более тщательный расчет воздействующей силы потребуется.

Высоковольтные пьезоприводы

Высоковольтные пьезоактюаторы в среднем работают от напряжения в 500 В. В отличие от структуры низковольтных «коллег», слои в таких пьезоприводах склеены, а между ними вставлены электроды и пьезокерамические пластины. Также высоковольтные актюаторы значительно больше, пьезокерамика в таких инструментах имеет меньший модуль упругости.

Пьезоприводы высокого напряжения имеют цилиндрическую форму, их электроемкость составляет несколько сотен нФ. Площадь сечения высоковольтных приводов достаточно велика, что позволяет развивать большую мощность и выдерживать более высокие температуры.

Кольцевые пьезоприводы
Кольцевые пьезоприводы - это полые цилиндрические монолитные устройства (см. рисунок 6). Такие пьезоактюаторы имеют несколько преимуществ в производительности и надежности по сравнению с монолитными прямоугольными пьезоактюаторами. Снижение пьезоэффекта в приводе происходит из-за перегрева: пьезокерамика имеет низкую теплопроводность. Это негативно влияет на качество работы и приводит к сокращению срока службы.

Кольцевой привод имеет большую площадь поверхности – таким образом, происходит рассеивание тепла, и привод может выдерживать высокие температуры.

Стоит отметить преимущества геометрии кольцевой структуры: из равного объема пьезоматериала можно получить гораздо больший радиус кольца, увеличивая при этом конструкционную надежность инструмента без потерь на изменение электроемкости.

рисунок 4 рисунок 5 рисунок 6

Пьезоэлектроника от Thorlabs

рисунок 7

Компания Thorlabs занимается разработкой пьезоэлектроники в широком масштабе. Команда инженеров Thorlabs имеет почти двадцатилетний опыт работы в пьезоэлектронике.

Выбор пьезоматериала осуществляется на основе требований, заданных особенностями изготовляемого привода (например, размер, смещение, напряжение и т. д.). Для многослойных устройств используются электроды из серебра / палладия. Трафареты электродов специально разработаны для данных устройств. Как только слои керамических блоков и соединительные внутренние электроды собраны, они помещаются в изостатический пресс. Так увеличивается плотность устройства, улучшаются его механические свойства и производительность. Затем этот блок разрезают. Следующий этап – связывание материала. Будущее пьезоэлектрическое устройство проходит через цикл термической обработки, остатки растворителя внутри керамики полностью удаляются. Это помогает устранить дефекты конструкции целой партии, повышая надежность и эффективность всего производственного процесса.

рисунок 8После цикла нагревания будущий пьезоэлемент готов для плавления. Материал скрепляется без термической деформации керамического тела. На этом же этапе достигается необходимая плотность устройства. Финиширование изделия, исправление отклонений осуществляется с помощью высокоточных притирочных станков. Далее устройства проходят очистку, после чего получается почти готовый пьезоэлемент. Остается лишь нанести и обжечь серебряные электроды. Это процесс продолжается 8-12 часов, он усиливает адгезию между серебряными электродами и керамичской основой.

Пока устройства технически не являются пьезоэлектриками, поскольку термически обработанная ЦТС-керамика все еще проявляет свойства изотропности. Чтобы устранить это, устройства проходят этап полирования.

Каждое устройство подвергается сильному воздействию электрического поля через электроды, таким образом активируются его пьезоэлектрические свойства. Затем все пьезоэлементы по отдельности тестируются на элекроемкость, коэффициент рассеяния, резонансную частоту, импеданс, пропускание, ход и пьезоэлектрическую постоянную d33. Инженеры Thorlabs сопровождают все процедуры изготовления и тестирования устройств, гарантируя высокое качество и надежность.

Специалисты компании занимаются проектированием автономных и интегрированных ЦТС-устройств. Есть возможность создания устройств специальной конфигурации.

 

Компания INSCIENCE является прямым поставщиком продукции Thorlabs на территории РФ. Вы можете получить подробную информацию и коммерческие условия обратившись к специалистам нашей компании.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку, и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, пр. Большой Сампсониевский, д. 60У, офис 31