Основные виды пьезоэлектрических приводов Thorlabs и методы их производства
Введение
В основе работы пьезоэлектрических компонентов лежит пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект), который заключается в возникновении электричества под действием внешних механических сил на пьезоэлектрик. Пьезоэффект обратим. Явление генерации пьезоэлектриком напряжения в ответ на механическое воздействием называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Явление возникновения механических напряжений и деформации при приложении к пьезоэлектрику электрического поля, называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Благодаря этому пьезоэлектрические материалы получили широкое применение как в детекторах, так и приводах, и их часто называют "умными" материалами. Особенно активно в пьезоэлектрических устройствах используют цирконат-титанат свинца (ЦТС). Из этого керамического материала изготавливают большую часть пьезоэлектрических приводов, имеющихся на рынке. Он является не только пьезоэлектриком, но и пироэлетриком, а также сегнетоэлектрик. ЦТС устройства способны осуществлять управление механическими компонентами с высокоточным соединением элементов (такими как держатели зеркал или трансляторы) благодаря пьезоэлектрическому эффекту, который можно описать с помощью системы уравнений (объединение уравнения электрического поля с тензором напряжения закона Гука):
В матричной форме их можно переписать как:
(1)
(1)
(2)
(3)
В данных уравнениях D – вектор электрической индукции, ε – вектор деформаций, E – вектор напряженности приложенного электрического поля, σm – вектор напряжений, eσij – диэлектрическая проницаемость, ddim и dcjk – пьезоэлектрические коэффициенты, sEkm – упругая податливость (величина обратная жесткости). Отдельные элементы матрицы являются полезной мерой функциональных возможностей ЦТС.
Рис. 1 Схема работы упрощенного пьезоэлектрического прибора (1D)
На рисунке 1 представлено упрощенное устройство из пьезоэлектрика. Как правило, такие устройства (1D устройство) разрабатывают таким образом, что возникающая сила и смещения направлены вдоль одной указанной оси (определена электрическим полем). Напряжение в такой конфигурации задается как F/A. Интересным следствием этого является то, что для любой заданной механической деформации пьезоэлемента, сила, которую он может генерировать, пропорциональна площади поперечного сечения элемента. Мы вернемся к этому позже, когда будем обсуждать блокирующую силу.
Мы рассматривали случай, когда работа пьезоэлемента ограничивалась 1 осью (1D смещение), но в целом пьезоэлектрические элементы могут быть деформированы и другим образом (см. рис. 2). Эти типы деформированных состояний происходят вдоль оси, перпендикулярной той, что мы рассматривали до этого. Позже мы рассмотрим случаи, ограничивающие использование пьезоэлектрических элементов в реальном мире.
Рис. 2 Типы деформированных состояний пьезоэлектрического элемента
Типы приводов
Существует 3 основных категории ЦТС приводов: низковольтные, высоковольтные и кольцевые приводы. В большинстве современных приводов используется многослойная структура, хотя также существуют приводы на объемных композитах. Ни рисунках 4 и 5 продемонстрирована разница между объемным и многослойным пьезоактуатором. Для любой заданной высоты, h, пьезопривода, устройство с многослойной структурой генерирует большее пропорциональное смещение, что подтверждается уравнениями деформации:
(4)
или
(5)
В данных уравнениях n – число слоев, таким образом, мы видим, что относительное изменение высоты пропорционально количеству слоев. Многослойные структуры также обладают коротким временем отклика и высоким коэффициентом электромеханической связи, работают с низким напряжением и генерируют большие значения силы. Также существуют биморфные пьезоэлементы, но в данной статье они обсуждаться не будут.
Низковольтные пьезоактуаторы
Рабочее напряжение низковольтных пьезоактуаторов, как правило, ниже 200 В. Это монолитные многослойные приборы, т.е. производство многослойной структуры осуществлялось путем спекания, а не склеивания отдельных слоев (см. рис. 3). Данные устройства как правило обладают небольшими или средними размерами и прямоугольной формой формы. Электрическая емкость низковольтных пьезоактуаторов составляет порядка нескольких микрофарад. Приборы обладают высокими значениями модуля Юнга, низкой стоимостью и доступны для заказа большими партиями. Однако из-за небольших размеров, величина генерируемой элементами силы ограничена.
Рис. 3. Многослойный пьезоэлемент со встроенными в виде гребенчатой структуры электродами
Высоковольтные пьезоактуаторы
Рабочее напряжение высоковольтных пьезоактуаторов, как правило, составляет более 500 В. В отличие от низковольтных пьезоактуаторов данные приборы не облададют монолитной структурой. Многослойность создается путем склеивания отдельных обработанных ЦТС дисков и электродов. Такие актуаторы часто имеют цилиндрическую форму, и обладают намного большими размерами, чем низковольные пьезоэлектрические приводы. Электрическая емкость данных приборов составляет порядка нескольких сотен нанофарад, а модуль Юнга ниже, чем у низковольтных актуаторов. Большая площадь поперечного сечения позволяет генерировать большие значения силы и выдерживать более высокие температуры.
Кольцевые приводы
Кольцевые приводы представляют собой полые, цилиндрические, многослойные устройства, как показано на рис. 6. Они обладают рядом преимуществ над объемными структурами в плане эффективности и надежности. Один из главных факторов снижения эффективности работы или повреждения пьезоэлектриков является тепло. Така как ЦТС – керамик, данный материал проводит тепло очень слабо; это может привести к уменьшению срока службы устройства. Кольцевые приводы отводят тепло очень быстро благодаря увеличенной площади поверхности. Высокая эффективность отвода тепла означает, что данные приводы можно использовать на более высоких нерезонансных частотах без опасности тепловых повреждений. Кроме того, преимущества такой геометрии заключаются в том, что при том же объеме ЦТС материала, кольцо будет иметь больший радиус. Это увеличит механическую стабильность устройства, без увеличения емкости.
Рис.4 Расширение пьезоэлектрика при приложении напряжения
Рис. 6 Кольцевые приводыо пьезоэлектрических приборов Thorlabs
|
Компания Thorlabs разрабатывает и производит собственные устройства на базе ЦТС пьезоэлектрика уже более 18 лет. Процесс производства начинается с выбора подходящего материала на основе требований к изготавливаемому приводу (т.е. размеры, расположение, рабочее напряжение и т. д.). Для приборов с многослойной структурой, встраиваемые электроды производятся методом трафаретной печати с помощью серебряно-палладиевой пасты и специального шаблона. После соединения керамических блоков с электродами, полученная сборка помещается в изостатический пресс. Данный процесс увеличивает плотность ЦТС прибора, что улучшает его механические свойства. |
Рис. 7 Трафаретная печать серебряных электродов |
Затем пьезоэлектрик обрезают до необходимых размеров и подвергают процессу выжигания связующего вещества. Пропуская полученную структуру через все фазы тепловой обработки, мы выпариваем все связующие материалы и водорастворимые остатки керамическом материале и, таким образом, избавляемся от них. Это позволяет устранить дефекты и разброс характеристик приборов от партии к партии, а значит увеличивает надежность и стабильность всего процесса производства.
Выжигание связующего вещества готовит пьезоэлектрик к спеканию. Спекание соединяет материалы в монолитную конструкцию без плавления керамического материала, формируя и выращивая кристаллиты до достижения оптимальной плотности. Для достижения высокой точности размеров при производстве используется шлифовальный станок. Это позволяет контролировать размер в направлении смещения с точностью до 5 мкм. После этого, устройства готовы к тому, чтобы стать полностью действующими пьезоэлектриками. Для этого сначала внешние электроды печатаются на устройствах, а затем серебро отжигают. Отжиг занимает 8 – 12 часов, что укрепляет соединение серебряных электродов и керамики.
На данном этапе, устройство еще не является пьезоэлектриком, так как ЦТС керамик после спекания изотропен. Чтобы сделать из керамического материала пьезоэлектрик, устройство необходимо подвергнуть процессу поляризации, то есть воздействию сильного электрического поля перпендикулярно электродам. После активации пьезоэлектрика, каждое устройство тестируется, измеряется емкость, коэффициент диссипации, резонансная частота, сопротивление, потери и пьезоэлектрическая постоянная (d33). От самого начала и до конца, компания Thorlabs контролирует весь процесс производства и тестирования электродов, что позволяет создавать приборы для любых приложений.
|
Рис. 8 Разрезание керамического материала на блоки |
Рис. 9 Бруски керамика в шлифовальной машине |
Рис. 10 Тестирование пьезоэлектрического привода |
