Пьезоэлектрические приводы

Особенности:

• Дискретные пьезоэлементы в гибких корпусах;
• Предварительно подключенные провода для простоты интеграции;
• Для использования в экспериментальных установках с разомкнутым контуром;
• Идеально подходит для использования в OEM-приложениях.

Каждый пьезоэлектрический привод Thorlabs состоит из дискретного пьезоэлектрического блока, установленного внутри гибкого корпуса. Гибкое крепление действует как плечо рычага, которое увеличивает смещение свободного хода автономного дискретного блока. Несмотря на то, что смещение, достигаемое этим узлом, значительно больше, чем смещение пьезоэлемента, сохраняется быстрое время отклика и низкие диапазоны управляющих напряжений дискретного состава. Поскольку это смещение создается пьезоэлементом в опоре изгиба, приводы не страдают от люфта.

Серия PK2F

Пьезоэлектрические приводы серии PK2F принимают напряжение возбуждения от 0 до 75 В и включают в себя П-образную защитную металлическую крышку, а также шариковый контакт для установки нагрузки сверху. Пьезоэлектрические приводы поставляются с предварительно подключенными проводами; электрод, присоединенный к красному проводу, должен быть смещен положительно, а электрод, присоединенный к черному проводу, должен быть заземлен. П-образная металлическая крышка защищает пьезоэлектрическую батарею и соединения проводов. Шариковый контакт из карбида вольфрама в верхней части корпуса привода позволяет точно установить нагрузку вдоль оси перемещения и предотвращает нежелательное напряжение вдоль других осей. Кроме того, он имеет два резьбовых отверстия M2.5, что обеспечивает простой и безопасный монтаж. Каждый элемент покрыт с четырех сторон изолирующим керамическим слоем, который действует как барьер для влаги. Керамический слой обеспечивает лучшую защиту от влаги, чем эпоксидное покрытие.

Серия PK2F в гибком корпусе без защитной крышки П-образной формы

Серия APF

Серия APF может работать с напряжением от -30 до 150 В и установлена ​​в открытой раме с несколькими резьбовыми отверстиями для монтажа компонентов, что делает их идеальными для OEM-приложений. Пьезоэлектрические приводы поставляются с предварительно подключенными проводами. В типичных условиях использования электрод, прикрепленный к черному или белому проводу, должен быть заземлен, а биполярный источник питания используется для подачи напряжения от -30 В до +150 В на красный провод. В качестве альтернативы, полный диапазон движения может быть достигнут, удерживая черный или белый провод под напряжением +30 В и изменяя напряжение на красном проводе от 0 до +180 В, если биполярный источник питания недоступен. Корпус имеет одно резьбовое монтажное отверстие сверху и снизу, а также четыре резьбовых монтажных отверстия спереди и сзади. Эти варианты монтажа обеспечивают гибкость при интеграции приводов в установку, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы правильно выровнять нагрузку с осью перемещения привода, чтобы избежать появления мод углового резонанса.

Примечание. При создании установки следует держать провода каждого пьезоэлемента связанными вместе, чтобы избежать статического разряда, который может повредить пьезоэлементы.

Приводы могут управляться контроллерами с обратной связью MDT694B (MDT693B) и KPZ101, а также с контроллерами с обратной связью MPZ601 или BPC301 (BPC303). Эти контроллеры способны обеспечивать управляющее напряжение от 0 до 150 В и, таким образом, они не могут обеспечить полный диапазон пьезоприводов серии APF. Также следует обратить внимание, что эти приводы не содержат тензодатчиков и, следовательно, не будут предоставлять информацию обратной связи по положению при использовании контроллеров с обратной связью. Если требуется обратная связь, можно рассмотреть пьезоэлектрические приводы с прикрепленными тензодатчиками.

Thorlabs также предлагает пьезоэлектрические блоки с совместным нагревом с максимальным смещением от 4.6 мкм до 20.0 мкм, включая один со встроенным тензодатчиком, который можно использовать для обеспечения обратной связи. В отличие от дискретных пьезоэлементов, которые состоят из кристаллов PZT, соединенных вместе, пьезоэлектрические блоки с совместным нагревом состоят из кристаллов PZT, которые были сплавлены вместе, чтобы сформировать единую монолитную структуру.

Сравнение пьезоэлектрических приводов:

Собственное производство пьезоэлектрических элементов Thorlabs

Пьезоэлектрические чипы производятся на предприятии в Китае, что дает полный контроль над каждым этапом производственного процесса. Это позволяет экономично производить высококачественную продукцию, в том числе нестандартные и OEM-устройства.

Особенности производства:

• Изготовление блоков из гибких листов порошка цирконата-титаната свинца (PZT);
• Электроды для трафаретной печати на каждом отдельном листе;
• Сложение распечатанных листов один поверх другого;
• Консолидация многослойных листов в изостатическом прессе;
• Разделение блока на отдельные элементы;
• Удаление остатков растворителя и связующего материала путем термической обработки элементов;
• Спекание элементов для плавления пьезоэлектрического прессованного порошка и выращивания кристаллов PZT;
• Достижения жестких допусков размеров: ± 5 мкм для каждого элемента;
• Трафаретная печать внешних электродов на элементах;
• Выравнивание отдельных кристаллов PZT вдоль одной оси с полировкой элементов.

Чипы после спекания

Разделение блока PZT на отдельные элементы

Функционирование

Силовые соединения

Серия PK2F. Электроды, соединенные с красным проводом, должны быть подключены к клемме положительного напряжения, а электрод, соединенный с черным проводом, должен быть заземлен. Напряжение на проводах должно быть от 0 В до +75 В; применение отрицательного смещения может вызвать механическую неисправность.

Серия APF. Как правило, электрод, прикрепленный к черному проводу (APF503 и APFH720) или белому проводу (APF705 и APF710) должен быть заземлен, в то время как биполярный источник питания используется для применения напряжения от -30 В до +150 В на красный провод. В качестве альтернативы, полный диапазон движения может быть достигнут путем удержания напряжения черного или белого провода при + 30 В и варьируя напряжение на красном проведении от 0 до +180 В, если биполярный источник питания недоступен.

Взаимодействие усиленного пьезоэлектрического привода с нагрузкой

Серия PK2F. Нагрузки должны быть установлены на сферическую точку контакта. Монтаж нагрузки на любую другую сторону устройства может привести к механической неисправности.

Серия APF. Нагрузки должны быть установлены в отверстия сверху или с боков корпуса привода.

Пайка проводов к электродам

Если провода должны быть присоединены к электродам, следует использовать температуру пайки не выше 370 °C (700 °F), а тепло следует прикладывать на каждый электрод в течение максимум 2 секунд. Припой наносится на середину электрода и старайтесь, чтобы место воздействия тепла было как можно меньше.

Работа в высокочастотных динамических условиях

Может потребоваться реализовать внешнюю систему управления температурой для охлаждения устройства, когда оно работает на высоких частотах. Такая работа вызывает повышение внутренней температуры пьезоэлектрического устройства. Нельзя допускать превышения его заданной максимальной рабочей температуры.

Оценка срока службы устройства

Срок службы пьезоэлектрического устройства представляет собой функцию рабочей температуры, прикладываемого напряжения и относительных условий влажности. Срок службы уменьшается как следствие электролитических реакций, приводимых в действие влажностью, которые возникают на электродах пьезоэлектрических устройств, когда прикладывается напряжение постоянного тока. Эти реакции вместе генерируют водород, и приводят к образованию металлических дендритов от катода к аноду. Водород, высвобожденный электролитической реакцией, химически реагирует и ухудшает пьезоэлектрический материал. Дендриты, которые растут от электрического соединения катода и анода, приводят к увеличению уровней тока утечки. Неисправными пьезоэлектрическими устройствами считаются те, которые показывают уровни тока утечки выше установленного порога.

Керамический защитный слой, который изолирует пьезоэлектрические устройства Thorlabs с четырех сторон, эффективен в минимизации воздействия влажности на срок службы устройства. Поскольку есть интерес к оценке срока службы пьезоэлектрических устройств, Thorlabs провел экологические испытания на керамическом, низковольтном, пьезоэлектрическом приводах. Полученные данные были использованы для создания простой модели, которая оценивает среднее время отказа (MTTF), в часах, когда условия эксплуатации влажности, температуры и прикладываемого напряжения известны. Предполагаемое MTTF рассчитывается путем умножения трех функций, соответственно, рабочей температуры, относительной влажности и относительного напряжения устройства. Относительное напряжение рассчитывается путем разделения эксплуатационного напряжения на максимальное указанное напряжение привода для устройства. Значения для каждого параметра могут быть считаны из следующих участков, или они могут быть рассчитаны путем загрузки значений данных по грану и интерполяции в зависимости от ситуации.

В следующих графиках сплошная линия каждой кривой представляет собой диапазон условий, над которыми проводили тестирование Thorlabs. Дополненные пунктир-линией части – экстраполированные данные, которые представляют собой более широкий диапазон условий, которые могут быть обнаружены во время работы устройств.

Расчет MTTF для оценки жизни: MTTF = f_V · f_T · f_H

Учитывая относительные условия влажности, температуры устройства и рабочего напряжения, может быть оценен срок службы устройства. Это совокупность факторов напряжения, температуры и влажности, которые могут быть определены с использованием отношений, полученных из графиков.

Пример. Устройство типа PK2FSF1 работает с напряжением 60 В, при температуре 30 °С, в среде с 75% относительной влажности:

- Напряжение составляет 427 (максимальное номинальное напряжение (V_max) PK2FSF1 составляет 75 В, давая V/V_max = 60 В / 75 В = 0.80).

- Температура 83;

- Относительная влажность 2.8;

Тогда MTTF = 472 · 83 · 2.8 = 99234.8 часа, что превышает 11 лет.

Данные, показанные на этих графиках, были получены с использованием пьезоэлектрического привода PK2FSF1. Другие приводы демонстрируют аналогичные характеристики.

Температура

Напряжение

Относительная влажность

Данные напряжения, температуры и относительной влажности, были получены из анализа результатов измерений от испытуемых устройств по шести различным эксплуатационным условиям. Различные специализированные наборы десяти устройств были испытаны в каждом состоянии, с каждым условием, представляющих различные комбинации рабочего напряжения, температуры, и относительной влажности. После того, как устройства обнаруживают утечки уровней тока выше порогового значения 100 нА, они регистрируются как неисправные. Отдельные вклады температуры, влажности и напряжения в срок службы устройства определяется как:

MTTF = f_V(V) · f_T(T) · f_H(H)

• Закон степенной зависимости для напряжения: f_V(V) = A₁V^b1;
• Экспоненциальная зависимость относительной влажности: f_H(Т) = A₂ · (e^c)^H;
• Соотношение Аррениуса для температуры: f_T(Н) = A₃e^b2/Т.

Где A₁, A₂, A₃, b1, b2, и с – константы, определяемые на основе анализа данных измерений, V – рабочее напряжение постоянного тока, Т – температура устройства, а Н – относительная влажность. Поскольку MTTF имеет различные математические отношения с каждым фактором, зависимость MTTF может быть определена на каждом из них. Области указанных кривых, обозначенных синей штриховкой получены из экспериментальных данных. Пунктирные участки кривых экстраполированы.