Prof.dr.sc. Jasmin Velagić. Kolegij: Aktuatori

Transkript

1 Lekcija 11 Piezo aktuatori Prof.dr.sc. Jasmin Velagić Elektrotehnički fakultet Sarajevo Kolegij: Aktuatori

2 MEMS aktuatori 2/60 Mikro-elektro-mehanički sistemi (MEMS) predstavljaju integraciju mehaničkih elemenata, senzora, aktuatora i elektronike na zajedničkom silicijskom supstratu, korištenjem mikrofabričke (mikrostrojne) tehnologije. Dok je standardna proizvodnja elektroničkih uređaja temeljena na integriranim krugovima, odnosno sekvencom njihovih procesa (npr. CMOS, bipolarni ili BICMOS procesi), mikromehaničke komponente se proizvode korištenjem kompatibilnih mikrostrojnih procesa koji selektivno ugraviravaju dijelove silicijskih podloga (wafer-a) ili dodaju nove strukturalne slojeve za formiranje mehaničkih i elektromehaničkih uređaja.

3 MEMS aktuatori MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Fenomeni koji omogućuju razvoj mikro aktuatora. Piezoelektrički efekat 3/60 Sila se generira piezoelektričkim kristalima koji energiju dobivaju usljed primijenjenog napona. Sile su velike, vrlo mali pomaci. Potrebni su veliki naponi. Relativno su komplicirani za gradnju. Termalni (toplotni) bimorfizam Primjena fenomena da svaki materijal ima karakteristično širenje pri promjeni temperature. Generiraju veliku silu i mogu imati veliko pomjeranje. j Ovi aktuatori imaju veliku vremensku konstantu i njihov rad jako ovisi o temperaturi. Upravljanje ovim aktuatorima je komplicirano.

4 MEMS aktuatori Elektrostatički (kapacitivni) efekat Sila se generira promjenom elektrostatičke energije, tj. promjene napona ili količine naboja. Generiraju se male sile i mali pomaci. Potrebni su veliki naponi. Elektromagnetski efekat 4/60 Sila se generira promjenom magnetskog polja koje deluje na magnetski materijal. Pogodni su za male sile. Proizvodnja namota je komplicirana.

5 Usporedba MEMS aktuatora 5/60 Elektrostatički aktuator mala gustoća sile, ograničen broj stupnjeva slobode (DOF), jednostavni za proizvesti. Piezo aktuator mali pomaci usljed djelovanja sile, obnovljiva proizvodnja. Elektromagnetski složena proizvodnja. Elektrotermalni mali propusni pojas, visok iznos sile, jednostavna proizvodnja. Frekvencija [Hz] 100,000 10,000 piezo 1000 elektrostatički Otisak: Elektrostatički 10μm~mm TMA 10μm~mm Piezoelektrički ički 1~10μm 10 Elektromagnetski 1~10mm 100 termomehanički elektromagnetski Sila [μn] ,000

6 Gustoća energije/sile 6/60 Vrsta Max. Max. Max. Sila/ FAB Napon mikroaktuatora pomak sila brzina područje Termalni ~100μm 1-10mN 10s -1kHz 1 dobra 1-5V Elektrostatički dobra ~100V Elektromagnetski složena 1-5V Piezo složena V

7 MEMS koračni motor 7/60 Motor je veoma sličan standardnim koračnim motorima, izuzev što je dvodimenzionalan (2D) i veoma mali.

8 MEMS slojevi (razine) 8/60 Potencijalna složenost MEMS uređaja povećava se eksponencijalno sa brojem procesnih karakteristika i pojedinačnih strukturalnih slojeva.

9 9/60 MEMS parni stroj (višeklipni) Voda unutar tri kompresijska cilindra se zagrijava pomoću električke struje i isparava, izbijajući klip. Kada se prekine dotok struje, kapilarne sile uvlače klip.

10 MEMS rotacijski motor i parni stroj 10/60 Rotacijski motor Parni stroj (jedan klip)

11 11/60 MEMS prijenosni mehanizam Planarni prijenosni mehanizam sa 6 zupčanika.

12 MEMS mikroturbina 12/60 80 W gasna turbina dizajnirana i izgrađena na MIT-u za MEMS energetske aplikacije.

13 Integrirani MEMS 13/60 Mikro-inercijalni mjerni sistem sa šest stupnjeva slobode koji kombinira mikroelektroničke krugove (gornja desna slika) sa parom mikromehaničkih elemenata: akcelerometar (slika u sredini desno) i žiroskop (donja desna slika).

14 Integrirani MEMS 14/60 Uzorak kolekcijskih regiona za koncentriranje, mikrosepariranje kanala, senzorski niz za detekciju i i izlazni region su prikazani shematski za hemijsku analizu (micro-chemlab). Kemikalije se detektiraju mjerenjem odziva površinskog zvučnog vala na prisustvo kemikalija. Fotograf je polje mikrostrojno obrađenih đ 3-µm silicijskih ij listova u mikrokanalu i služi kao alat za povećanje elektrokinetički pogonjene separacije tečnosti.

15 MEMS zasloni (prikaz) 15/60 Iridigm Display -- imod element koristi interferenciju svjetlosti za formiranje boje na potpuno isti način kako se to događa u prirodi. Mikroskopske strukture prikazane na krilu leptira i perje pauna uzrokuju interferenciju svjetlosti sa samom sobom, uzrokujući prelijevanje j svjetlosti (boja), tako da vidimo boje na ovim stvorenjima. Ovaj princip se koristi i u PDA-ovima.

16 MEMS zasloni (prikaz) 16/60 imod element je jednostavan MEMS uređaj koji se sastoji od dvije vodljive ploče č (elektrode). Jedna ploča je tanka vrpca smještena na supstratu stakla, dok je druga metalna membrana odvojena od prve ploče zračnim rasporom manjim od d1 μm. imod element ima dva stabilna stanja. Kada nema napona, ploče su odvojene i svjetlost udara na supstrat i reflektira se. Kada se dovede (priključi) mali napon, ploče se istovremeno šire djelovanjem elektrostatičke privlačne sile. Na ovaj način se svjetlost apsorbira i element postaje crn.

17 MEMS zasloni (prikaz) 17/60 imod elementi su minijaturni, tipično mikrona po stranici (400-1,000 dpi). Stoga se mnogi imod elementi udružuju i zajedno formiraju piksele, ili dijelove piksela u boji zaslona. Boja imod elementa je određena sa razmakom (rasporom) između ploča. Najmanji razmak daje plavu boju, a najveći crvenu boju. Da bi se kreirao ravni ekran, veliko polje imod elemenata se mikrostrojno obrađuje đ u željenom formatu (npr. 5" full color VGA) i pakira. Na kraju se čipovi učvršćuju jedan za drugi i na taj način formira ekran (zaslon). MEMS komponente su omogućile gradnju ravnih ekrana.

18 11.2. Piezoelektrički materijali 18/60 Piezoelektricitet opisuje fenomen generiranja električkog naboja u materijalu kada se on podvrgne mehaničkom pritisku (direktni efekat) i obratno, generira mehanički pritisak kao odziv na primijenjeno električko polje (napon). Piezoelektrički efekat su otkrili Pierre i Jacques Curie 1880 godine. Oni su pokazali da se električki potencijal može generirati mehaničkim pritiskom na kvarc (ovo je poznato pod imenom piezo efekat). Kasnije je otkriven i inverzni piezo efekat, tj. da se dovođenjem napona na kristal mijenja njegov oblik. Prva komercijalna primjena inverznog piezo efekta je bila u sonarnim sistemima korištenim u prvom svjetskom ratu. Prodor u ovoj oblasti je načinjen 1940-tih godina kada su znanstvenici pronašli barium titan koji poprima piezoelektrička svojstva kada se izloži djelovanju električkog polja.

19 Piezoelektrički materijali Piezoelektrički materijali se koriste za pretvorbu električke u mehaničku energiju, i obratno. Vrste piezoelektričkih materijala prirodni i i sintetički tički kristali: kvarc, tourmaline, Rochelle salt (prirodni) 19/60 litijum sulfat, amonijum dihidrogen fosfat (sintetički) piezokeramički elementi Lead Zirconate Titanate (PZT) barium titanat, kadmium sulfat piezoelektrički polimer poliviniliden fluorid (PVDF)

20 Piezoelektrički materijali 20/60 Piezoelektrički materijali pripadaju klasi materijala poznatoj pod imenom feroelektrici. Piezoelektrički kristali prirodno iskazuju piezoelektrički efekat, bez bilo kakve obrade. Piezoelektrička keramika (PZT keramika) je najviše korištena vrsta materijala za primjene aktuatora. Prije polarizacije, PZT kristali imaju simetrične kubične jedinične ćelije. Na temperaturama nižim od Curie-jeve latična struktura se deformira i postaje nesimetrična. Jedinične ič ćelije pokazuju spontane polarizacije, ij tj. pojedinačni PZT kristali su piezoelektrički. Piezoelektrička keramika se mora polarizirati primjenom jakog električkog polja na materijal uz njegovo istovremeno zagrijavanje. Ovi kristali su izotropi prije obrade i nakon obrade iskazuju tetragonalnu simetriju /neizotropičnu strukturu) ispod Curie-jeve temperature.

21 Piezoelektrički materijali 21/60 Na mikroskopskoj razini materijala, oni su ionski spojevi, zbog čega iskazuju ponašanje električkog dipola. Grupe dipola sa paralelnom orijentacijom se nazivaju Weiss-ovim domenama. Weiss-ove domene se slučajno orijentiraju u sirovom (neobrađenom) đ )keramičkom materijalu, prije nego što se tretman polarizacije završi. Za ovu svrhu se primjenjuje j j električko polje (> 2000 V/mm) na zagrijanu piezo keramiku. Zbog feroelektričkih svojstava materijala, moguće je primijeniti permanentnu silu na različite domene korištenjem jakog električkog polja. Ovaj proces se naziva poling.

22 Piezoelektrički materijali 22/60 Neke PZT keramike se moraju polarizirati na većim temperaturama. Tada će materijal imati zaostalu polarizaciju (koja može biti degradirana premašivanjem mehaničkih, električkih i termalnih ograničenja materijala). Kada se primijeni ij i električko polje na polarizirane i piezoelektričke materijale, Weiss-ove domene povećavaju ć njihove dimenzije ij proporcionalno naponu. Rezultat je promjena dimenzija (ekspanzija, kontrakcija) k PZT materijala.

23 Piezoelektrički materijali 23/60 Nepolarizirani kristal Polarizirani kristal (1) Nepolarizirane slučajne Weiss-ove domene. (2) Proces polarizacije. (3) Nakon polarizacije, postoji zaostala polarizacija. Nakon polarizacije atomi cirkonat titanata su izvan centra. Molekule postaju produžene i polarizirane.

24 11.3. Piezoelektricitet Sila Sila 24/60 Pomak električkog naboja usljed deflekcije (skretanja) rešetke u piezoelektričkom kvarcnom kristalu. Veći krugovi predstavljaju atome silicija, dok manji predstavljaju oksigen. Kvarcni kristali su jedni od najstabilniji piezoelektričkih materijala.

25 Piezoelektričke konfiguracije 25/60 Crvena boja predstavlja kristal. Strelice prikazuju smjer djelovanja sile. Karakteristike sabijanja piezoelektričkog materijala odlikuju se visokom krutošću, što ih čini korisnim za implementaciju u visokofrekvencijskim senzorima tlaka i sile. Sabijajuća Savijajuća Ostrižajuća

26 Piezoelektričke konfiguracije - senzori Zelena boja - testna struktura. Crvena boja piezoelektrički kristali. Plava boja kućište senzora. 26/60 Crna elektroda se nalazi na mjestu gdje se naboj iz kristala akumulira prije nego je uvjetovan žutim, mikro krugom. Senzori tlaka iskorištavaju dijafragmu za zbrajanje j tlaka, koji predstavlja silu narinutu na površinu. Senzor sile Senzor tlaka Akcelometar

27 27/60 Piezoelektrički element Z Y E 3 t c X Pozitivan napon u z smjeru (smjer polarizacije) ij uzrokuje: ε x = d 31 V / t c (kontrakcija) ε y = d 31 V/t c (kontrakcija) Ostrižajuće naprezanje= 0 ε z = d 33 V / t c (proširenje) d 31 id 33 su piezoelektrički koeficijenti naprezanja, in/volt Potencijal (napon) u x i y smjerovima će rezultirati samo u ostrižajućim naprezanjima.

28 Piezo aktuator montiran na površinu 28/60 Osnovna struktura izotropnog materijala. Piezoelektrički element tc bc l c Duljina piezo aktuatora: μm, Visina piezoaktuatora: nm. V F F Maksimalno slobodno naprezanje piezo elementa: ε max = d 31 V/t c Maksimalna sila blokiranja (bez naprezanja): F max = d 31 E c b c V Piezo element duljina 2", širine 1/2" i debljine 12.5 mm će proizvesti maksimalnu napetost od 86 microstrains i blok silu od 5.6 lb. Za najveći broj aplikacija, naprezanje je premalo. εmax ε 0 Naprezanje Karakteristika sila-naprezanje F F max Sila

29 Konstitutivne relacije piezo aktuatora 29/ E 3 Konverzacijski efekt d = naprezanje u smjeru 1 ili 2 31 usljed djelovanja električkog polja E 3. ε 1 S 11 S 12 S σ d 31 α 1 ε 2 S 12 S 11 S σ d 31 α 2 ε 3 S 13 S 13 S σ d E 1 33 α 3 = γ S τ 23 0 d E 2 + ΔT 15 0 γ S 44 0 E 0 τ 31 d γ S 66 τ naprezanje mehanički dio piezo termalni

30 Konstitutivne relacije piezo aktuatora 30/60 Direktni i efekt Senzor D 1 D 2 D 3 σ 1 σ d σ e E 1 σ 3 = d σ 0 e τ 22 0 E 23 2 d 31 d 32 d σ 0 0 e E 3 τ a 1 + a 2 ΔT Pomak mehanički dio polje termalni naboja τ 12 a 3 Napomena: za piezo film d 31 d 32

31 11.4. Piezoelektrički koordinatni sistem 31/60 Zbog neizotropnih svojstava PZT keramike, piezoelektrički efekti ovise o smjeru polarizacije. Za identifikaciju smjera uvode se osi 1, 2 i 3 (odgovaraju osima X, Y i Z standardnog desnoorijentiranog koordinatnog sistema). Smjer polarizacije (os 3) se uspostavlja tokom procesa polarizacije sa primijenjenim jakim električkim poljem između dviju elektroda. Za linearne aktuatore (translator), piezo svojstva duž osi polarizacije su najvažnija (najveća deflekcija (skretanje)).

32 Piezoelektrički koordinatni sistem Ponašanje materijala je definirano konstantama g i d. Za piezoelektričke konstante g ij i d ij, prva vrijednost (i) u indeksu predstavlja os inicijalne polarizacije. Ovo je obično os sa kojom su elektrode (ploče)paralelne. Druga vrijednost (j) odnosi se na mehaničku os ili os narinutog opterećenja ili os naprezanja. 32/60 g 33 ili d 33 g 31 ili d 31

33 Piezoelektrički koeficijenti g ij (naponski koeficijenti) 33/60 Razvijeno polje [V/m] Razvijeno naprezanje [m/m] g = = Primije. pritisak [N/m2 ] Primijenjena gustoća naboja [C/m 2 ] g 33 = e 0 F t wl g 33 = Δt ε C 0 t Lw Q = Ce o ε = dielektrička konstanta materijala, K = relativna dielektrička konstanta, ε o = dielektrična konstanta slobodnog prostora. C = Kε o lw t ε = Kε o = ε lw t Važno je napomenuti da je lakše računati konstantu g iz polje/pritisak relacije. Zbog toga se g koristi za opažanje.

34 34/60 Piezoelektrički koeficijent d ij (koeficijenti naprezanja) d = Razvijeno naprezanje [m/m] Gustoća naboja [C/m 2 ] Primijenjeno polje [V/m] = Primijenjeni pritisak [N/m 2 ] d 33 = Δt e 0 t t Ce0 Lw Ce0 d 33 = = = F wl F Q F Q = Ce o C = ε Lw t Δ e o t = d33 t = d33 t e o Napomena: lakše je računati konstantu d iz naprezanje/polje p j relacije, tako da se d koristi za deflekciju.

35 Veza između g i d 35/60 Iz prethodne stranice slijedi: e o g = t = e olw 33 F Ft Lw ali C Lw ε = t e o C Q d 33 g 33 = = = Fε εf ε Za kvarc: ε = Za Barium Titanat: ε = d 33 = εg 33

36 36/ Statičko i dinamičko ponašanje piezo aktuatora pomak usljed djelovanja napona Napajanje generirano sa deformacijom kristala q = K q x i K q = konstanta, C/m x i = skretanje, cm dq dx i i cr = = K q dt dt i cr = i c + i R e o = i dt c = C ( i i )dt) cr C R

37 37/60 Pomak usljed djelovanja napona dinamički odziv Uzimajući u obzir prethodne jednadžbe dobiva se, nakon kratkih manipulacija, sljedeća jednadžba: τ de dt o + e o = Kτ dx dt i (ili u D notaciji) K e ( D ) = KτD x i τd +1 K q [ V / cm] - osjetljivost τ RC [s] C

38 Osjetljivost propusni opseg 38/60 Prethodno je naglašeno da povećanje propusnog opsega (frekvencijsko područje) aktuatora često zahtijeva smanjenje osjetljivosti. Promatrajmo aj o amplitudu frekvencijske e e karakteristike: a e e o ( ω ) = 1+ Kτω ( ωτ ) 2 gdje je τ = RC x 1 i φ = 90 tan ( ωτ ) Za povećanje propusnog opsega potrebno je povećati τ, što općenito znači da je potrebno smanjiti C. (Zašto ne povećati R?) Jer K K C q [V V / cm ] Povećanjem C smanjuje se K!!

39 Pomak usljed djelovanja napona odziv Odziv u stacionarnom stanju na skokoviti ulaz x i je nula. Računanje odziva: Za: ( τ D +1 ) eo = K τ Dx i x i = A, 0< t < T ( τd 1 ) e = 0 + o 39/60 e o t = 0 e o = K q q = K A q x i C t / τ = C1e C 1 = K q A C Za: T < t < novi I.C.

40 Statička/dinamička osjetljivost Budući da rad piezo aktuatora ovisi o primijenjenom naponu, odnosno promjeni tog napona, kapacitivnost samog piezo aktuatora je od fundamentalne važnost. Uzima se da je C ~ 10-9 F. (ovo je prilično velik kapacitet, ali ne toliko velik da bismo mogli ignorirati kapacitivnost ostalih komponenti sistema). Unutarnja otpornost piezo aktuatora je veoma visoka (R ~ Ω). Zbog toga je otpornost drugih komponenti sistema (kablovi, pojačala, mjerni uređaji, itd.) od fundamentalne važnosti. 40/60

41 Primjer: Statička/dinamička osjetljivost Piezoelektrički pretvornik ima kapacitet 1,000 pf i K q od 10-5 C/in. Kabel koji povezuje pretvornik ima kapacitivnost od 300 pf, dok osciloskop ima ulaznu impedanciju sastavljenu od paralelnog spoja radnog otpor 1 MΩ i kapaciteta 50 pf. 41/60 a. Kolika je osjetljivost (V/in) samog pretvornika? b. Kolika je visokofrekvencijska osjetljivost ukupnog sistema? c. Kolika je najmanja frekvencija koja se može izmjeriti sa 5 % pogreške amplitude? d. Kolika mora biti vrijednost paralelno vezanog C-a da bi se proširilo područje od 5 % pogreške 10 Hz? e. Ako se koristi C dobiven u tački d) kolika će biti visokofrekvencijska osjetljivost sistema?

42 11.6. Tipovi piezo aktuatora 42/60 Uzdužna ploča Poprečna ploča Slog (Stack) aktuator Bimorfni aktuator (zakrivljeni) Bimorfni aktuator (prošireni)

43 Tipovi piezo aktuatora 43/60 Longitudinalni i transferzalni wafer-i (oblatne): Kada električko polje ima isti polaritet i orijentaciju kao originalno polje polarizacije postavljeno uzduž pojedinačne ploče piezokeramike, tada se piezokeramika širi u longitudalnom smjeru (tj. duž osi polarizacije) i skuplja se u transferzalnom smjeru (okomito na os polarizacije). Kada se promijeni smjer djelovanja polja tada se događa suprotni efekat. Unimorfni: predstavlja jednoslojni piezoelektrički element postavljen na podlogu. Mogu se proizvesti da se izdužuju, iskrivljuju i j ili uvijaju j ovisno o polarizaciji, obliku elektrode i konfiguraciji ožičenja slojeva. Podmetač laminiran između dva piezo sloja povećava mehaničku snagu i čvrstoću i pojačava iskrivljenje. i j Bimorfni: dvoslojni elementi koji se mogu izdužiti, iskriviti ili uvijati ovisno o polarizaciji i konfiguraciji ožičenja slojeva. Centar lameliranog podmetača između dva piezo sloja povećava mehaničku snagu (silu) i čvrstoću, ali reduciraju kretanje. Slogg aktuatori: formiraju se od velikog broja piezo slojeva (wafer-a) kombiniranih u monolitnu strukturu. Sičušni pomaci svakog pojedinačnog sloja sudjeluju u ukupnom pomaku.

44 44/60 Tipovi piezo aktuatora Piezo aktuator kao mikro zvučnik Bimorfna struktura Piezoelektrik Metal

45 Tipovi piezo aktuatora Višeslojni piezoelektrički aktuator 45/60 Nekoliko slojeva piezoelektričkog materijala se nanosi na podlogu. Svaki sloj doprinosi minimalnim pomjeranju. Ukupni pomak predstavlja algebarsku sumu pojedinačnih pomaka, pa zbog toga oni trebaju biti u fazi. Standardno se primijenjuju naponi od 10 do 50 V. Ovaj aktuator karakterizira histereza.

46 46/60 Tipovi piezo aktuatora Piezoelektrički nanopozicioner Piezo filmovi na MEMS uređajima omogućuju nanometarsko pozicioniranje. Primjer: AFM/STM uređaj

47 47/60 Tipovi piezo aktuatora Mikro aktuator za makro sisteme Jake sile omogućuje piezoelektričkim mikro aktuatorima da se Jake sile omogućuje piezoelektričkim mikro aktuatorima da se koriste za pogonjenje makro objekata (npr. avion).

48 48/ Parametri piezo aktuatrora PZT (lead zirconate titanate) postaje dulji ili kraći kada se primijeni napon V. Slog (niz) PZT keramičkih diskova sa integralnim elektrodama. Tipično 150 Volti, Δx ~ 10 mikrona % histereza.

49 Statičko ponašanje PZT 5H Naprezanje [μstrain] Predviđanje sa d d 31 49/60 Testovi statičkog naprezanja Uzorci ravnomjerno primijenjeni. Mjerač se resetira nakon svakog očitanja. Prosječno se koristi 10 uzoraka Experiment Uzbudno polje [kv/cm] Naprezanje je linearno za male iznose polja i nelinearno pri velikim iznosima polja. Pozitivni i negativni dijelovi su nesimetrični. DC polje ugađanja ~ 5.5 kv/cm

50 Tenzorsko naprezanje (Tensile Stress) 50/60 Naprezanje [μstrain] povećanje naprezanja Prosječno 10% povećanje slobodnog tenzorskog naprezanja od 2500 psi usljed djelovanja uzbudnog polja iznosa 4 kv/cm. Krivulja ugađanja: Uzbudno polje [kv/cm] ε = a + be + ce gdje su : 2 + b = x10 de a = x10-4 d = x P c = x P P P E ukv/cm, P upsi, ε u μstrain.

51 Drift 51/60 Naprezanje [μstrain] povećanje polja Polje uključeno Vrijeme [sec] Polje isključeno Sporo povećanje slobodnog naprezanja za konstantnu vrijednost DC polja (približno logaritamski sa vremenom). 5-10% povećanje naprezanja. Drift je neovisan o uzbudnom polju.

52 AC histereza naprezanja 52/ Efekat povećanja polja, 5Hz Porast polja Efekat povećanja frekvencije Povećanje frekvencije Naprezanje [μstrain] 0 DC slobodno naprezanje Naprezanje [μstrain] Uzbudno polje [kv/cm] Uzbudno polje [kv/cm] Srednji nagib se povećava sa porastom uzbudnog polja. j g p p g p j Frekvencijski efekat je mali.

53 Ponašanje usljed ponovnog ugađanja 6 53/60 5 Polje [kv/cm] Krivulja ugađanja Eksperiment Frekvencija [Hz] Polje ponovnog ugađanja se smanjuje sa porastom frekvencije. Ova promjena je dana sa: E dep = f f gdje je polje E izraženo u kv/cm.

54 Efikasnost ponovnog ugađanja 54/ Original Naprezanje [μstrain] 0 0 Ponovno ugađanje na 5.9 kv/cm Ponovno ugađanje na 7.1 kv/cm Aktuatori se mogu ugađati sa poljem koje je manje od polja polarizacije kristala. Polje može biti AC ili DC Uzbudno (pobudno) polje [kv/cm]

55 Usporedba mikroaktuatora Aktuatori Aktuacijski mehanizam Slobodno naprezanje μ strain PZT- 5H PVDF PMN Terferno l DZ Piezofil m Magneto striktivni Nitinol Shape Memory Alloy MSMA Magnetic Shape Memory Alloy /60 Određuje krutost, alternativna jedinica je N/μm. Modulus E i psi ε max za t b = 10 t c (aluminijum) Piezokeramika Elektrostriktivni Propusni Visok Visok Visok Srednji Nizak Srednji opseg Naprezanje-Linearan Linearan Neline- Neline- Nelinearan Nelinearan napon (prvog (prvog linearnost reda) reda) aran aran

56 11.8. Karakteristike piezo aktuatora 56/60 Piezo aktuatori mogu obaviti nanometarske kretnje na visokim frekvencijama jer svoje kretanje izvode iz solid-state state crystaline efekata. Oni nemaju rotirajućih ili kliznih dijelova koji bi mogli prouzročiti trenje. Piezo aktuatori mogu pomjerati velike terete, čak i do nekoliko tona. Piezo aktuatori predstavljaju kapacitivne terete i ne disipiraju energiju u statičkim operacijama. Piezo aktuatori ne zahtijevaju održavanje i nisu predmet habanja (trošenja), budući da nemaju pokretnih dijelova u klasičnom smislu riječi. Radni naponi: do 100 V za niskonaponske aktuatore (keramički slojevi od 20 do 100 mikrona) i do 1000 V za visokonaponske aktuatore (keramički slojevi od 0.5 do 1 mm).

57 11.9. Primjena piezoelektričkih materijala Primjene: pretvorba mehaničke u električku energiju senzori sile, pritiska i akceleracije, pametni (smart) senzori za dijagnostiku, visokonaponski-niskostrujni generatori: mali strojevi, paljenje varnicom za plinske uređaje,... senzori ugaone brzine, senzori stabilizirajućih platformi,... pretvorba električke u mehaničku energiju: ultrazvučni motori, mali vibracijski ij mikseri i (shakers), mikroaktuatori (High Precision Macro actuators), krug sonarnih senzora za izbjegavanje prepreka, pumpe za Inkjet printere,... 57/60

58 Primjeri upotrebe piezoelektričkih aktuatora 58/60 Ultrazvučna sonda piezoelektrički efekat.

59 Primjeri upotrebe piezoelektričkih aktuatora 59/60 Mikrokirurški aktuatori kao dijelovi mikrokirurških instrumenata.

60 Primjeri upotrebe piezoelektričkih aktuatora 60/60 Piezoelektrički aktuatori u teleoperacijskim i telehirurgijskim sistemima.