(TIỂU LUẬN) báo cáo LITERATURE REVIEW CASE STUDY đề tài piezoelectric actuator

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)

Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi hai anh em nhà khoa học người Pháp, Jacques và Pierre Curie Họ nhận thấy rằng khi áp lực được tác động lên thạch anh hoặc một số tinh thể nhất định, điện tích sẽ được sinh ra trong vật liệu Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện, trong đó các chất áp điện tạo ra điện tích khi chịu tác động của ứng suất cơ học, được biết đến như hiệu ứng áp điện thuận.

Hình 1 Hiệu ứng áp áp xảy ra thông qua việc nén một vật liệu áp điện

Khi có tác dụng của điện trường, vật chất sẽ trải qua một dạng biến dạng cơ học, như co lại hoặc kéo căng, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện ngược hay hiệu ứng áp điện đảo.

Hình 2 Hiệu ứng áp áp đảo ngược

Hiệu ứng áp điện xảy ra do sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể khi bị nén, dẫn đến phân cực điện trong các ô đơn vị Sự tích tụ của hiệu ứng này tạo ra chênh lệch điện thế giữa các mặt của tinh thể Khi một điện trường bên ngoài tác động, các ion dịch chuyển và gây ra biến dạng cơ học cho toàn bộ tinh thể Hiện tượng áp điện thuận được phát hiện đầu tiên trong các tinh thể tự nhiên như thạch anh, và sau đó được tìm thấy ở gốm sứ và gần đây là polyme.

Hiện nay, hiện tượng áp điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, phục vụ cho cuộc sống hàng ngày, bao gồm máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, và điều khiển góc quay của gương phản xạ tia laser Ngoài ra, công nghệ này còn được áp dụng cho các thiết bị và động cơ nhỏ, cùng với nhiều chương trình nghiên cứu mới như máy bay mô phỏng côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, và các cấu trúc thông minh Đặc biệt, động cơ piezo là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hiện tượng áp điện trong kỹ thuật hiện đại.

Phân tích một số ứng dụng của hiệu ứng áp điện:

Hiệu ứng áp điện nghịch cho phép tạo ra sự dịch chuyển nhỏ khi áp dụng điện trường lên vật liệu áp điện, đáp ứng nhu cầu kỹ thuật chính xác cho các bộ truyền động điều chỉnh vị trí như thiết bị định vị vi mô, bộ giảm chấn và động cơ siêu âm Những thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong quang học, thiên văn học, kiểm soát chất lỏng và máy móc chính xác Điện áp cao từ các biến áp điện, như trong bật lửa thuốc lá điện, cho phép tạo ra dòng điện qua khe hở tia lửa, làm nóng và đốt cháy khí Hệ thống phun piezo được tích hợp trong nhiều loại đầu đốt và dãy gas, cho thấy sự quan trọng của công nghệ áp điện trong các ứng dụng này.

Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi kích thước vật lý thành lực, tác động lên hai mặt đối lập của phần tử cảm biến Ứng dụng phổ biến nhất của nó là phát hiện biến đổi áp suất dưới dạng âm thanh, thường thấy trong micro áp điện và bộ thu áp điện cho guitar khuếch đại điện Ngoài ra, cảm biến áp điện còn được sử dụng cho âm thanh tần số cao trong các đầu dò siêu âm, phục vụ cho hình ảnh y tế và kiểm tra không phá hủy.

Hình 3 (a) ứng dụng vào bật lửa (b) ứng dụng cảm biến để đo âm thanh, lực,

Trích nguồn: wikipedia; application of Piezoelectric Effect.

Bộ kích hoạt áp điện

Bộ kích hoạt áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện ngược, cho phép tạo ra sự dịch chuyển khi đặt điện áp lên nó và sinh ra điện áp khi có rung động Đây là một bộ kích hoạt vi dịch chuyển hoàn hảo, điều khiển được bằng điện trường, với tốc độ đáp ứng cao, kích thước và khối lượng nhỏ, cùng với việc sinh ra nhiệt lượng ít Hiệu suất vượt trội của bộ kích hoạt áp điện mở ra tiềm năng lớn trong lĩnh vực điều khiển tích cực.

So với các bộ kích hoạt truyền thống, bộ kích hoạt áp điện có các ưu điểm:

Hiệu ứng áp điện cho phép chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học mà không tiêu tốn điện năng trong quá trình hoạt động Thiết bị có khả năng hoạt động tĩnh, duy trì hiệu suất ngay cả khi chịu tải nặng.

Bộ kích hoạt áp điện mang lại thời gian phản hồi nhanh nhất hiện nay, chỉ trong cỡ micro giây Nó có khả năng tạo ra gia tốc tương đương gấp 10 lần gia tốc trọng trường.

Bộ kích hoạt áp điện không bị hao mòn do không sử dụng bánh răng hay trục quay, mà hoạt động dựa trên động lực học ở trạng thái rắn Các nghiên cứu cho thấy hiệu suất của bộ kích hoạt này vẫn ổn định sau hàng tỷ chu kỳ kiểm tra độ bền.

Bộ kích hoạt áp điện có đặc điểm định hướng lưỡng cực và hoạt động dựa trên nguyên lý trường điện từ Nó sở hữu mật độ năng lượng lên đến 10^6 J/m³ và tần số dao động khoảng 100 kHz Các chế độ hoạt động của bộ kích hoạt này phụ thuộc vào hướng của điện trường và khả năng biến dạng từ 0.12% đến 0.15%.

Vật liệu áp điện

Piezoelectric Single Crystals (Đơn tinh thể áp điện)

Trong 20 năm qua, các đơn tinh thể sắt giãn áp điện như PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT và KNN đã được nghiên cứu một cách chuyên sâu.

PMN-PT (Chì Magie Niobate-Chì Titanate) nổi bật với hằng số áp điện d33 lớn, trong khi PMN-PT phân cực cho thấy hệ số chế độ cắt cao Nghiên cứu của Park và cộng sự chỉ ra rằng hằng số áp điện d33 của đơn tinh thể 0,67PMN-0,33PT đạt 2200 pC/N, cùng với giá trị k33 là 0,93 Hệ PZN-PT (Chì Kẽm Niobate-Chì Titanate) cũng là một loại đơn tinh thể áp điện được nghiên cứu nhiều, nhưng việc sản xuất PZN-PT đơn tinh thể kích thước lớn gặp khó khăn do tính ổn định kém ở nhiệt độ cao và khả năng phân hủy từ perovskite sang pha pyrochlore Gần đây, Li và cộng sự đã đạt được hệ số áp điện siêu cao d33 từ 3400 đến 4100 pC/N với đơn tinh thể PMN-PT pha tạp.

Sm, nhưng các giá trị T c và T rt tương ứng chỉ là 65 và 60 ° C, giới hạn nhiệt độ phục vụ cao hơn của nó.

Ngoài đơn tinh thể sắt giãn áp điện, một số đơn tinh thể áp điện khác như (K, Na) NbO3 (KNN), LiNbO3 và thạch anh cũng được sử dụng nhờ vào tính chất độc đáo của chúng Gốm KNN có tiềm năng thay thế các vật liệu dựa trên PZT, mặc dù tính chất áp điện của nó kém hơn Zheng và cộng sự đã phát triển thành công tinh thể đơn áp điện KNNT với kích thước lớn 12 × 11 × 11 mm³, đạt được hệ số ghép cơ điện lớn k33 = 0,827, kt = 0,646 và tanδ = 0,004.

Piezoelectric Ceramics (Gốm áp điện)

 Gốm áp điện mềm (Soft Ceramics)

Gốm áp điện mềm có các hệ số d33, kp và Sij cao, nhưng giá trị Qm lại thấp, cho thấy tiềm năng lớn trong lĩnh vực truyền động không tương tác Một số loại gốm mềm phổ biến bao gồm PZT 5A (gốm thương mại), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 (PZN-PZT), Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 (PNN-PZT), gốm không pha chì (Na1/2K1/2)NbO3 (KNN), BaTiO3 (BT) và (Na1/2Bi1/2)TiO3 (NBT).

Gốm PMN-PT đã được nghiên cứu rộng rãi bởi tính chất đáng chú ý của chúng.

Nhiều phương pháp đã được áp dụng để cải thiện tính chất của gốm PMN-PT, như việc pha trộn thêm các nguyên tố D.Wang đã nghiên cứu việc thêm Pb(Ni 1/3 Nb 2/3 )O 3 vào gốm PMN-PT và xác định được hình thái biên pha với các đặc tính tối ưu ở nhiệt độ T c = 245 o C, d 33 = 450 pC/N và k p = 49% Gần đây, H Li đã tổng hợp gốm PMT-PT với hệ số áp điện cao d 33 = 1500 pC/N nhưng ở nhiệt độ thấp (89 o C).

PZN-PZT và PNN-PZT đang được nghiên cứu sâu rộng, với sự khuếch tán nhiệt pha của PZN khoảng 140 o C Thành phần tối ưu của PZN là 0.5PZN-0.5Pb(Zr 0.47 Ti 0.53 )O 3, đạt được d 33 = 430 pC/N, k p = 0.67, P r = 27 àC/cm 2 và T c ≈ 250 o C Các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để cải thiện các hệ số này.

Li và các cộng sự đã tìm ra được ranh giới pha nằm trong khoảng lân cận của x = 0.3, d 33

Gốm PZN-PZT đã được nâng cao hiệu quả thông qua quá trình nghiền bi động năng cao, đạt được các hạt gốm mịn với d33 = 380 pC/N và kp = 0.49 Các tạp chất như LiCO3 và Sm2O3 được sử dụng để cải thiện tính chất kết tinh ở nhiệt độ thấp, trong khi La2O3 giúp tăng độ phân cực và PNN nâng cao d33 Nghiên cứu của J Du về gốm 0.5PNN-0.135PZ-0.315PT cho thấy tính chất điện tốt với d33 = 1070 pC/N, kp = 0.69 và ɛr = 8710 Đặc điểm nổi bật của PNN-PZT xuất phát từ cấu trúc hình thoi, tứ diện và lập phương, dẫn đến hằng số điện môi cao Việc tối ưu hóa các thuộc tính của gốm PNN-PZT đã được thực hiện thông qua việc thêm vào các thành phần như Fe2O3, Sm2O3, Lu2O3, Pb(In1/2Nb1/2)O3, Pb(Mg1/2W1/2)O3, Pb(Sb1/2Nb1/2)O3 và Pb(Fe2/3W1/3)O3.

Gốm áp điện không pha chì đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và khả năng cạnh tranh với gốm áp điện có chì Trong số các loại gốm này, KNN và BNT nổi bật với những thành tựu ấn tượng Y Saito đã công bố gốm KNN với hệ số áp điện d33 đạt 416 pC/N, trong khi vào năm 2019, một nghiên cứu khác cho thấy hệ số d33 lên đến 650 pC/N Đặc biệt, H Li đã chế tạo thành công gốm công nghệ cao với d33 đạt 700 pC/N, khẳng định tiềm năng vượt trội của gốm áp điện không chì.

Gốm KNN đạt hiệu suất lên tới 76%, tuy nhiên, thách thức lớn là làm thế nào để hình thành cấu trúc mong muốn do hiện tượng bay hơi trong quá trình kết tinh Đồng thời, gốm BNT cũng gặp khó khăn vì tính chất không dễ bị phân cực của nó.

Gốm cứng có đặc điểm là Q m cao (yếu tố cơ học) và tổn hao thấp về cả cơ và điện.

Gốm cứng có nhiều ứng dụng trong máy biến áp áp điện, động cơ áp điện và cảm biến siêu âm Khi áp dụng điện áp xoay chiều cao, gốm cứng giúp hạn chế tổn thất năng lượng điện thành năng lượng nhiệt nhờ vào các đặc tính cơ điện của nó.

Pb(Mn 1/3 Sb 2/3 )O 3 -PZT (PMS-PZT) và Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PZT (PMnN-PZT) là hai loại gốm áp điện cứng phổ biến, với các đặc tính nổi bật như Q m > 1000 và tanδ < 1% PMS-PZT có các thông số tối ưu d 33 = 374 pC/N, k p = 0.6, Q m = 1250, tanδ = 0.41% Các thành phần như Pb(Mg 1/3 Ta 2/3 )O 3 và Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 - Pb(Sn 1/3 Nb 2/3 )O 3 đã được thêm vào PMS-PZT, nâng cao Q m lên 1500 PMnN-PZT, được nghiên cứu bởi H.Chen, cho kết quả d 33 = 307 pC/N, k p = 0.55, Q m = 2379 X Gao đã cải thiện tính chất của gốm bằng cách thêm CuO, giảm nhiệt độ nóng chảy và đạt được k p = 0.47, Q m = 1300, tanδ = 0.4% cùng với nhiệt độ kết tinh thấp hơn 930 o C.

 Gốm nhiệt độ cao (High Template Ceramics)

Một số cơ cấu truyền động hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ cao, chẳng hạn như lò phản ứng hạt nhân Các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu để phát triển loại gốm áp điện có khả năng chịu nhiệt độ cao, nhằm ứng dụng trong các cơ cấu truyền động áp điện và động cơ.

Năm 2001, R.E.Eitel đã nghiên cứu một loại gốm mới mang tên Bi(Me)O 3 -PbTiO 3, với ranh giới pha có nhiệt độ Curie (T c) đạt 450 o C Đặc biệt, BiScO 3 -BiGaO 3 -PbTiO 3 là một đơn tinh thể có tổn thất điện môi chỉ 0.3% khi thử nghiệm ở tần số dao động 1kHz.

Piezoelectric Polymers (Polyme áp điện)

 Đặc điểm của polyme áp điện

Polyme có những đặc tính nổi bật so với các chất vô tổ chức, cho phép chúng lấp đầy các khu vực ngách mà tinh thể đơn và gốm không thể hoạt động hiệu quả Mặc dù hằng số biến dạng áp điện (d31) của polyme thấp hơn so với gốm, nhưng hằng số ứng suất áp điện (g31) của chúng cao hơn nhiều, cho thấy polyme là cảm biến tốt hơn Các cảm biến và thiết bị truyền động cao phân tử áp điện mang lại lợi thế về tính linh hoạt, nhờ vào trọng lượng nhẹ, độ dẻo dai, khả năng sản xuất lớn và dễ dàng tạo hình phức tạp Hơn nữa, polyme cũng thể hiện độ bền cao và khả năng chống va đập tốt.

Các polyme nổi bật với hằng số điện môi thấp, độ cứng đàn hồi thấp và mật độ nhẹ, mang lại độ nhạy điện áp cao, trở kháng cơ học và âm học thấp, rất quan trọng cho các ứng dụng y tế và dưới nước Chúng cũng có độ đánh thủng điện môi cao và khả năng chịu đựng cường độ trường hoạt động lớn hơn so với gốm sứ Hơn nữa, polyme cho phép tạo hình các điện cực trên bề mặt phim và chỉ định các vùng cực cụ thể Nhờ những đặc tính này, polyme áp điện có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực kỹ thuật và cấu hình thiết bị.

Bảng 1: So sánh đặc tính đối với vật liệu polyme áp điện và vật liệu gốm tiêu chuẩn d 31 a g 31 a k 31 Tính năng nổi bật (pm/V) (mV-m/N)

Polyvinylideneflouride 28 240 0.12 linh hoạt, nhẹ, âm

Lead Zirconium Titanate 175 11 0.34 giòn, nặng, độc hại. (PZT)

 Cấu trúc của polyme áp điện

Bài viết này giải thích cơ chế áp điện của cả polyme bán tinh thể và vô định hình Mặc dù có sự khác biệt về độ ổn định phân cực, bốn yếu tố quan trọng đều tồn tại cho tất cả các polyme áp điện, bất kể hình thái của chúng.

Như được tóm tắt bởi Broadhurst và Davis (3) các yếu tố thiết yếu này là:

Sự hiện diện của các lưỡng cực phân tử vĩnh viễn.

Khả năng định hướng hoặc sắp xếp các lưỡng cực phân tử

Khả năng duy trì sự liên kết lưỡng cực này một khi đạt được.

Khả năng của vật liệu chịu biến dạng lớn khi ứng suất cơ học.

Nguyên lý hoạt động của gốm áp điện

Gốm áp điện có độ dày e chịu tác động của điện trường (E = V/e, với V là hiệu điện thế từ nguồn điện) Trong trường hợp phân cực nghịch, gốm sẽ biến dạng do hiệu ứng này, và biểu thức biến dạng phụ thuộc vào điện trường E (đo bằng V/m).

Trong đó S là độ biến dạng sinh ra bởi hiệu ứng áp điện và d (m/V) là hằng số biến dạng áp điện.

Mẫu không chỉ trải qua một loại biến dạng mà còn chịu tác động từ nhiều lực cơ học khác nhau Do đó, cần xem xét các biến dạng này một cách tổng thể Biểu thức tổng quát cho tổng biến dạng mà mẫu trải qua là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về hành vi của nó dưới các tác động khác nhau.

S = d.E + s.T, trong đó s (m²/N) đại diện cho tuân thủ đàn hồi, là nghịch đảo của module Young của gốm, và T (N/m²) là ứng suất do ngoại lực tác động lên mẫu Sự dịch chuyển điện tích cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Một đặc tính quan trọng của vật liệu áp điện là chúng thuộc loại chất điện môi, dẫn đến sự dịch chuyển của điện tích, được gọi là mật độ điện tích D (C/m²), khi tiếp xúc với điện trường Do đó, đối với mẫu đã thảo luận, ta có thể diễn đạt sự dịch chuyển điện trong mẫu bằng một biểu thức cụ thể.

Với (F/m) là môi trường điện môi của vật liệu ceramic trong trường hợp này, lưu ý rằng giá trị sau có thứ tự từ 10 -9 đến 10 -12 F/m đối với chất điện môi.

Mẫu gốm áp điện sẽ chịu tác động từ bên ngoài, dẫn đến sự dịch chuyển điện nhờ hiệu ứng áp điện trực tiếp Hiện tượng này tỷ lệ với ứng suất tác động T.

D = d.T trong đó d tính bằng đơn vị C/N, tương đương với (định nghĩa của cường độ điện trường) V/m 4

Vì vậy ta tìm thấy biểu thức cho tổng dịch chuyển điện trong một vật liệu áp điện là:

Chúng ta có thể viết dưới dạng ma trận:

Xét 2 trường hợp đặc biệt của hệ thống:

+ Trường hợp ngắn mạch: Điện trường tác dụng lên vật liệu bằng 0, khi đó S=sT

D=dT + Trường hợp hở mạch: Độ dịch chuyển điện tích bằng 0, khi đó:

Do đó, thấy được sự khác biệt giữa tuân thủ đàn hồi trong ngắn mạch, ở đây viết là sE và khi mạch hở sẽ viết là sD:

(1.12) Cuối cùng, ta thu được biểu thức chung

PHÂN LOẠI, ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN

Theo một nghiên cứu năm 2018 (KK Sappati, S Bhadra, 2018) các vật liệu áp điện thường được nhóm thành các loại:

- Tinh thể đơn : Quartz, LiNbO3, Lithium Tantalate (LiTaO3)

- Vật liệu tinh thể đa: BaTiO3, PbTiO3, Lead Zirconate(PbZrO3),

- Relaxator Ferro electrics: Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN-PT), Lead Zirconium-Niobate-Lead Titanate (PZN-PT)

- Polymers: PVDF, Poly (vinylidene diflouride- trifluoro ethylene) P(VDF-TrFE), Polymer-Ceramic composites.

Các vật liệu piezo ceramic và piezo polime là những dạng vật liệu được nghiên cứu phổ biến nhất hiện nay Theo KK Sappati và S Bhadra (2018), vật liệu Piezoelectric Paper đang nổi lên như một xu hướng nghiên cứu mới Giấy hybrid được xem là một giải pháp thay thế hiệu quả cho chất nền polyme áp điện, với chi phí thấp hơn và thân thiện với môi trường Đặc điểm nổi bật của giấy hybrid là sự kết hợp giữa vật liệu áp điện có cấu trúc nano (gốm) và sợi cellulose gỗ trong quá trình sản xuất giấy.

The most commonly used types of piezoelectric actuators in popular materials such as ceramics and polymers include multilayer (stack) actuators, bimorph (bender) actuators, stick-slip actuators, tube actuators, and bulk actuators.

Multilayer (stack) actuators

Bộ kích hoạt ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được ngăn cách bởi các lớp cách điện, với phần đầu và cuối của mỗi lớp được đặt cùng một điện áp Các phần tử áp điện trong thiết bị truyền động có phân cực xoay chiều và điện trường được đặt song song với hướng phân cực Khi điện áp được áp dụng, biến dạng hoặc dịch chuyển được tạo ra theo hướng phân cực, và chuyển động của một phần tử áp điện tỷ lệ với điện áp đặt nhân với hệ số áp điện Tổng chuyển động của cả ngăn xếp áp điện là tổng dịch chuyển của các phần tử trong ngăn xếp.

Hình 4 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp

Các điện cực bên trong có cùng cực được kết nối với các điện cực bên ngoài, nằm trên bề mặt thiết bị truyền động Giữa các mặt của vật liệu áp điện, các điện cực bên trong được cách điện với các điện cực bên ngoài antipode nhờ một lớp thủy tinh mỏng.

Bộ kích hoạt áp điện trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học thông qua hiệu ứng áp điện, không có bộ phận chuyển động nên không tạo ra ma sát hay mài mòn Độ phân giải của chúng chỉ bị giới hạn bởi các thành phần bên ngoài Chúng có khả năng phản hồi nhanh và tốc độ tăng tốc cao, đồng thời hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt như chân không, điều kiện đông lạnh và từ trường Điều này làm cho bộ kích hoạt áp điện rất phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng, hàng không vũ trụ, ô tô và bán dẫn.

2001) và nhóm của họ đã đề xuất một cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp.

Hình 5 Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp

Cũng trong (H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood, 2001) Zhou đã mô tả động cơ truyền động bằng quán tính dựa trên các ứng dụng của bộ kích hoạt ngăn xếp.

Hình 6 Động cơ truyền động bằng quán tính

Cấu trúc áp điện ngăn xếp đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động của các cơ cấu vi kẹp với độ chính xác cao Ứng dụng này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống tự động hóa.

Nhóm nghiên cứu của X Yu (2020) đã phát triển một cơ cấu kẹp dựa trên chuyển động của cấu trúc áp điện, với tốc độ kẹp có thể vượt quá 350 mm/s, tùy thuộc vào điện áp cung cấp cho vật liệu (Z Li, L Zhao, X Yu, 2020) Tương tự, một mô hình tay kẹp khác cũng được thiết kế bởi nhóm của Das (TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, 2020), áp dụng phương pháp tương tự trong thiết kế cơ cấu kẹp.

Hình 7 Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trái) và Das (bên phải)

Bimorph (bender) actuators

Thuật ngữ bimorph thường được liên kết với các bimorphs áp điện, nơi một lớp co lại và lớp kia mở rộng khi có điện áp, dẫn đến sự uốn cong của hai lớp Trong các ứng dụng cảm biến, sự uốn cong này tạo ra điện áp, cho phép đo độ dịch chuyển hoặc gia tốc Ngoài ra, chế độ này còn có thể được áp dụng để thu năng lượng.

Vật liệu áp điện thường xuất hiện dưới dạng lớp kép, trong đó hướng phân cực của hai lớp giống nhau Khi điện áp được áp dụng, cực của lớp trên sẽ có điện áp ngược với lớp dưới.

Nghiên cứu của QM Wang và các cộng sự (1999) cho thấy có thể thay thế một lớp áp điện trong cấu trúc bimorph và unimorph bằng vật liệu khác, mở rộng ứng dụng cho các thiết bị như cảm biến âm thanh, loa, rơle, micropumps và micropositioners Họ đã chỉ ra rằng hằng số điện môi của các cấu trúc bimorph, unimorph và ba lớp uốn thấp hơn so với vật liệu áp điện do tác dụng kẹp giữa các thành phần Đặc biệt, hằng số điện môi của uốn cong một lớp và ba lớp thay đổi theo tỷ lệ độ dày của lớp đàn hồi và áp điện, với hằng số điện môi lớn nhất ở các tỷ lệ độ dày nhất định cho uốn cong ba lớp, trong khi uốn cong đơn nguyên cho thấy hằng số điện môi giảm theo tỷ lệ độ dày Sử dụng một lớp đàn hồi cứng hơn cũng dẫn đến hằng số điện môi thấp hơn trong cả hai cấu trúc uốn cong.

Figure 9 illustrates the structures of bimorph, unimorph, and triple layer benders, showcasing (a) a bimorph bender in a series connection, (b) a bimorph bender in a parallel connection, (c) a triple layer bender, (d) a unimorph bender, and (e) a rainbow device (QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, 1999).

Trong năm nay, Zhang và nhóm nghiên cứu của ông đã phát triển một động cơ quay quán tính hai bậc tự do, sử dụng bộ kích hoạt áp điện hai chiều (PEA) Các tấm áp điện được xếp chồng hai lớp với hai bộ áp điện kích hoạt trái hướng, giúp chân đỡ khối cầu di chuyển theo trục x Tương tự, trục y cũng được trang bị một bộ áp điện, cho phép cơ cấu di chuyển theo hai hướng vuông góc nhờ vào chuyển động của khối cầu Hình 12 minh họa quá trình chuyển động của chân đỡ khối cầu qua các tấm áp điện.

Hình 10 Động cơ quay quán tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo (S

Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, 2021)

Hình 11 Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ của Zhang (S Zhang, Y Liu, J Deng, X

Stick-slip actuators

Tổng quan về Stick-Slip actuators

Trong các hệ trượt macro, dính-trượt thường được xem là yếu tố gây nhiễu, dẫn đến việc phát triển nhiều mô hình và phương pháp phân tích để ổn định hệ động lực học với ma sát Tuy nhiên, trong các hệ micro, hiện tượng dính-trượt có thể được tận dụng như một nguyên lý kích hoạt, gọi là chuyển động dính-trượt Bằng cách điều khiển độ lớn và phương chiều của các lực tác động lên phần tử chấp hành (PTCH), chúng ta có thể đạt được chuyển động dính-trượt lặp đi lặp lại theo hướng định sẵn.

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt (Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier,

Sơ đồ mô tả PTKH làm từ vật liệu áp điện, kết nối với nửa cầu tạo điểm tiếp xúc với PTCH Tín hiệu điện kích hoạt chuyển động dính-trượt có dạng răng cưa với hai pha: pha tăng chậm và pha giảm nhanh Khi tín hiệu điện tác động vào PTKH, các điểm tiếp xúc di chuyển theo dạng tín hiệu này, dẫn đến hai trạng thái trong một chu kỳ: dãn chậm và co lại nhanh Pha tăng chậm thể hiện khi PTCH di chuyển cùng PTKH, với lực quán tính nhỏ hơn lực ma sát tĩnh, dẫn đến độ dịch chuyển đồng nhất Pha này được gọi là pha dính Ngược lại, trong pha giảm nhanh, PTKH co lại nhanh, lực quán tính của PTCH vượt qua lực ma sát tĩnh, tạo ra một khoảng dịch chuyển gọi là bước lùi (back step) trước khi PTCH trượt trên PTKH Kết quả là, sau một chu kỳ dính-trượt, PTCH thực hiện một bước dịch chuyển.

Mỗi bước chuyển vị sau mỗi chu kỳ là rất nhỏ do giới hạn độ biến dạng của vật liệu áp điện, tuy nhiên, khoảng làm việc của thiết bị là không giới hạn Khi hoạt động ở chế độ quét, độ dịch chuyển nhỏ mang lại ưu điểm về độ chính xác cao Một số mô hình tương tự như của Zhang (2018) và Xu (2020) sử dụng cơ cấu tam giác để tạo chuyển động, với nguyên lý kẹp chặt trong giai đoạn 'stick' và giải phóng trong giai đoạn 'slip' Bên cạnh đó, các cơ cấu khớp mềm cũng có thể được áp dụng, trong đó sự co giãn của vật liệu áp điện giúp thanh trượt di chuyển một đoạn ∆s, và sự lặp lại của các bước này sẽ làm cơ cấu di chuyển liên tục.

Hình 13 Mô hình Stick-slip actuator của Zhang (Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, 2018)

Hình 14 Mô hình Stick-slip actuator của Xu (Z Xu, H Huang, J Dong, 2020)

Một số các hiện tượng của cơ cấu Stick-Slip

a Hiện tượng chuyển vị đầu

Khi thiết bị hoạt động, vùng tiếp xúc giữa hai bề mặt có hai chế độ ma sát: chế độ chuyển vị đầu, hay còn gọi là chế độ vi trượt, và chế độ trượt Chế độ chuyển vị đầu của tiếp xúc ma sát được mô tả như hình dưới.

Hình 15 Biến dạng của các nhấp nhô và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại lực

Khi lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến tác động lên hai vật, xuất hiện các tiếp xúc vi mô giữa các nhấp nhô tại bề mặt tiếp xúc Ở chế độ ma sát chuyển vị đầu, lực giữ giữa các nhấp nhô chiếm ưu thế, khiến lực ma sát phụ thuộc vào chuyển vị hơn là vận tốc Các nhấp nhô có ứng xử giống như lò xo phi tuyến do biến dạng đàn hồi dẻo, dẫn đến dịch chuyển chuyển vị đầu và ma sát t

Cụm từ "Biên độ 0" chỉ biên độ biến dạng tối thiểu của "Phần tử kích hoạt" (làm từ vật liệu áp điện) mà không gây chuyển động cho "phần tử chấp hành" Dưới mức biên độ này, chuyển vị tương đối giữa hai phần tử không thể vượt qua biến dạng tiếp xúc, khiến phần tử chấp hành chỉ dao động quanh vị trí ban đầu do biến dạng đàn hồi tại vùng tiếp xúc Hình ảnh minh họa chuyển vị của phần tử chấp hành với các giá trị biên độ kích hoạt khác nhau giúp làm rõ hiện tượng biên độ 0.

Hình 16 Quan hệ giữa độ lớn biên độ dao động và độ lớn bước dịch chuyển của PTCH

Khi giá trị biên độ đạt 16nm, PTCH bắt đầu dịch chuyển, với biên độ 0 tương đương 16nm Giá trị biên độ phụ thuộc vào mức điện áp cấp vào, do đó, điện áp tương ứng với biên độ 0 được gọi là giá trị điện áp điều khiển tối thiểu Hiểu hiện tượng này giúp tối ưu hóa hiệu suất thiết bị, chẳng hạn như việc giảm biên độ 0 sẽ giảm điện áp tối thiểu, từ đó giảm chi phí vật tư.

Hiện tượng vi dao động sau pha trượt được giải thích qua chế độ ma sát chuyển vị đầu, khi các liên kết giữa các nhấp nhô hình thành trở lại với biên độ nhỏ hơn hoặc bằng biên độ 0 Trong pha dính, PTCH chịu tác động của lực ma sát chuyển vị đầu, và do các tiếp xúc tế vi biến dạng đàn hồi, chúng hành xử như các lò xo có biến dạng ban đầu Điều này dẫn đến PTCH dao động như trong hệ khối lượng-lò xo-cản, với các vi dao động sẽ dần được dập tắt Tuy nhiên, nếu thiết bị hoạt động ở tần số cao, những vi dao động này có thể chưa được dập tắt hoàn toàn, gây ra sự hỗn loạn trong chuyển vị và hiệu suất thiết bị Do đó, việc áp dụng các phương pháp giảm vi dao động là rất cần thiết Ngoài ra, dao động của PTKH cũng góp phần gây ra vi dao động; vì vậy, việc lựa chọn vật liệu cho PTKH với độ cứng cao hơn nhiều so với độ cứng của tiếp xúc sẽ giúp giảm thiểu vi dao động chủ yếu do biến dạng đàn hồi tại các tiếp xúc.

Tube actuators

Cơ cấu tube actuators là thiết bị hình trụ gồm các tấm áp điện với điện cực hai phía, có khả năng giãn dài theo trục thẳng đứng hoặc hướng tâm của trục áp điện Bộ kích hoạt ống piezoceramic là loại nguyên khối, co lại theo hướng tâm và dọc trục khi có điện áp giữa các điện cực Chúng thường được ứng dụng trong kính hiển vi đầu dò quét để cung cấp chuyển động quét động trong hoạt động vòng hở và làm bộ kéo giãn sợi Ngoài ra, tube actuators còn được sử dụng cho các nhiệm vụ định lượng nhỏ trong máy bơm nanoliter và máy in phun.

Các hành động thường không chỉ giới hạn ở một chiều, và chuyển động phức tạp với nhiều bậc tự do là cần thiết cho hầu hết các ứng dụng Trong khi động cơ điện từ truyền thống tạo ra chuyển động nhiều bậc tự do, động cơ siêu âm lại cho thấy sự linh hoạt hơn trong không gian hạn chế Nghiên cứu của Chen và cộng sự đã phát triển một vi động cơ siêu âm 2 bậc tự do với tinh thể PIN-PMN-PT kích thước 2 × 2 × 9 Guo và nhóm nghiên cứu cũng đã giới thiệu một động cơ siêu âm 3 bậc tự do nhỏ với ống PZT có đường kính ngoài 5,1 mm và chiều dài tường 15 mm Hình 13B minh họa cấu hình thiết kế của động cơ siêu âm 3 bậc tự do này.

2008) thiết kế một động cơ khá phức tạp cấu trúc và đa bậc tự do, như trong Hình 17C.

Hình 18 Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện [18]

Bulk actuators

Các bộ kích hoạt màng áp điện rất phổ biến trong các cơ chế hoạt động, với thiết lập thông thường là tấm áp điện được phân cực theo chiều dày, sử dụng hiệu ứng áp điện ngang Khi áp dụng điện áp vào hai điện cực trên bề mặt màng, sẽ xảy ra biến dạng co lại trong mặt phẳng làm việc, vuông góc với hướng phân cực do hiệu ứng áp điện Mặc dù thiết kế này phù hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng hiệu ứng này lại đẳng hướng trong mặt phẳng cơ cấu truyền động, không cho phép tách biệt các biến dạng dọc và ngang, điều này có thể cần thiết cho một số ứng dụng Hơn nữa, hiệu ứng ngang yếu hơn khoảng 50% so với hiệu ứng áp điện sơ cấp theo hướng phân cực Có nhiều con đường khác nhau đến thiết bị truyền động IDE áp điện, dựa trên màng áp điện số lượng lớn hoặc vật liệu composite với sợi áp điện, và cả hai khái niệm này sẽ được trình bày sau đây.

Hình 19 Sơ đồ thiết kế IDE của cơ cấu chấp hành Bộ kích hoạt phim IDE hàng loat

Vật liệu áp điện sử dụng tấm PZT thương mại (SonoxP53, CeramTec) với độ dày 200 µm, được bảo vệ bởi lớp phủ polymer để cách ly điện và độ ẩm cho các điện cực hai mặt Việc áp dụng quan hệ đối xứng giúp giảm kích thước mô hình, tạo ra ô đơn vị nhỏ hơn Lớp phủ điện cực rất mỏng, không ảnh hưởng đến cơ học và không được tính là vật liệu phụ trong mô hình Thay vào đó, nó được mô phỏng bằng một giới hạn điện với giả định điện thế không đổi trên vùng ngón tay điện cực của bề mặt gốm sứ Tải điện trong mô hình được thể hiện qua điện áp điều khiển, áp dụng giữa các ngón tay điện cực lân cận.

Bộ kích hoạt phim tổng hợp

Trong những năm gần đây, sợi gốm áp điện đã được phát triển với nhiều loại khác nhau, dựa trên các thành phần PZT và có độ dày từ 30 đến 200 Việc nhúng các sợi này vào ma trận polyme giúp tạo ra vật liệu tổng hợp áp điện, phục vụ cho các ứng dụng cảm biến và thiết bị truyền động.

Hình 20 Thiết kế chính bộ chuyển động hỗn hợp IDE

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN

Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp

Thiết bị truyền động ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được phân cách bởi các lớp cách điện, với cùng một điện áp được áp dụng cho các đầu cuối của từng lớp.

Chúng ta có thể đưa ra nhiều giả định khác nhau để giảm bớt sự phức tạp của vấn đề và số lượng các biến liên quan:

1) Tất cả các biến dạng khác ngoài S

3 có thể được bỏ qua.

2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T

3 có thể được bỏ qua.

3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3.

4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D

Sử dụng các giả định này, chúng ta có thể thu được:

Hình 22 Các thông số chính trong cấu hình ngăn xếp Độ giãn dài x i của lớp i có độ dày t sau đó có thể được viết:

(3.4) Độ giãn dài x i sau đó được viết là:

Vì các lớp nằm trong một chuỗi, nên tổng dịch chuyển X của cơ cấu chấp hành là tổng độ giãn dài của mỗi lớp:

Trong hành trình tự do, cơ cấu chấp hành di chuyển mà không chịu tác động của bất kỳ ứng suất nào Đồng thời, lực chặn là lực được tạo ra bởi cơ cấu truyền động khi nó được giữ ở vị trí không biến dạng.

Hình 23 Đặc tính tĩnh của thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện (XLi và FBi là hành trình tự do và lực chặn đối với điện áp Vi, i = 1, 2, 3)

Bimorph (bender) actuators

Vật liệu áp điện cũng thường được tìm thấy ở dạng một lớp màng kép (xem Hình

Hướng phân cực của hai lớp tương đồng, với điện áp áp dụng cho các thiết bị đầu cuối của lớp trên ngược chiều so với lớp dưới.

Hình 24 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph

Các điện áp đối nghịch tạo ra sự giãn nở ở lớp trên và sự co lại ở lớp dưới, dẫn đến hiện tượng uốn Do hai lớp được dán chặt với nhau, kết quả cuối cùng là một độ uốn nhất định Tham số X biểu thị tổng độ uốn do cơ cấu chấp hành tạo ra.

Hình 25 Nguyên tắc hoạt động của bimorph

Hình 26 Các thông số chính trong cấu hình bimorph

Chúng ta có thể đưa ra một số giả định để giảm độ phức tạp và số lượng biến liên quan:

1) Tất cả các biến dạng ngoại trừ S1 có thể được bỏ qua.

2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T1 có thể được bỏ qua.

3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3.

4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D3.

Chúng ta có thể sử dụng các giả định này để đơn giản hóa các phương trình (3.1) và (3.2) để thu được:

Tất cả các hệ số biến dạng áp điện đều có tính đối xứng, cụ thể là d31 = d13 Khi tính toán các hệ số này, tổng độ uốn do bimorph tạo ra có thể được xác định chính xác.

Chuyển vị tĩnh lớn nhất và nội lực lần lượt là:

Stick-slip actuators

Bộ kích hoạt chống trượt hoạt động ở hai chế độ: chế độ bước cho hành trình vĩ mô với khoảng cách vài cm và vận tốc vài mm/giây, và chế độ quét cho các vị trí vi mô với độ phân giải cao từ vài chục nanomet đến một vài micromet, đạt độ phân giải nanomet.

Hình 27 Nguyên tắc hoạt động ở chế độ bước [BRE 98]

Trong chế độ đầu tiên, bàn chân trải qua biến dạng chậm trước khi trở lại nhanh chóng theo hướng ngược lại Giai đoạn chậm cho phép khối lượng theo sau chuyển động của bàn chân nhờ ma sát “dính”, trong khi quán tính ngăn cản sự trượt trong giai đoạn quay trở lại nhanh chóng Khi cần dịch chuyển với kích thước nhỏ hơn một bước, bàn chân được biến dạng từ từ để tránh trượt Đây là chế độ quét, và việc kết hợp hai chế độ này cho phép đạt được khoảng cách dịch chuyển dài mà vẫn giữ được độ phân giải nanomet.

Tóm lại, cơ cấu truyền động chống trượt được đặc trưng bởi các điểm sau:

- Độ phân giải vài nanomet (