Lịch sử phát triển của hiệu ứng áp điện
Từ áp điện (piezoelectric) có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là piezein, có nghĩa là ép lại, đè nén và piezo, trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là đẩy Hiệu ứng áp điện được nhìn thấy trực tiếp lần đầu tiên vào năm 1880, do hai anh em Pierre và Jacques Curie khởi xướng. Bằng cách kết hợp kiến thức về nhiệt điện và cấu trúc tinh thể, hai anh em nhà Curie đã chứng minh hiệu ứng áp điện đầu tiên bằng cách sử dụng các tinh thể tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle Kết quả thí nghiệm ban đầu của họ cho thấy thạch anh và muối Rochelle thể hiện khả năng áp điện mạnh nhất vào thời điểm đó. Trong vài thập kỷ tiếp theo, hiệu ứng áp điện vẫn còn ở trong phòng thí nghiệm để tiếp tục được nghiên cứu và khám phá Thế chiến thứ nhất đã đánh dấu sự ra đời thiết bị ứng dụng hiệu ứng áp điện đầu tiên, đó là thiết bị sonar (một thiết bị sử dụng sóng âm thanh có khả năng đo khoảng cách và dẫn hướng) Sau đó, đến Thế chiến thứ hai, các nhóm nghiên cứu ở Mỹ, Liên Xô và Nhật Bản đã tìm ra được loại vật liệu nhân tạo mới, gọi là ferroelectrics, có khả năng áp điện cao hơn nhiều lần so với các vật liệu tự nhiên Trải qua nhiều năm, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu và tìm ra những loại vật liệu áp điện mới ưu việt hơn nhằm ứng dụng trong thực tế Kết quả nghiên cứu gắt gao này đã dẫn đến sự phát triển của bari titanate và chì zirconate titanate, hai vật liệu có đặc tính rất phù hợp với các ứng dụng cụ thể.
Hiệu ứng áp điện là gì
Hiệu ứng áp điện đề cập đến sự thay đổi phân cực điện dẫn đến tạo ra điện tích tương ứng của một số loại vật liệu nhất định khi chúng chịu ứng suất cơ học Sự thay đổi phân cực điện dựa vào ứng suất biểu hiện cho những đặc trưng tiềm năng khác nhau có thể đo được trên vật liệu, được gọi là hiệu ứng áp điện thuận Khi đó, vật liệu được đặt dưới ứng suất cơ học, sự chuyển dịch của các tâm điện tích dương và âm trong vật liệu sẽ xảy ra, sau đó tạo ra điện trường bên ngoài Hiện tượng áp điện thuận có thể được quan sát trong nhiều tinh thể có sẵn trong tự nhiên, bao gồm thạch anh, muối Rochelle và thậm chí cả xương người Bên cạnh đó, hiệu ứng áp điện còn có quá trình đảo nghịch Hiệu ứng áp điện ngược đề cập đến sự biến dạng của những vật liệu khi chịu tác dụng của điện trường Sự biến dạng có thể dẫn đến biến dạng kéo hoặc nén và ứng suất trong vật liệu phụ thuộc vào hướng của điện trường, hướng ưu tiên của phân cực trong vật liệu và cách vật liệu được kết nối với các cấu trúc lân cận khác
Về bản chất, hiệu ứng áp điện được giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong các tinh thể Khi tinh thể bị nén, các ion trong mỗi ô đơn vị bị dịch chuyển, gây ra hiện tượng phân cực điện ở mỗi ô đơn vị Những hiệu ứng này tích tụ, gây ra sự chênh lệch điện thế giữa các mặt của tinh thể Khi một điện trường bên ngoài được đặt vào tinh thể và các ion trong mỗi ô đơn vị được chuyển dịch bởi lực tĩnh điện, dẫn đến biến dạng cơ học của toàn bộ tinh thể Hiện tượng áp điện thuận được phát hiện đầu tiên ở trong các tinh thể ngoài tự nhiên, nhiều nhất là thạch anh Về sau người ta cũng tìm thấy hiệu ứng này ở trong gốm sứ, gần đây là polyme
Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, hầu hết các máy in hiện nay một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo.
Bộ kích hoạt áp điện
Hình 1: Bộ kích hoạt áp điện
Bộ kích hoạt áp điện là thiết bị hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện ngược, đặt một điện áp lên nó sẽ sinh ra một sự dịch chuyển và khi có rung động, nó sẽ tạo ra một điện áp Bộ kích hoạt áp điện là một bộ kích hoạt vi dịch chuyển hoàn hảo và có thể điều khiển được, được dẫn động bằng điện trường Bộ kích hoạt áp điện có tốc độ đáp ứng rất cao, thể tích nhỏ, khối lượng tương đối nhỏ và nhiệt lượng ít Hiệu suất tuyệt vời của bộ kích hoạt áp điện làm cho nó có tiềm năng đáng kể trong lĩnh vực điều khiển tích cực So với các bộ kích hoạt truyền thống, bộ kích hoạt áp điện có các ưu điểm:
Tiêu thụ điện năng thấp: Hiệu ứng áp điện chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành chuyền động cơ học trong quá trình di chuyển Có khả năng hoạt động tĩnh, ngay cả khi giữ tải nặng, không tiêu tốn điện năng.
Không bị hao mịn: Bộ kích hoạt áp điện không có bánh răng hay trục quay Sự dịch chuyển của nó dựa trên động lực ở trạng thái rắn, vì thế không bị ăn mịn.
Khuếch đại nhanh chóng: Bộ kích hoạt áp điện cung cấp thời gian phản hồi nhanh nhất hiện có ( ms ) Gia tốc có thể tương đương gấp 10 lần gia tốc trọng trường
MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Giới thiệu về hiệu ứng áp điện thuận và nghịch
Hiệu ứng áp điện đề cập đến sự thay đổi phân cực điện dẫn đến tạo ra điện tích tương ứng của một số loại vật liệu nhất định khi chúng chịu ứng suất cơ học Hiệu ứng áp điện thuận xảy ra do sự chuyển vị của các trung tâm điện dương và âm trong một mạng lưới tinh thể sau khi tác động một áp lực cơ khí, tạo ra mômen lưỡng cực và do đó phân cực của vật liệu Hiệu ứng áp điện có thể được đảo ngược, được gọi là hiệu ứng áp đảo nghịch Điều này được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp để tạo ra một tinh thể áp điện co lại hoặc giãn nở Hiệu ứng áp đảo nghịch đảo năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
Hình 2: Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch:
Hình 3: Hiệu ứng áp điện thuận Hình 4: Hiệu ứng áp điện nghịch
Hiệu ứng áp điện chủ yếu là tuyến tính và thuận nghịch.
Ví dụ, lấy một trong những vật liệu áp điện được sử dụng nhiều nhất, các tinh thể chì zirconate titanate (hoặc PZT) sẽ tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng khoảng 0,1% so với kích thước ban đầu Ngược lại, những tinh thể tương tự đó sẽ thay đổi khoảng 0,1% kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài tác dụng vào vật liệu.
Các đặc trưng của vật liệu gốm áp điện (Ceramics)
Các hiệu ứng phi tuyến liên quan đến hoạt động của các bộ truyền động áp điện, cụ thể là độ trễ (thường là từ 10 đến 15%) và trôi chậm, cũng như hành vi bị thay đổi như một chức năng của điều kiện môi trường (chẳng hạn như nhiệt độ và độ ẩm) sẽ không được thảo luận ở đây.
2.2.1 Các đặc trưng về cơ học:
Bây giờ hãy xem xét một gốm áp điện có độ dày e chịu một điện trường (E =
V / e, trong đó V là hiệu điện thế do nguồn điện tạo ra trên gốm) Sau đó đây là trường hợp của phân cực nghịch, và do đó gốm chịu biến dạng do hiệu ứng này gây ra, biểu thức là hàm của điện trường đặt vào E (tính 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.
Tuy nhiên, biến dạng này không phải là biến dạng duy nhất mà mẫu trải qua Các biến dạng cũng phải được xem xét, do các lực cơ học khác nhau Biểu thức cho tổng biến dạng được trải qua bởi mẫu được đề cập:
S=d E + s.T trong đó s (m 2 / N) là tuân thủ đàn hồi (nghịch đảo của mô đun Young của gốm) và
T (N / m2) là ứng suất do ngoại lực tác động lên mẫu.
2.2.2 Sự dịch chuyển điện trường:
Một đặc tính quan trọng khác của vật liệu áp điện là chúng là chất điện môi
Do đó, có sự dịch chuyển của điện tích, mà chúng ta sẽ gọi là mật độ điện tích D (C / m 2 ), trong chất điện môi bất cứ khi nào nó tiếp xúc với một điện trường Do đó, trong trường hợp của mẫu chúng ta đã thảo luận ở trên, chúng ta có thể viết biểu thức cho sự dịch chuyển điện trong mẫu như sau:
Với ϵ (Farad / 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.
Tuy nhiên, mẫu này sẽ phải chịu tác động của bên ngoài Do đó, thực tế là gốm được đề cập là áp điện sẽ dẫn đến tạo ra sự dịch chuyển điện thông qua hiệu ứng áp điện trực tiếp, mà biểu thức tỷ lệ với ứng suất tác dụng T:
D=¿d.T trong đó d tính bằng đơn vị C / N, có đơn vị (định nghĩa của sức mạnh điện trường) V/m 4
Vì vậy chúng ta tìm thấy biểu thức cho tổng dịch chuyển điện trong một vật liệu áp điện là:
D=ϵ E + d.T Chúng ta có thể viết dưới dạng ma trận:
Sau đó chúng ta có thể thấy rằng nếu hệ số áp điện d bằng 0 thì sẽ không có liên kết giữa các miền điện và cơ khí Chúng ta sẽ chỉ có những biểu hiện cho sự biến dạng và một dịch chuyển điện, cũng như được tìm thấy cho bất kỳ vật liệu tùy ý nào Do đó, hệ số d này xác định đặc tính áp điện của vật liệu, và đặc biệt là độ bền của khớp nối cơ điện bên trong nó: nó càng lớn hơn, sự nối kết mạnh mẽ hơn.
2.2.3 Tổng quát hóa không gian 3D: Ơ bên trên nghiên cứu vật liệu áp điện trong không gian 2D Tuy nhiên, các vật thể làm bằng gốm áp điện tất nhiên là ba chiều Do đó, chúng tôi cần hai thông tin để mô tả mỗi vectơ: mặt mà yếu tố được áp dụng và hướng của nó Do đó, chúng tôi sẽ sử dụng ký hiệu sau để mô tả một thành phần của một vectơ tùy ý → v: vij, trong đó tôi là mặt mà vectơ được áp dụng và j là hướng của vectơ.
Hình 5: Phần tử áp điện Điều kiện đối xứng trên các ứng suất trong một vật liệu có nghĩa là chúng ta có thể đơn giản hóa sau: vij = vji Vì sự đơn giản hóa này, chúng tôi sẽ chuyển sang một ký pháp mới như trình bày trong bảng dưới đây: ij 1 1
Bảng 1: Các giá trị khác nhau của i, j và k do điều kiện đối xứng
Theo quy ước, trục 3 luôn liên kết với hướng phân cực vật liệu áp điện:
Hình 6: Phần tử áp điện: đánh số được sử dụng
Do đó chúng ta có thể viết lại các biểu thức cho s và d trong dạng ma trận bằng cách sử dụng ký pháp trước đó:
Hãy xem xét hai trường hợp đặc biệt của hệ thống này:
Trường hợp ngắn mạch: trường điện áp áp dụng cho vật liệu áp điện là 0; chúng ta có thể viết lại các biểu thức cho s và d như sau:
Trường hợp mở: dịch chuyển điện là zero; chúng ta có thể viết lại các biểu thức cho s và d như sau:
Do đó, sự khác biệt có thể được nhìn thấy giữa việc tuân thủ đàn hồi trong trường hợp ngắn mạch, chúng ta sẽ viết như s E , và trong mạch mở, chúng ta sẽ viết s D như sau: s E =S s D =s−d T ϵ −1 d
Thuật ngữ bổ sung được tìm thấy trong biểu thức cho s D là một hàm của d Từ việc này chúng ta có thể kết luận rằng sức mạnh của khớp cơ điện cơ phụ thuộc vào thực hành trên giá trị của d Sau đó chúng ta có thể viết ra biểu mẫu chung:
Có hai cấu hình được sử dụng rộng rãi cho vật liệu áp điện Đây là các thiết bị truyền động áp điện đa lớp (ngăn xếp) và hai lớp (uốn cong).
PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG
Multilayer (stack) actuators
Bộ kích hoạt ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được ngăn cách bởi các lớp cách điện (xem Hình 4) Phần đầu và cuối của mỗi lớp được đặt cùng một điện áp Các phần tử áp điện riêng lẻ trong thiết bị truyền động xếp chồng lên nhau có phân cực xoay chiều và điện trường được đặt song song với hướng phân cực Khi một điện áp được đặt vào, một biến dạng, hoặc sự dịch chuyển, được tạo ra theo hướng phân cực Chuyển động của một phần tử áp điện bằng điện áp đặt nhân với hệ số áp điện Chuyển động của cả ngăn xếp áp điện bằng tổng dịch chuyển của các phần tử trong stack[ CITATION Jür15 \l 1033 ].
Hình 7 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp
Các điện cực bên trong có cùng cực được nối với nhau bằng các điện cực bên ngoài đặt trên mặt của thiết bị truyền động Các điện cực bên trong được cách điện với các điện cực bên ngoài antipode bằng một lớp thủy tinh mỏng được đặt giữa các mặt của vật liệu áp điện.
Bộ kích hoạt áp điện trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học thông qua hiệu ứng áp điện, có nghĩa là chúng không có bộ phận chuyển động tạo ra ma sát hoặc mài mòn Do đó, độ phân giải của chúng chỉ bị giới hạn bởi các thành phần cơ và điện bên ngoài Chúng có thể đạt được thời gian phản hồi cực nhanh và tốc độ tăng tốc cao Bộ kích hoạt áp điện xếp chồng lên nhau có khả năng hoạt động trong các môi trường như chân không, điều kiện đông lạnh và sự hiện diện của từ trường, làm cho chúng thích hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng, hàng không vũ trụ, ô tô và bán dẫn Huixing Zhou [CITATION HZh01 \l 1033 ] và nhóm của họ đã đề xuất một cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp.
Hình 8 Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp
Cũng trong [ CITATION HZh01 \l 1033 ] Zhou đã mô tả động cơ truyền động bằng quán tính dựa trên các ứng dụng của bộ kích hoạt ngăn xếp.
Hình 10 Động cơ truyền động bằng quán tính
Một trong những ứng dụng quan trọng khác của cấu trúc áp điện ngăn xếp là ứng dụng truyền động trong các cơ cấu vi kẹp với độ chính xác cao Zheng Li [ CITATION ZLi20 \l 1033 ]và nhóm của họ đã thiết kế một cơ cấu kẹp dựa trên sự chuyển động của cấu trúc áp điện này Tốc độ kẹp của cơ cấu này có thể đạt được tới hơn 350 mm/s
[ CITATION ZLi20 \l 1033 ] phụ thuộc vào điện áp được cấp cho vật liệu Một mô hình khác về tay kẹp được thiết kế bởi nhóm của Das [ CITATION TKD20 \l 1033 ] cũng áp dụng phương pháp tương tự trong thiết kế cơ cấu kẹp.
Hình 9 Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trái) và Das (bên phải)
Bimorph (bender) actuators
Thuật ngữ bimorph được sử dụng phổ biến nhất với bimorphs áp điện Trong các ứng dụng thiết bị truyền động, một lớp hoạt động co lại và lớp kia mở rộng nếu điện áp được đặt vào, do đó, hai lớp uốn cong Trong các ứng dụng cảm biến, uốn cong lưỡng hình tạo ra điện áp, ví dụ có thể được sử dụng để đo độ dịch chuyển hoặc gia tốc Chế độ này cũng có thể được sử dụng để thu năng lượng[ CITATION WAl13 \l 1033 ] Vật liệu áp điện cũng thường được tìm thấy ở dạng một lớp kép Hướng phân cực của hai lớp là như nhau Điện áp đặt vào các cực của lớp trên ngược với điện áp đặt vào lớp dưới
Không chỉ sử dụng hai lớp áp điện với nhau mà còn có thể thay một lớp áp điện bằng một loại vật liệu khác Qing-Ming Wang [ CITATION QMW99 \l 1033 ] và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu đánh giá và tính toán đối với các cấu trúc bimorph, unimorph và triple layer benders Hai ví dụ cổ điển về thiết bị áp điện là các cấu hình bimorph và unimorph được sử dụng rộng rãi cho cảm biến âm thanh, loa, rơle, micropumps, micropositioners, và nhiều ứng dụng khác Trong nghiên cứu của mình Wang
[ CITATION QMW99 \l 1033 ] đã kết luận rằng bimorph, unimorph và ba lớp uốn có thấp hơn hằng số điện môi hơn vật liệu áp điện do tác dụng kẹp của từng thành phần trong các thiết bị Đối với uốn cong một lớp và uốn ba lớp, hằng số điện môi của chúng cũng thay đổi theo tỷ lệ độ dày của đàn hồi và các lớp áp điện Một hằng số điện môi lớn nhất có thể được quan sát ở các tỷ lệ độ dày nhất định đối với uốn cong ba lớp, trong khi đối với đơn nguyên uốn cong, hằng số điện môi giảm theo độ dày đơn điệu tỷ lệ Việc sử dụng một lớp đàn hồi cứng hơn dẫn đến hằng số điện môi thấp hơn ở cả hai chiều và uốn cong ba lớp.
Hình 12 Cấu trúc bimorph, unimorph và triple layer benders, (a) bimorph bender trong chuỗi kết nối, (b) bimorph bender trong kết nối song song, (c) triple layer bender, (d) unimorph bender, (e) thiết bị cầu vồng [ CITATION QMW99 \l 1033 ]
Ngay trong năm nay Zhang và nhóm của ông đã phát triển động cơ quay quán tính hai bậc tự do được đề xuất sử dụng bộ kích hoạt áp điện hai chiều (PEA)[ CITATION SZh21 \l 1033 ] Các tấm áp điện được chồng lên nhau hai lớp với hai bộ áp điện được kích hoạt trái hướng sẽ làm cho chân đỡ khối cầu dịch chuyển theo trục x, đối với trục y cũng được lắp một bộ tương tự, kết quả là cơ cấu này có thể di chuyển được theo hai hướng vuông góc nhờ việc di chuyển của khối cầu Quá trình mô tả chuyển động của chân đỡ khối cầu nhơ các tấm áp điện được diễn tả trên hình 12.
Hình 13 Động cơ quay quán tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo
Hình 14 Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ của Zhang [ CITATION SZh21 \l 1033 ]
Stick-slip actuators
3.3.1 Tổng quan về Stick-Slip actuators.
Nếu xét hiện tượng này trong các hệ trượt macro, dính-trượt bị coi là yếu tố gây nhiễu Do đó đã có rất nhiều mô hình, công cụ phân tích và các phương pháp ổn định được phát triển để điều khiển các hệ động lực học với ma sát Nhưng trong các hệ micro, hiện tượng này có thể được tận dụng để thành một nguyên lý kích hoạt, gọi là chuyển động dính-trượt Nếu các lực tác động lên phần tử chấp hành (PTCH) có thể được điều khiển cả về độ lớn lẫn phương chiều thì hoàn toàn có thể thu được chuyển động dính- trượt lặp đi lặp lại theo một hướng định sẵn.
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt [ CITATION Nic10 \l 2057 ]
Sơ đồ trên bao gồm PTKH được làm từ vật liệu áp điện và được gắn với nửa cầu tạo tiếp xúc điểm với PTCH Tín hiệu điện dùng để kích hoạt chuyển động dính-trượt có dạng răng cưa bao gồm hai pha: pha tăng chậm và pha giảm nhanh Tín hiệu điện được đưa vào PTKH khiến cho những điểm tiếp xúc sẽ chuyển vị theo dạng tín hiệu điện Chính vì thế, trong một chu kì, PTKH sẽ có hai trạng thái: dãn chậm và co lại nhanh Pha tăng chậm được thể hiện trong hình 1.2b, khi này PTCH cùng di chuyển với PTKH, do chuyển động chậm nên lực do quán tính của PTCH nhỏ hơn nhiều so với lực ma sát tĩnh giữa hai phần tử nên độ dịch chuyển của hai phần tử là như nhau Pha này còn được gọi là pha dính Trong hình 9.2c, PTKH co lại nhanh, gia tốc lớn dẫn tới sau một khoảng thời gian xác định, lực quán tính của PTCH lớn hơn lực ma sát tĩnh Trong pha này, ở một khoảng thời gian xác định ban đầu, hai phần tử vẫn dính với nhau do lực quán tính chưa đủ lớn kết hợp với các yếu tố như độ nhấp nhô bề mặt, vật liệu là không cứng tuyệt đối – tạo ra một khoảng dịch chuyển gọi là bước lùi (back step) Sau đó, khi lực quán tính đủ lớn, PTCH không theo kịp chuyển động của PTKH và bị trượt trên phần tử này Do đó, pha giảm nhanh còn gọi là pha trượt Sau một chu kì dính-trượt, PTCH thực hiện được một bước dịch chuyển/chuyển vị.
Mỗi bước chuyển vị thu được sau mỗi chu kì là rất nhỏ do giới hạn về độ biến dạng của vật liệu áp điện, tuy nhiên, theo lý thuyết thì khoảng làm việc của thiết bị là không giới hạn Hơn thế nữa, khi làm việc ở chế độ quét (Scaning mode), độ dịch chuyển nhỏ đem lại nhiều ưu điểm khi đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cao Một vài cơ cấu tương tự có thể kể đến mô hình của Zhang [CITATION YZh18 \l 1033 ] thiết kế năm
2018 và mô hình của Xu [ CITATION ZXu20 \l 1033 ] thiết kế năm 2020 với đặc điểm là sử dụng cơ cấu tam giác để gây chuyển động Nguyên lý của cơ cấu là trình kẹp chặt trong giai đoạn' stick' và một hành động giải phóng trong giai đoạn 'slip' [ CITATION
YZh18 \l 1033 ] Ngoài ra có thể sử dụng các cơ cấu khớp mềm như hình 12 Sự co giãn của vật liệu áp điện làm cho thanh trượt dính và trượt đi một đoạn ∆s sự lặp lại của các bước này sẽ làm cơ cấu di chuyển.
Hình 15 Mô hình Stick-slip actuator của Zhang [ CITATION YZh18 \l 1033 ]
Hình 16 Mô hình Stick-slip actuator của Xu [ CITATION ZXu20 \l 1033 ]
3.3.2 Một số các hiện tượng của cơ cấu Stick-Slip. a Hiện tượng chuyển vị đầu
Khi thiết bị hoạt động, tại vùng tiếp xúc luôn có hai chế độ ma sát: chế độ chuyển vị đầu , đôi khi còn gọi là chế độ vi trượt, và chế độ trượt Chế độ chuyển vị đầu của tiếp xúc ma sát giữa hai bề mặt được mô tả như hình dưới [16].
Hình 17 Biến dạng của các nhấp nhô và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại lực
Khi tác dụng lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến lên hai vật để chúng tiếp xúc với nhau, luôn xuất hiện những tiếp xúc tế vi giữa các nhấp nhô tại bề mặt tiếp xúc (Hình 15a) Ở chế độ ma sát chuyển vị đầu, lực giữ giữa các nhấp nhô chiếm ưu thế do vậy lực ma sát giống như một hàm của chuyển vị hơn là của vận tốc Điều này là do các nhấp nhô biến dạng đàn hồi dẻo, phụ thuộc vào tải đặt lên từng cặp nhấp nhô tiếp xúc, khiến chúng có ứng xử giống như các lò xo phi tuyến (hình 15b) Biến dạng đàn hồi gây ra dịch chuyển chuyển vị đầu, trong khi biến dạng dẻo gây ra ma sát tĩnh, khi lực tiếp tuyến Fe tăng đến một mức độ nào đó, các dịch chuyển chuyển vị đầu cũng sẽ tăng theo khiến cho các tiếp xúc nhấp nhô bị phá vỡ, từ đó dẫn tới hiện tượng trượt hoàn toàn Sau đó ma sát sẽ chuyển sang chế độ trượt, lực ma sát trở thành hàm theo vận tốc Tại thời điểm chuyển giữa hai chế độ ma sát, lực ma sát có giá trị Fba (còn gọi là lực tới hạn/break away force)- khi lực tiếp tuyến Fe lớn hơn Fba thì sẽ gây ra chế độ ma sát trượt; đồng thời, giá trị chuyển vị chuyển vị đầu tối đa trước khi các tiếp xúc nhấp nhô bị phá vỡ được gọi là khoảng tới hạn - zba b Hiện tượng biên độ 0
Cụm từ “Biên độ 0” biểu thị biên độ biến dạng nhỏ nhất của “Phần tử kích hoạt” (bằng vật liệu áp điện) mà không gây ra chuyển động cho “phần tử chấp hành” Nói cách khác, dưới mức biên độ này, chuyển vị tương đối giữa hai phần tử không thể vượt qua được các biến dạng tiếp xúc mà phần tử chấp hành chỉ dao động quanh vị trí ban đầu do biến dạng đàn hồi của các nhấp nhô bề mặt tại vùng tiếp xúc Hình dưới mô tả chuyển vị của phần tử chấp hành với các giá trị biên độ kích hoạt khác nhau, từ đó cho ta thấy rõ hiện tượng biên độ 0.
Hình 18 Quan hệ giữa độ lớn biên độ dao động và độ lớn bước dịch chuyển của PTCH
Khi giá trị biên độ đạt tới 16nm, PTCH bắt đầu dịch chuyển, trong trường hợp này, Biên độ 0 có giá trị bằng 16nm Giá trị biên độ liên quan tới mức điện áp cấp vào, vì vậy giá trị điện áp tương đương giá trị biên độ 0 được gọi là giá trị điện áp điều khiển tối thiểu Hiểu biết về hiện tượng này giúp cải thiện và tối ưu hiệu suất của các thiết bị, ví dụ: tối thiểu hóa được biên độ 0 sẽ giúp giảm mức điện áp tối thiểu cấp vào, từ đó giảm bớt được chi phí liên quan tới vật tư [17]. c Hiện tượng vi dao động
Hiện tượng vi dao động sau pha trượt cũng được giải thích qua chế độ ma sát chuyển vị đầu, sau khi kết thúc pha trượt, các liên kết giữa các nhấp nhô được hình thành trở lại khi giá trị biên độ nhỏ hơn hoặc bằng biên độ 0 Do đó, ở pha dính, PTCH chuyển động dưới tác động của lực ma sát chuyển vị đầu Do các tiếp xúc tế vi biến dạng đàn hồi, chúng ứng xử giống các lò xo có biến dạng ban đầu Điều này khiến PTCH dao động như trong một hệ khối lượng-lò xo-cản Các vi dao động này sẽ được dập tắt sau một khoản thời gian Tuy nhiên nếu thiết bị hoạt động ở tần số cao, những vi dao động này có thể chưa được dập tắt hoàn toàn trước khi pha trượt tiếp theo bắt đầu Điều này sẽ gây ra sự hỗn loạn trong chuyển vị của PTCH và hiệu suất thiết bị Do vậy các phương pháp giảm vi dao động là vô cùng cân thiết Trong thực tế, dao động của PTKH cũng góp phần gây ra vi dao động, nên nếu lựa chọn vật liệu cho PTKH có độ cứng cao hơn nhiều so với độ cứng của tiếp xúc, vi dao động sẽ chỉ bị gây ra bởi biến dạng đàn hồi tại các tiếp xúc là chủ yếu.
Tube actuators
Cơ cấu Tube actuators là cơ cấu thường có hình trụ gồm các tấm áp điện có điện cực hai phía khác nhaucó khả năng giãn dài theo trục thẳng đứng hay theo hướng tâm của trục áp điện [ CITATION MHa19 \l 1033 ] Bộ kích hoạt ống Piezoceramic của dòng ống áp điện là bộ kích hoạt nguyên khối, co theo hướng tâm và dọc trục ngay khi đặt điện áp giữa điện cực bên trong và bên ngoài Bộ kích hoạt ống Áp điện thường được sử 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 Hơn nữa chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ định lượng nhỏ trong máy bơm nanoliter hoặc máy in phun.
Thông thường, các hành động không chỉ giới hạn ở các hướng một chiều, và các đường chuyển động phức tạp liên quan đến nhiều bậc tự do được yêu cầu cho hầu hết các ứng dụng Theo truyền thống, động cơ điện từ để tạo ra chuyển động nhiều bậc tự do, nhưng trong phạm vi hẹp và không gian hạn chế, một động cơ siêu âm sẽ cho thấy sự linh hoạt hơn để thiết kế các chuyển động đa bậc tự do [ CITATION XGa20 \l 1033 ] Nhóm của Chen và cộng sự [ CITATION Zhi14 \l 1033 ] đã báo cáo một vi động cơ siêu âm 2 bậc tự do bao gồm một tinh thể đơn PIN-PMN-PT với các kích thướ 2 × 2 × 9 mm , như trong Hình 13A Guo và cộng sự [ CITATION Min13 \l 1033 ] tiếp tục đưa ra một siêu âm 3-DOF nhỏ động cơ có ống PZT đường kính ngoài 5, 1 và 15 mm, độ dày và chiều dài của tường, tương ứng Hình 13B cho thấy cấu hình được thiết kế của động cơ siêu âm 3 bậc tự do Takemura và cộng sự [ CITATION KTa08 \l 1033 ] thiết kế một động cơ khá phức tạp cấu trúc và đa bậc tự do, như trong Hình 18C.
Hình 20 Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện [18]
Bulk actuators
Các cơ chế khác có thể được sử dụng cho các thành phần hoạt động nhưng việc sử dụng bộ kích hoạt màng áp điện là rất phổ biến Việc thiết lập thông thường của một bộ kích hoạt màng, trong đó tấm áp điện được phân cực theo chiều dày, sử dụng hiệu ứng áp điện ngang Đặt điện áp điều khiển vào hai điện cực bề mặt trên mỗi mặt của màng áp điện dẫn đến 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 thích hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng hiệu ứng này là đẳng hướng trong mặt phẳng cơ cấu truyền động và không cho phép tách các biến dạng dọc và ngang, điều này có thể cần thiết cho một số ứng dụng Hiệu ứng ngang cũng yếu hơn (khoảng 50%) so với hiệu ứng áp điện sơ cấp, xảy ra 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 Cả hai khái niệm đều được trình bày sau đây
Hình 21 Sơ đồ thiết kế IDE của cơ cấu chấp hành
Bộ kích hoạt phim IDE hàng loat
Vật liệu hoạt động áp điện bao gồm một tấm vật liệu PZT thương mại (SonoxP53, CeramTec) với độ dày hpie ẳ200 lm Một lớp phủ polymer cung cấp khả năng cỏch ly điện và độ ẩm khỏi môi trường cho các điện cực trên cả hai mặt của lớp piezoceramic Sử dụng quan hệ đối xứng cho phép giảm kích thước mô hình hơn nữa, dẫn đến một ô đơn vị nhỏ Vì lớp phủ điện cực rất mỏng nên nó không có tác dụng cơ học và không được đưa vào mô hình như một vật liệu phụ Thay vào đó, nó được biểu diễn bằng một giới hạn điện, giả sử điện thế không đổi trên vùng ngón tay điện cực của bề mặt gốm sứ Tải điện trong mô hình được biểu thị bằng điện áp điều khiển, được áp dụng giữa các ngón tay điện cực lân cận.
Bộ kích hoạt phim tổng hợp
Trong những năm qua, sợi gốm với đặc tính áp điện đã được phát triển Có sẵn các loại sợi khác nhau, dựa trên các thành phần PZT khác nhau và có độ dày khác nhau, từ 30 đến 200 Việc nhúng các sợi này vào một ma trận polyme cho phép sản xuất vật liệu tổng hợp áp điện có thể được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến và thiết bị truyền động
Hình 22 Thiết kế chính bộ chuyển động hỗn hợp IDE
Ứng dụng
Với thiết kế đơn giản, các bộ phận chuyển động tối thiểu, không cần bôi trơn để vận hành và đặc tính độ tin cậy cao, bộ truyền động áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, ô tô, y tế, hàng không, hàng không vũ trụ và điện tử tiêu dùng Bộ truyền động Piezo được tìm thấy trong máy dệt kim chính xác và máy chữ nổi Các đặc điểm truyền động im lặng làm cho bộ truyền động áp điện trở thành một cơ chế lấy nét tự động tuyệt vời trong máy quay video và điện thoại di động được trang bị micrô Cuối cùng, vì bộ truyền động áp điện không cần bôi trơn để hoạt động nên chúng được sử dụng trong môi trường đông lạnh và chân không.
Sử dụng bộ truyền động ngăn xếp, có thể thực hiện độ phân giải cực kỳ tốt, gần như vô hạn với điện áp rất cao tương ứng với các chuyển động giãn nở nhỏ Một bộ truyền động áp điện có thể hoạt động hàng tỷ lần mà không bị mài mòn hoặc hư hỏng Tốc độ phản hồi của nó là đặc biệt và nó chỉ bị giới hạn bởi quán tính của đối tượng được di chuyển và khả năng đầu ra của trình điều khiển điện tử Khi hoạt động ở trạng thái tràn đầy năng lượng, bộ truyền động áp điện hầu như không tiêu thụ điện năng và tạo ra rất ít nhiệt.
Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, hầu hết các máy in hiện nay… một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo.
CÁC BÀI BÁO NGHIÊN CỨU
Mô hình hoá bộ vi dẫn động áp điện
4.1.1 Mô hình bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp
Mô hình của chúng tôi cho bộ truyền động ngăn xếp áp điện dựa trên cách tiếp cận của Adriaens et al (2000), sử dụng mô tả bao gồm các yếu tố điện và cơ.
Trong Adriaens và cộng sự (2000), hệ thống PEA được mô hình hóa bằng cách sử dụng mô hình cơ điện được hiển thị trong hình 1.
Hình 1 Mô hình cơ điện của PEA
Biểu thức cho lực tương tác F p trong mô hình này là:
Trong phương trình (1), y biểu diễn độ dịch chuyển cơ học và lực tương tác phụ thuộc vào các thông số cơ học của khối lượng m, hệ số tắt dần c và độ cứng k Ngoài ra,
T em được định nghĩa là tỷ số biến áp cho bộ chuyển đổi cơ điện Sử dụng mô hình cơ điện trong hình 1, chúng ta có thể thu được một mạch tương đương của hệ piezo hoàn chỉnh như trong Hình 2.
Hình 2 Mô hình bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp Ở đây U đại diện cho điện áp bộ khuếch đại đặt vào mạch, R1 đại diện cho điện trở tương đương Thevenin của bộ khuếch đại công suất, C2 là tụ điện bên ngoài mắc nối tiếp với bộ truyền động ngăn xếp áp điện, U2 là điện áp tụ điện được đo bằng đầu dò vi sai, R2 là điện trở của đầu dò vi sai Sử dụng phép tương tự tiêu chuẩn giữa hệ thống điện và cơ áp dụng cho (1), chúng ta có thể thay thế các phần tử cơ bằng một mạch điện tương đương như trong Hình 3 Ở đây R, L và C có thể được tính toán từ các thông số cơ học như em 2
Trong Adriaens và cộng sự (2000), độ trễ phi tuyến giữa điện áp trễ Uh và điện tích q trong mô hình được mô tả bằng phương trình:
Hình 3 Đoạn mạch RLC tương đương trong đó α, a và b là các hằng số xác định hình dạng của tính phi tuyến Từ đó có thể thấy rằng độ lớn của độ trễ phi tuyến trong cơ cấu chấp hành áp điện phụ thuộc vào giá trị của α Nếu α đủ nhỏ, chúng ta có thể coi hệ thống như một hệ thống tuyến tính Sử dụng (2), mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện i trong piezo và điện áp tạo ra bởi độ trễ
Uh có thể được suy ra như sau:
Do đó, mô hình trong Hình 3 có thể được thay thế bằng một mạch điện tương đương, như trong Hình 4
Hình 4 Mạch tương đương bộ kích hoạt áp điện
Các biến trạng thái cho mô hình mạch điện tương đương trong Hình 5 được định nghĩa là x1 = iP, x2 = UC, x3 = U2, x4 = Uh và x5 = q Điều này dẫn đến mô hình không gian trạng thái cho mạch truyền động piezo như sau:
Thiết bị truyền động không tải và tần số cộng hưởng không tải của thiết bị truyền động là khoảng 70 kHz, vượt xa phạm vi tần số quan tâm Điều này có nghĩa là chúng ta có thể có được một mô hình phi tuyến đơn giản cho hệ thống bằng cách đặt Tem bằng không Điều này ngụ ý rằng các phần tử cơ điện không cần phải được đưa vào mô hình nữa Sau đó, có thể thu được một mạch tương đương được đơn giản hóa như trong Hình 5.
Hình 5 Mô hình mạch tương đương đơn giản hóa.
Trong trường hợp này, chỉ cần ba biến trạng thái, x1 = U2, x2 = Uh và x3 = q Sau đó, chúng ta có thể viết các phương trình không gian trạng thái tương ứng như sau
; và, ˙q = i như đã xác định trước đó.
Đầu ra của hệ thống y = U2 trong mô hình tuyến tính này được xác định bởi phương trình y = Cx trong đó C = [1 0 0] Các thông số trong mô hình này được đo trực tiếp như sau:
Điện dung tĩnh của bộ truyền động ngăn xếp áp điện được đo ở 360nF, là giá trị của b mắc nối tiếp với CP.
4.1.2 Mô hình hoá bộ kích hoạt bimorph
Hình 6 Cấu hình của bimorph áp điện ba lớp không đối xứng với các cổng riêng biệt về điện.
Bimorph áp điện ba lớp không đối bao gồm một miếng đệm ở giữa tương đối dày và hai lớp áp điện có đặc tính và độ dày vật liệu khác nhau, như được thể hiện trong Hình
1 Các lớp áp điện được điện ở mặt trên và mặt dưới, và chúng có các cổng điện riêng biệt Sự phân cực của các lớp áp điện hướng lên trên; hai mặt biến dạng theo chiều dọc và / hoặc dọc theo các hướng của điện trường và độ dày của các lớp áp điện Chiều dài (phương x), Tổng chiều dày (phương z), và chiều rộng (phương y) lần lượt được ký hiệu là l, h, và b; mỗi độ dày cho miếng đệm ở giữa và lớp trên cùng và dưới cùng được ký hiệu tương ứng bằng h(m), h(t) và h(b) Các phản ứng cơ và điện cũng như điện áp và tải đặt vào được cho là dao động điều hòa với tần số góc chung v.
Trong lý thuyết dầm Thimoshenko, tổng độ võng thẳng đứng uz (x) của dầm được tạo ra bởi cả uốn và cắt, do đó độ dốc của đường cong lệch và trục độ dời ux (x, z) có thể được viết là
(1) trong đó là góc quay do uốn, là góc biến dạng do cắt, và uo là chuyển vị kéo dọc trục tại trục trung hòa (z = 0) Mối quan hệ biến dạng - chuyển vị do đó tạo ra Sxx dọc trục và biến dạng cắt Sxz
(2) Điện trường E z ( ) p hướng z của mỗi lớp áp điện p th đối với lớp trên cùng và b đối với lớp dưới cùng được cho là không đổi
(3) trong đó V ( ) p biểu thị hiệu điện thế hoặc hiệu điện thế ở lớp áp điện thứ p
Phương trình cấu tạo một chiều cho một piezoelement được viết lại là
; ; xx xx z xx xz z xx z
(4) trong đó Txx và Txz là pháp tuyến dọc trục và ứng suất cắt, và Dz là dịch chuyển điện hướng z Các thuộc tính vật liệu trong Eq (4) được định nghĩa là
(5) trong đó s11 E và s55 E biểu thị sự phù hợp về độ giãn và độ cắt đàn hồi trong điện trường không đổi; d31 hằng số biến dạng áp điện; và 33 T ứng suất phép không đổi.
Với Eqs (1)- (4), tải trọng giãn Nx, mômen uốn Mx và lực cắt ngang Rx có thể được viết là
R T d d A (6c) trong đó z c ( ) biểu thị tọa độ tâm hướng z của lớp thứ p đối với trục trung hòa, tức là z=0, được xác định từ điều kiện c zd 11 z 0 (7)
Mỗi độ cứng A11, D11 và A55 trong Eq (6) được định nghĩa là
Thiết kế, chế tạo
4.2.1 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp
Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ hệ thống phun nhiên liệu (MacLachlan và cộng sự, 2004) để loại bỏ rung động trong đĩa ổ đĩa (Ma và Ang, 2000) Ngoài kích thước nhỏ gọn, chúng có khả năng dịch chuyển độ phân giải nanomet, có độ cứng cao, cung cấp băng thông hoạt động tuyệt vời và lực đầu ra cao (Devasia et al., 2007) Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp được lắp ráp bằng cách sử dụng nhiều lớp vật liệu áp điện được đặt nối tiếp và song song có dây như thể hiện trong Hình 1 Tín hiệu điện áp đặt vào, V, xác định xem bộ kích hoạt giãn nở hay co lại.
Hình 7 Thiết kế bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp.
4.2.2 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph
Thiết bị bimorph là một cấu hình phổ biến để thực hiện các chuyển vị uốn tương đối lớn với tải trọng thấp Bimorph hình chữ nhật có thể được lắp dưới dạng công xôn hoặc dầm đơn giản Bimorphs có thể được cấu hình dưới dạng chuỗi hoặc song song tùy thuộc vào hướng phân cực và trường hoạt động.
Hình 8 Thiết kế máy uốn cong birmorph áp điện điển hình
4.2.3 Bridge-Structured Actuators (Bộ truyền động có cấu trúc cầu)
Hình 9 Cấu tạo của cơ cấu chấp hành kết cấu cầu
Bộ truyền động moonie lần đầu tiên được đưa ra bởi Onitsuka và cộng sự vào năm 1995, và cấu trúc của nó bao gồm một tấm PZT và hai nắp kim loại Các cơ cấu truyền động đơn và xếp chồng đôi cũng đã được nghiên cứu Các dịch chuyển 22 và 40 àm được quan sỏt trong điện trường 1 kV mm 1 Cỏc bộ truyền động thậm chí có thể duy trì 2/3 lượng dịch chuyển dưới khối lượng tải 300 g Gần đây, Fujimura và cộng sự đã sử dụng một bộ truyền động moonie để điều khiển một máy chiếu laze có cấu trúc như trong hình trên Thu được một độ dịch chuyển cực đại cao tới 239,5 àm ở tần số cộng hưởng Hơn nữa, một số thiết bị truyền động có cấu trúc sửa đổi đã được đề xuất, ví dụ, thiết bị truyền động Cymbal, thiết bị truyền động Drum So với các giá trị dịch chuyển của cấu trúc moonie và cấu trúc moonie có rãnh, những cấu trúc này có thể tăng cường độ dịch chuyển đầu ra.
4.2.4 Flexure Hinge Actuators (Bộ truyền động bản lề mềm)
Một loại thiết bị truyền động khác có cấu trúc bản lề uốn được phát triển để tăng độ dịch chuyển cần thiết Thông thường, các bộ truyền động này có thể được phân loại thành (i) loại đòn bẩy và (ii) loại uốn cong cấu trúc như trong Hình 4A, 4B Trong các ứng dụng thực tế, hai cơ cấu làm việc này thường được kết hợp để có được hiệu suất truyền động cần thiết.
Một cấu trúc song song uốn cong 3-DOF và mẫu nguyên mẫu được thể hiện trong hình 4C, 4D Sự dịch chuyển đầu ra trong mỗi cấu trúc uốn được dẫn động với các ngăn xếp áp điện được khuếch đại bằng một đòn bẩy Cả độ phân giải cao trong phạm vi nanomet và khoảng cỏch di chuyển lớn gần 100 àm đều được quan sỏt thấy.
Trong hình, hai ngăn xếp PZT được sử dụng để điều khiển chuyển động của dầm kẹp đôi thông qua cấu trúc uốn theo cơ chế hình bình hành và đầu ra dịch chuyển từ bộ hiệu ứng cuối Kết quả thử nghiệm cho thấy giai đoạn này có khả năng tạo ra ≈15 àm theo hướng x và y với độ phõn giải ≈1 nm trong một hệ thống vòng kín.
Một cơ cấu chấp hành kẹp dây áp điện có cấu trúc như Hình 5B và các cơ cấu khuếch đại được trình bày trong hình 5C Đầu tiên các ngăn xếp áp điện được khuếch đại với cấu trúc cầu homothetic (đồng cảm) và sau đó là cấu trúc hình bình hành ở hai bên Với thiết kế phù hợp, tần số cộng hưởng làm việc là 895 Hz với tỷ lệ khuếch đại là 20,96, do đó, kẹp có khả năng phản hồi nhanh và độ phân giải cao Khi đặt điện áp bước lên các ngăn áp điện, độ phân giải tối thiểu của các hàm kẹp là ≈0,2 àm.
Điều khiển
4.3.1 Lý thuyết và phương pháp điều khiển bù trễ
Các đặc tính tuyệt vời của vi truyền động gốm áp điện giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của các cơ chế truyền động truyền thống Tuy nhiên, tính phi tuyến tính trễ vốn có của bộ truyền động gốm áp điện làm giảm độ chính xác chính xác của hệ thống, gây sốc hệ thống hoặc thậm chí dẫn đến mất ổn định hệ thống điều khiển Mặc dù điều chế điều khiển điện tích đã được chứng minh là một cách tốt hơn để triệt tiêu hiệu ứng phi tuyến trễ của bộ truyền động gốm áp điện, sự phức tạp trong thiết kế và chi phí cao của bộ khuếch đại điện tích hạn chế ứng dụng rộng rãi của chúng Phương pháp điều khiển điện áp vẫn là phương pháp phổ biến nhất để ứng dụng bộ truyền động gốm áp điện Mục đích của việc điều khiển chuyển động của bệ định vị micro/nano điều khiển bằng gốm áp điện là để tìm cách loại bỏ tác động phi tuyến tính của hiện tượng trễ đối với hiệu năng hệ thống.
4.3.2 Phương pháp điều khiển dựa trên mô hình trễ ngược
Ge và Jouanch đã cung cấp một nghịch đảo số dựa trên mô hình Preisach để tuyến tính hóa tính phi tuyến tính của độ trễ và một điều khiển vòng kín PID đã được thêm vào để cải thiện độ chính xác của việc theo dõi
Dựa trên cùng một dòng suy nghĩ, Song et al đã sử dụng mô hình Preisach truyền thống và bộ điều khiển độ trễ để bù đồng thời cho sự phi tuyến tính trễ của vòng tròn lớn và vòng tròn nhỏ Dựa trên mô hình Preisach, Croft et al đã cung cấp chiến lược điều khiển bù chuyển tiếp nguồn cấp dữ liệu tốt nhất và họ đã thêm điều khiển PD để cải thiện độ chính xác quét của bộ truyền động áp điện trong việc sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử tiếp theo.
Leang et al đã thông qua một chiến lược kiểm soát học tập lặp đi lặp lại để giải quyết vấn đề kiểm soát bồi thường nghịch đảo của mô hình Preisach Hu và Mrad đã cung cấp điều khiển bù chuyển tiếp dựa trên dạng đệ quy nghịch đảo của mô hình
Preisach Tan và Baras sử dụng phương pháp thích ứng để thiết lập một mô hình Preisach nghịch đảo.
Hình 7 Sơ đồ khối bù trễ ngược
Nói chung, rất khó để thiết lập mô hình Preisach nghịch đảo phân tích, mặc dù mô hình này được sử dụng rộng rãi để thiết lập mô hình nghịch đảo để bù độ trễ phi tuyến tính Mô hình Prandtl-Ishlinskii (P-I) có ưu điểm là mô hình nghịch đảo riêng nên ngày càng được ưa chuộng trong điều khiển trễ trễ Krejci và Kuhnen đã biểu thị biểu thức phân tích nghịch đảo của mô hình PI truyền thống, giúp giảm sai số theo dõi xuống một bậc độ lớn Kuhnen đã chèn một vùng chết toán tử vào mô hình PI truyền thống để mô tả tính phi tuyến trễ của sự bất đối xứng bằng cách loại bỏ ảnh hưởng của sự bất đối xứng lên hệ thống Dựa trên bộ điều khiển này, Shen đã thiết kế một bộ điều khiển hoạt dịch mới để cải thiện độ chính xác hơn nữa Sử dụng các loại hàm bao khác nhau, Al Janaideh đã suy ra dạng tổng quát của mô hình nghịch đảo P-I.
Cả mô hình Preisach và mô hình P-I đều phức tạp về mặt toán học nên chúng gặp nhiều vấn đề phức tạp trong quá trình tính toán và nhận dạng khi chúng được ứng dụng trong điều khiển nghịch đảo Tao và Kokotovic đã cố gắng khắc phục tính phi tuyến trễ bằng cách thiết lập bộ điều khiển tự thích ứng phân đoạn và tuyến tính hóa, sau đó tạo ra một bộ điều khiển tự thích ứng cho toàn bộ hệ thống nối tiếp
Rakotondrabe đã thiết kế một loại bộ điều khiển bù trễ ngược dựa trên kỹ thuật người quan sát Xu đã thiết lập một mô hình độ trễ nghịch đảo, sử dụng mô hình máy vectơ hỗ trợ để bù độ phi tuyến tính độ trễ của bộ truyền động áp điện, sau đó chứng minh rằng nó hiệu quả hơn mô hình Bouc-Wen và mô hình P-I thông qua các nghiên cứu thực nghiệm
Một cách tương đối, thật khó để có được mô hình nghịch đảo Ngoài ra, phương pháp điều khiển dựa trên mô hình trễ nghịch đảo rất đơn giản và trực quan, nhưng nó có nhiều nhược điểm, chẳng hạn như tính toán nặng nề và cấu trúc hệ thống phức tạp Vì vậy, gánh nặng tính toán là vấn đề chính trong loại phương pháp kiểm soát này
4.3.3 Phương pháp điều khiển không có mô hình trễ trễ ngược
Các nhà nghiên cứu đã cố gắng thiết kế một bộ điều khiển vòng kín để bù độ trễ phi tuyến một cách trực tiếp, nhằm thay thế phương pháp điều khiển bù trễ ngược Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi vì cấu trúc đơn giản của nó Tan đã đề xuất một kiểu học tập của bộ điều khiển PID và cố gắng tăng cường độ bền của hệ thống Mặt khác, có thể coi hạng mục trễ là một nhiễu có giới hạn và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính của trễ trong hệ thống bằng cách thiết kế bộ điều khiển bám phi tuyến dựa trên nguyên lý điều khiển trượt, v.v
Từ nghiên cứu sâu sắc trên mô hình giống Backlash, Su et al đã giải quyết vấn đề điều khiển mạnh mẽ của các hệ thống phi tuyến kích động giống như phản ứng dữ dội một cách sáng tạo, và sau đó đề xuất một sơ đồ điều khiển thích ứng mạnh mẽ để ổn định toàn bộ hệ thống bằng cách sử dụng mô hình PI Tuy nhiên, loại phương pháp điều khiển này có nhược điểm lớn là phụ thuộc quá nhiều vào yêu cầu của mô hình Hiện tại, chỉ một phần của mô hình có thể sử dụng phương pháp này Làm thế nào để mở rộng ứng dụng của loại phương pháp kiểm soát này là một chủ đề mới nổi.
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu về kiểm soát PEAs sử dụng cả lý thuyết kiểm soát cổ điển và lý thuyết kiểm soát hiện đại Về cơ bản, có một số loại phương pháp điều khiển phổ biến như sau.
Hình 8 Sơ đồ mô hình bộ truyền động áp điện. Đối với đầu vào V, đầu ra được cho bởi g[H(v)] Các dao động cấu trúc và một số sự phụ thuộc tốc độ biểu kiến trong hiệu ứng trễ được ghi lại trong mô hình tuyến tính g và tính phi tuyến tính của độ trễ H được ghi lại, ví dụ, bằng cách sử dụng mô hình trễ Preisach độc lập với tốc độ.
4.3.5 Điều khiển vòng hở của PEA
Sơ đồ điều khiển vòng hở thường được sử dụng trong các ứng dụng trong đó phản hồi vị trí khó thực hiện do các ràng buộc cơ học Như thể hiện trong hình, phương pháp điều khiển này có cấu trúc đơn giản và thuận tiện để thực hiện Tuy nhiên, nhược điểm của nó là rất rõ ràng, chẳng hạn như độ chính xác thấp và khả năng chống nhiễu yếu Điều nghiêm trọng hơn là phương pháp điều khiển này không thể phản ánh và giải quyết hiện tượng phi tuyến trễ Giải pháp tốt nhất cho vấn đề này bao gồm đưa phản hồi vào sơ đồ điều khiển, sẽ được thảo luận trong các phần sau.
4.3.6 Điều khiển phản hồi của PEA Điều khiển phản hồi là một loại điều khiển vòng kín điển Độ trễ và độ phi tuyến từ biến của PEA là các đặc tính vòng hở, vì vậy ảnh hưởng của chúng có thể được loại bỏ một cách hiệu quả bằng phương pháp vòng kín Hiện nay, các điều khiển vòng kín được sử dụng phổ biến là điều khiển PID và điều khiển PID thông minh Điều khiển phản hồi thay đổi giá trị riêng và véc tơ riêng của hệ thống, điều khiển cực di chuyển vào đúng vị trí mà chúng ta cần, sau đó cải thiện hiệu suất động và tĩnh của hệ thống Điều này dẫn đến việc loại bỏ tuyệt vời các hiệu ứng chưa biết bao gồm lỗi mô hình, tải trọng bên ngoài và thay đổi động lực học của PEA, cũng như cải thiện đáng kể hiệu suất kiểm soát vị trí Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi.
Hình 9 Sơ đồ điều khiển phản hồi, sử dụng động lực của bộ định vị được mô hình hóa
Vấn đề không thể tránh khỏi của loại hệ thống điều khiển vòng kín này là chúng có biên độ khuếch đại thấp, phần lớn là do mất pha nhanh gần đỉnh cộng hưởng đầu tiên trong đáp ứng tần số của PEA
4.3.7 Phản hồi với điều khiển feedforward
Tối ưu (Optimization)
Ở phần này, nhóm chỉ đề cập những bài báo liên quan đến bộ truyền động thông minh, chẳng hạn như gốm áp điện hoặc hợp kim bộ nhớ hình dạng, và không liên quan đến bộ truyền động chung hoặc thông thường Ngoài ra, chỉ những bài báo mô tả sự phát triển và/hoặc sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa chính thức mới được đưa vào Hơn nữa, các bài báo tối ưu hoá này nằm trong khoảng ba năm từ 1999 đến 2001.
4.4.1 Tối ưu hoá vị trí thiết bị phát động
Khối công việc lớn nhất liên quan đến tối ưu hóa cấu trúc thông minh có thể được phân loại là tối ưu vị trí thiết bị truyền động, trong đó các vị trí tối ưu của thiết bị truyền động được tìm thấy cho các cấu trúc được xác định trước Kích thước của bộ truyền động cũng có thể được tối ưu hóa trong các bài toán bố trí bộ truyền động, nhưng cấu trúc thụ động được giả định là có hình dạng và vật liệu xác định trước Hầu như tất cả công việc này đều tập trung vào vị trí tối ưu của các miếng vá bộ truyền động áp điện trên các cấu trúc đơn giản chẳng hạn như trên các tấm dầm hoặc tấm.
Bảng 2: Các bài báo đề cập đến vị trí bộ truyền động tối ưu Ở Suleman và Goncalves (1999), một số chức năng mục tiêu được xem xét đồng thời, chẳng hạn như tối đa hóa độ dịch chuyển tĩnh trung bình theo chiều dọc của chùm tia và giảm thiểu khối lượng của bộ truyền động và giảm thiểu điện áp truyền động Các biến thiết kế là tọa độ của các cặp bộ truyền động, kích thước của các miếng vá bộ truyền động hình chữ nhật và độ dày của các miếng vá bộ truyền động Các ràng buộc hình học được áp dụng để ngăn chặn sự chồng chất của các bộ truyền động và các bộ truyền động được đặt không đúng thứ tự Các giới hạn trên và dưới cũng được đặt trên các biến thiết kế
Nhiều mục tiêu được xử lý bằng cách sử dụng phương pháp lập trình vật lý
(Messac, 1996) Lập trình trong vật lý, nhà thiết kế chỉ định các ràng buộc cứng và ràng buộc mềm là rất mong muốn đến rất không mong muốn, do đó loại bỏ nhu cầu về các yếu tố trọng số trong tối ưu hóa đa mục tiêu.
Adali và cộng sự (2000) xem xét một vấn đề chùm trong đó độ lệch dọc tối đa của chùm nhiều lớp được giảm thiểu bằng cách sử dụng cặp thiết bị truyền động Khoảng cách của cặp bộ truyền động từ giá đỡ được coi là biến thiết kế Trong cách tiếp cận thiết kế mạnh mẽ của họ, tải trọng bên ngoài không được biết trước, nhưng thuộc về miền không chắc chắn được chỉ định Phương pháp giải chỉ được mô tả dưới dạng thuật toán tối ưu một chiều
Trong Aldraihem et al (2000) mục tiêu là tối đa hóa khả năng kiểm soát có trọng số của dầm được hỗ trợ đơn giản hoặc dầm đúc hẫng Các cặp miếng vá bộ truyền động áp điện được đặt sao cho chúng cung cấp khả năng điều khiển tối đa cho các chế độ có trọng số, trong đó trọng số trên các chế độ được xác định bằng cách xếp hạng đóng góp của chúng vào phản ứng tổng thể của hệ thống Như một cách để hạn chế độ dài của bộ truyền động, một hàm phạt được bao gồm trong hàm mục tiêu Các cặp miếng dán áp điện được cho là có độ dày và chiều rộng bằng nhau và có khả năng tự cảm nhận Khối lượng và độ cứng của các bộ truyền động được bao gồm trong mô hình động nhưng các lớp liên kết bị bỏ qua Phương pháp giải pháp chỉ được mô tả như một thủ tục lặp đi lặp lại.
Barboni và cộng sự (2000) xem xét vấn đề rung động chùm tia trong đó mục tiêu là tối đa hóa sự dịch chuyển được tạo ra bởi một cặp bộ truyền động Vị trí của bộ truyền động dọc theo chiều dài của chùm tia và bộ truyền động được lấy làm biến số thiết kế Vấn đề tối ưu hóa được giải quyết một cách phân tích bằng cách sử dụng giải pháp dạng khóa của các điều kiện tối ưu.
Bruant et al (2001) tối ưu hóa cả vị trí cảm biến và cơ cấu chấp hành, nhưng xem xét chúng một cách riêng biệt Đầu tiên, chiều dài và vị trí của bộ truyền động được tìm thấy bằng cách giảm thiểu tích phân năng lượng cơ học theo chủ đề, sau đó vị trí cảm biến được tìm thấy bằng cách tối đa hóa phép đo khả năng quan sát Grammian Các ví dụ về dầm công xôn và cấu trúc ba dầm được trình bày.
Một vấn đề về tấm được xem xét bởi Han và Lee (1999), trong đó Grammian có thể kiểm soát trạng thái ổn định được sử dụng như một cách để tối đa hóa các giá trị riêng Một thuật toán di truyền (GA) được sử dụng để tìm vị trí tối ưu của hai bộ truyền động từ một tập hợp 99 vùng hình chữ nhật có thể có trên đĩa Các vị trí tối ưu của hai cảm biến sau đó được tìm thấy trong giai đoạn thứ hai Một cách tiếp cận tương tự được thực hiện bởi Sadri et al (1999) trong đó các phép đo khả năng kiểm soát, khả năng kiểm soát phương thức hoặc khả năng kiểm soát Grammian, được tối đa hóa Một thuật toán di truyền được sử dụng để đặt hai bộ truyền động áp điện trên một tấm đẳng hướng được hỗ trợ đơn giản Kích thước tối ưu của bộ truyền động được xem xét riêng.
Các ứng dụng khác cho vị trí bộ truyền động tối ưu đã được xem xét như gương bề mặt sơ cấp hình cầu lục giác mỏng (Shen gand Kapania, 2001)
4.4.2 Tối ưu hoá vị trí thiết bị - bộ điều khiển
Trong phần này, các bài báo được thảo luận liên quan đến việc tối ưu hóa kết hợp vị trí bộ truyền động và các thông số của bộ điều khiển Nhiều bài báo trong số này giả định rằng các cảm biến được kết hợp với các bộ truyền động Các thông số của bộ điều khiển chẳng hạn như độ lợi phản hồi hoặc điện áp truyền động được tối ưu hóa đồng thời hoặc theo thứ tự với các vị trí của bộ truyền động Bài báo về vị trí bộ truyền động–bộ điều khiển được tóm tắt trong Bảng 3
Bảng 3: Các bài báo về vị trí bộ truyền động–bộ điều khiển
Các vấn đề về chùm tia được xem xét bởi cả Hiramotoet al (2000) và Zhan get al (2000) Zhan nhận được al (2000) xem xét vấn đề tối đa hóa năng lượng bị tiêu hao bởi bộ điều khiển tích cực bằng cách tối ưu hóa vị trí của bộ truyền động và cảm biến cũng như giá trị của độ lợi phản hồi Thuật toán di truyền mã hóa float được sử dụng để giải quyết vấn đề tối ưu hóa Các kết quả từ việc mô phỏng chùm tia đúc hẫng với các cảm biến và bộ truyền động được sắp xếp theo thứ tự được chứng minh là có thể so sánh được với kết quả đã công bố trước đó, với thời gian tính toán ít hơn đáng kể so với phương pháp cận Newton
Hiramoto et al (2000) đề xuất một phương pháp lặp đi lặp lại để thiết kế cả vị trí của các cảm biến và bộ truyền động được sắp xếp và bộ điều khiển Mục tiêu là cực tiểu hóa hàm truyền vòng kín với các tần số có trọng số Quy trình giải pháp bắt đầu với một tập ứng viên các vị trí bộ truyền động-cảm biến, sau đó tính toán một bộ điều khiển tối ưu và lặp lại cho đến khi tìm thấy vị trí tối ưu Một giải pháp rõ ràng của các phương trình Ricatti được sử dụng để chỉ ra rằng bộ điều khiển Hinf thu được, nhưng bộ điều khiển không được tối ưu hóa đồng thời Phương pháp gần như Newton, một phương pháp dựa trên gradient, được sử dụng để giải quyết bằng cách sử dụng một số điểm bắt đầu ngẫu nhiên.
Vấn đề tấm cũng được xem xét bởi một vài tác giả Gao et al (2000) xem xét vấn đề triệt tiêu rung động trong đó mục tiêu là giảm thiểu tổng công suất âm bức xạ hoặc thế năng âm Họ sử dụng vị trí của các miếng dán áp điện và điện áp kích hoạt làm biến số thiết kế Các tham số điều khiển tối ưu (điện áp) được tìm thấy bằng cách sử dụng phương pháp giảm thiểu thông thường cho hàm bậc hai và các vị trí của bộ truyền động được tìm thấy bằng cách sử dụng thuật toán di truyền với đa dạng miễn dịch GA với sự đa dạng miễn dịch được chứng minh là tạo ra các giải pháp tốt hơn so với thuật toán di truyền đơn giản
Lee và cộng sự (2001) giải quyết một vấn đề tương tự trong thiết kế kiểm soát âm thanh của một tấm hình chữ nhật được hỗ trợ đơn giản Một lưới phần tử hữu hạn của các bản vá bộ truyền động trên bề mặt trên và dưới của tấm được sử dụng Điện áp cho mỗi phần tử bộ truyền động được tối ưu hóa bằng cách sử dụng quy trình giảm thiểu truyền thống ga cho hàm bậc hai, có lẽ là phương pháp lập trình bậc hai (QP) Các bộ truyền động được đặt gián tiếp, nghĩa là nếu điện áp quá lớn hoặc quá nhỏ, bản vá sẽ bị xóa Tấm được tối ưu hóa được chứng minh là đã giảm công suất âm thanh ở một số chế độ
Kiểm soát rung động dựa trên khung máy bay trực thăng là trọng tâm của
Meterial
Hiện tượng áp điện trong vật liệu có thể là do tâm không đối xứng của cấu trúc tinh thể hoặc chuỗi phân tử, gây ra sự phân cực hoặc phân cực tự phát dưới một lực tác dụng Nói chung, vật liệu áp điện có thể được chia thành ba nhóm: gốm áp điện, đơn tinh thể và polyme
4.6.1 Các đơn tinh thể áp điện (Piezoelectric Single Crystals):
Các đơn tinh thể giãn áp điện thường có hệ số áp điện lớn và hệ số ghép cơ điện
Trong số tất cả các đơn tinh thể giãn áp điện, PMN PT , PZN PT PIN , PT và
KNN (vật liệu bán cứng) đã được nghiên cứu chuyên sâu trong suốt 20 năm qua.
Vật liệu PMN-PT có hằng số d 33 lớn trong khi PMN PT có hệ số phân cự và hệ số chế độ cắt cao Hệ thống PZN PT là một áp điện đơn tinh thể khác được nghiên cứu rộng rãi Tuy nhiên, PZN PT đơn tinh thể với kích thước lớn không dễ đạt được so với quy trình PMN PT vì chế phẩm không bền ở nhiệt độ cao và dễ bị phân hủy từ perovskite sang pha pyrochlore.
Bảng 1 Bảng hệ số ghép nối k 33 và hệ số áp điện d 33
Ngoài các tinh thể giãn điện, một số vật liệu áp điện khác cũng đáng được chú ý nhờ tính chất độc đáo của chúng chẳng hạn như K Na NbO , 3 KNN , LiNbO 3 , đơn tinh thể thạch anh,… KNNcó tiềm năng thay thế các vật liệu gốc PZTnhưng tính chất áp điện kém hơn.
4.6.2 Gốm áp điện (Piezoelectric Ceramics):
Gốm áp điện là tên gọi chung của gốm sắt điện với hiệu ứng áp điện thông qua việc xử lý phân cực của các tinh thể được tạo ra bằng cách trộn oxit (zirconia, oxit chì, oxit titan, v.v.) với phản ứng nung kết và rắn ở nhiệt độ cao Với đặc tính cơ học tốt và áp điện ổn định, gốm áp điện đã được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến, đầu dò siêu âm, thiết bị chuyển vị trí vi mô và các thành phần điện tử khác, v.v
4.6.2.1 Gốm áp điện mềm (Soft, Textured Ceramics):
Gốm áp điện mềm dùng để chỉ gốm có giá trị d 33 , kp và S ij tương đối cao nhưng giá trị Q m thấp và chúng cho thấy tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong thiết bị truyền động, cảm biến và bộ thu năng lượng không sinh nhiệt nhiều Một số gốm mềm nổi tiếng bao gồm gốm dựa trên PZT như PZT 5 A (gốm thương mại), gốm giãn
Pb Mg Nb O PbTiO PMN PT , Pb Zn( 1/3
Nb O PbTiO PbZrO và Pb Ni Nb 1/3 2/3 O 3 PbTiO 3 PbZrO 3 ,
PNN PZT PZT và gốm không chì Na K 1/ 2 1/2 NbO KNN 3 , BaTiO BT 3 ,
Gốm sứ giãn nở PMN PT đã được nghiên cứu rộng rãi do tính chất áp điện đáng chú ý của chúng Một số phương pháp đã được áp dụng để tăng cường các đặc tính của gốm sứ PMN PT , chẳng hạn như pha tạp với các nguyên tố, thêm các thành phần và sản xuất gốm có kết cấu Wang và cộng sự đã nghiên cứu việc đưa thành phần
Pb In Nb O vào hệ thống PMN PT và xác nhận ranh giới pha nhiệt đới hình thái (MPB) với các đặc tính tối ưu
Gốm áp điện có bộ giãn nở dựa trên PZN PZT và PNN PZT cũng đã được nghiên cứu rộng rãi Nhiệt độ pha khuếch tán của chế phẩm PZNcủa bộ giãn là khoảng
140 ° C Người ta nhận thấy rằng thành phần tối ưu 0,5 PZN 0,5 Pb Zr Ti 0,47 0,53 O 3 có các đặc tính d 33 430 pC N , 1
0,67, 27 kp Pr àC cm 250 2 và Tc C
Gốm áp điện không chì thu hút nhiều nhà nghiên cứu và các đặc tính của chúng đang tiến triển nhanh chóng và một số thậm chí có thể được so sánh với đồ gốm làm từ chì Trong số đó, KNN và BNT thu hút nhiều sự chú ý Kể từ khi Saito et al đã báo cáo một tính chất áp điện tuyệt vời là 416 pCN 1 trong gốm KNNcó kết cấu biến đổi Li-, Ta- và Sb-, nhiều nghiên cứu hơn về cấu trúc pha liên quan, nâng cao hiệu suất, và quy trình thiêu kết đã được báo cáo
4.6.2.2 Gốm áp điện cứng (Hard Ceramics):
Gốm cứng có đặc điểm là Q m (hệ số chất lượng cơ học) cao và tổn thất thấp cả về cơ và điện, do đó ứng dụng của chúng trong các tình huống công suất cao như đầu dò siêu âm, máy biến áp áp điện, động cơ áp điện, v.v Khi điện áp xoay chiều cao được áp dụng trên các thiết bị, tổn thất thấp và Q m cao có thể hạn chế sản lượng nhiệt không thuận lợi cho việc sử dụng trong thời gian dài do sự xuống cấp của các đặc tính cơ điện Do đó, gốm cứng với Q m cao có thể giảm tổn thất điện năng và sinh nhiệt.
Pb Mn Sb O PZT (PMS-PZT) và Pb Mn Nb 1/3 2/3 O 3 PZT (PMnN- PZT) là hai loại gốm áp điện cứng được sử dụng rộng rãi Chúng thể hiện tính chất gốm cứng điển hình với Q m > 1000 và tanδ 450 ° C Sau đó, Zhang và cộng sự đã cải thiện thêm các đặc tính (
33 460 d pC N , Tc = 450 ° C) trong vùng lân cận của MPB.
BiScO BiGaO PbTiO đơn tinh thể được chế tạo với sự mất mát điện môi 0,3% ở tần số thử nghiệm 1 kHz.
4.6.3 Vật liệu polyme áp điện (Piezoelectric Polymers):
Mặc dù tính áp điện của polyme áp điện không tốt bằng của hầu hết các tinh thể áp điện và gốm sứ, nhưng tính chất cơ học độc đáo góp phần mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu áp điện Ví dụ, tính linh hoạt tốt, mật độ thấp, trở kháng âm thanh thấp, hằng số điện môi nhỏ, độ bền điện môi cao, điện trường khử cực cao và dễ dàng xử lý làm cho các vật liệu này cạnh tranh với áp điện tinh thể và gốm sứ trong một số ứng dụng Trong khía cạnh sản xuất màng mỏng diện tích lớn và các thành phần áp điện có hình dạng linh hoạt và phức tạp, các tinh thể áp điện giòn, gốm áp điện không tốt bằng polyme áp điện Polyme áp điện chủ yếu bao gồm polyvinylidene fluoride (PVDF) và các chất đồng trùng hợp của nó, nylon, polytetrafluoroethylene và polymethylmethacrylate.
GIỚI THIỆU, PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẪU ACTUAATOR VÀ ỨNG DỤNG
Ultrasonic micromotor (vi động cơ siêu âm)
So với các kỹ thuật khác, truyền động siêu âm có nhiều điểm mạnh khác nhau Đây là cấu hình phẳng (độ dày nhỏ) và mô-men xoắn tương đối cao ở tốc độ thấp Mô- men xoắn gần 1μNmatNmat V rms , hoặc 0,3μNmatNmV rms −1 đã đạt được với rô-to cỡ milimet và PZT stator màng mỏng Điều này còn hơn cả những gì đã được chứng minh với các vi động cơ tĩnh điện (được chia tỷ lệ theo cùng kích thước động cơ) Tốc độ thấp (thường là 5 vòng/phút ở 2 V rms ) của các vi động cơ siêu âm đã loại bỏ nhu cầu về hộp số Những thứ này rất khó sản xuất ở kích thước dưới milimet và có xu hướng giảm mô-men xoắn đầu ra xuống 0 do các vấn đề ma sát chưa được giải quyết Trong một số ứng dụng chẳng hạn như cho đồng hồ đeo tay, cấu hình phẳng của vi động cơ siêu âm là một lợi thế bổ sung Động cơ vi mô siêu âm thực sự có một số tính năng rất hấp dẫn để chuyển ngày bánh xe của đồng hồ đeo tay: cấu hình phẳng hơn động cơ ngày nay, mô-men xoắn đủ cao (1μNmatN m) và điện áp cung cấp đủ thấp cho hoạt động của pin Nhược điểm của vi động cơ siêu âm nằm ở chỗ khớp nối giữa stato và rôto dựa trên lực ma sát và không có mối quan hệ cố định giữa kích thích stato và tốc độ đầu ra, như với động cơ bước Các hiện tượng trượt, trơn, dính phức tạp của ma sát tĩnh cũng như ma sát động có thể xảy ra Tuy nhiên, hầu hết các vấn đề có thể được giải quyết bằng quy định vòng kín dựa trên phát hiện vị trí góc.
Kết cấu lai của một micromotor vây đàn hồi Tấm wafer silicon upside-down, rôto di chuyển bên trong khoang được khắc Nguyên tắc hoạt động của các vây được thể hiện trong hình nhỏ.
Ví dụ được đưa ra ở đây đề cập đến các stator siêu âm được thiết kế cho một phiên bản lai của một vi động cơ ‘vây đàn hồi’, như được mô tả trong hình Loại động cơ này đã được chứng minh với PZT số lượng lớn và được Kurosawa et al đề xuất để giảm tỷ lệ Thuật ngữ 'hybrid' đề cập đến nguyên tắc chế tạo và có nghĩa là trong trường hợp này rôto được chế tạo và lắp ráp vào stato bằng các phương pháp cổ điển và chỉ có stato được tạo ra bằng kỹ thuật vi gia công silicon Stator này bao gồm một khung silicon giữ một màng silicon mỏng, được bao phủ bởi một màng mỏng PZT Cái sau dùng để kích thích các sóng uốn đứng trong màng Biên độ của dao động này tỷ lệ với e 31,f U, trong đó U là điện áp đặt vào, không phụ thuộc vào độ dày của màng mỏng áp điện Hệ số áp điện e 31 ,f
=e 31 SST được giới thiệu là một hệ số hiệu quả bằng cách lưu ý đến thực tế là màng có thể tự do thay đổi độ dày của nó, nhưng được kẹp trong mặt phẳng (thông thường e31 được xác định để kẹp theo mọi hướng: e 31 SST , xem bên dưới) Sự lệch hướng của màng được chuyển thành chuyển động quay nhờ một rôto chỉnh lưu, rôto này có các chân đàn hồi hoặc vây Điều chỉnh này hoạt động trên nguyên tắc như sau.
Khi màng di chuyển về phía vây đàn hồi, chúng bị nén và uốn cong Trong giai đoạn này, các vây không trượt do lực ma sát Vì vậy, rôto quay theo thứ tự để giải phóng lực nén Khi màng di chuyển ra khỏi các cánh (giải nén), lực ma sát là nhỏ nhất và các cánh lướt về phía trước, theo thân của rôto Rôto có đường kính 3,5 mm được cắt bằng laser từ một lá kim loại Góc nghiêng mong muốn của chân đã đạt được bằng cách đúc trong máy ép Một trục thép có đường kính 0,25 mm được kẹp vào rôto và được định tâm bởi một bánh xe định tâm nằm trên các miếng đệm Trên đỉnh của trục, một bánh xe được cố định đóng vai trò tải trọng để tăng ma sát và mômen quán tính cho các phép đo mômen xoắn Lực pháp tuyến giữa rôto và stato thay đổi theo trọng lượng trên bánh răng.
Màng của stato thu được bằng công nghệ vi gia công số lượng lớn silicon trong KOH nóng.
Vận tốc góc đo được của vi động cơ màng mỏng đàn hồi cho stato PZT (33 kHz, 1μm PZT 53/47) và stato μm PZT 53/47) và stato m PZT 53/47) và stato anAlN (38 kHz, 2μm AlN) Các điện áp phân cực dc μm PZT 53/47) và stato m AlN) Các điện áp phân cực dc khác nhau đã được áp dụng trong trường hợp stato PZT
Mô-men xoắn đầu ra tốc độ không của vi động cơ là một chức năng của lực bình thường
Lớp kép bù ứng suất của oxit nhiệt (SiO2) và LPCVD nitride (Si3N4) được sử dụng làm lớp che phủ Bước in thạch bản đầu tiên bao gồm việc mở lớp mặt nạ này bằng phương pháp ăn mòn khô (CF4) để xác định màng Điện cực đáy Pt/Ta và sự lắng đọng PZT được thực hiện như các bước tiếp theo Mẫu điện cực đỉnh Au/Cr hy sinh đóng vai trò là điểm dừng ăn mòn và lớp phủ bảo vệ PZT đã được lắng đọng và tạo mẫu Một màng mỏng silicon dioxide sau đó được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ (xem hình
Màng mỏng PZT dày A1μm PZT 53/47) và stato μm PZT 53/47) và stato m lắng đọng bởi kỹ thuật sol-gel lên màng điện cực đáy Pt/Ta (lớp dưới cùng là Si3N4, trên cùng là SiO2μm AlN) Các điện áp phân cực dc )
Sơ đồ cấu tạo và các bước chế tạo chính của stato có tiếp xúc điện cực đáy, điện cực trên và lớp SiO2μm AlN) Các điện áp phân cực dc điện môi thấp
Màng này làm giảm khả năng ký sinh của các dây dẫn và miếng tiếp xúc Silicon dioxide được tạo khuôn bằng phương pháp ăn mòn khô (CF4) để giải phóng các điểm tiếp xúc điện cực trên cùng Các tiếp điểm Au/Cr hy sinh là cần thiết trong bước này để tránh sự xuống cấp của bề mặt PZT, tức là sự hình thành của màng fluor hóa điện môi thấp Lớp hy sinh này đã được loại bỏ và hệ thống điện cực hoàn chỉnh, bao gồm dây dẫn và miếng đệm đã được lắng đọng.
Hệ thống điện cực (xem hình 5) được thiết kế quá tối ưu để kích thích chế độ rung hiệu quả nhấtB10 Chế độ này hiển thị một nút tròn Vòng cực đại hình vòng ngoài được đặt trùng với vị trí của vây Động cơ được chạy với một nguồn điện xoay chiều duy nhất trên điện cực hình khuyên hoặc với hai điện áp xoay chiều có độ lệch pha tương đối 180◦ đối với điện cực hình khuyên và điện cực trung tâm Với phiên bản thứ hai, hệ số khớp nối lớn hơn đạt được.
Hình 6 tốc độ so với điện áp xoay chiều được áp dụng được hiển thị cho stato PZT và AlN Việc áp dụng một độ lệch dc bổ sung làm tăng độ phân cực và hằng số áp điện, và do đó làm tăng tốc độ quay của động cơ Có một ngưỡng điện áp 0,5–1,0Vrmsdưới đây không đủ biên độ để bắt đầu quay Trên ngưỡng, tốc độ tăng tuyến tính với điện áp xoay chiều được áp dụng và do đó, biên độ lệch Mô-men xoắn ở tốc độ 0 bão hòa ở một mức nào đó, tùy thuộc vào lực pháp tuyến được áp dụng: ở mức 0,4–0,44μNmatN m với lực pháp tuyến 3–4Vrms và 230 mgf (2,3 mN); ở lực pháp tuyến 0,9μNmatNmat4Vrms và 670 mgf (6,7 mN) (xem hình 7) Các giá trị này tương đương với mô-men xoắn ma sát [67] đối với lực bình thường được áp dụng Mặc dù rất khó để mô tả chi tiết quá trình truyền lực bởi các vây đàn hồi, nhưng các thí nghiệm cho thấy mối quan hệ rất đơn giản giữa công suất đầu ra và công suất stator Trong dải tần số rộng (20–100 kHz), công suất đầu ra chỉ đơn giản là một phần không đổi của công suất stato Tần số được thay đổi thông qua việc làm mỏng dần độ dày của silic theo từng bước.
Công suất đầu ra của động cơ thường được đo bằng 1–2μNmatWV−1rms, độc lập với độ dày silicon. Điều này dành cho màng mỏng nhất (tức là silicon dày 15μNmatm) gấp 4×10−4 lần công suất phản kháng được cung cấp cho điện dung và do đó cũng nhỏ hơn công suất tổn thất điện môi (tanδ=0,03) Bình phương của hằng số khớp nối k2, xác định công suất cơ học trong stato, được xác định bằng các phép tính vào khoảng 2×10−3 Do đó, hiệu suất truyền giữa stato và rôto dường như khá nhỏ (20%) và hiệu suất tổng thể hóa ra là dưới 1%.
Infrared detector array (Mảng dò hồng ngoại)
Nhiệt điện là một trong những nguyên tắc hoạt động tốt nhất để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ Do đó, tinh thể và gốm số lượng lớn đã được sử dụng trong nhiều năm để chế tạo máy dò hồng ngoại nhiệt Chúng đã và vẫn đang được áp dụng để đo nhiệt độ không tiếp xúc, máy dò an ninh (báo động kẻ xâm nhập) và cảm biến sự hiện diện của con người Đối với các thiết bị bán dẫn, máy dò nhiệt có khả năng cạnh tranh trong khoảng bước sóng quan trọng từ 8–12μNmatm Điểm hấp dẫn đặc biệt của chúng nằm ở chỗ chúng không cần làm mát Máy dò nhiệt quá chậm để được sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại với gương quét Tuy nhiên, chúng đủ nhanh nếu mảng hai chiều (2D) có thể được thực hiện Trong trường hợp này, tốc độ đọc cho mỗi pixel giống với tốc độ khung hình (30–50 Hz) Các kỹ thuật gia công vi mô bề mặt kết hợp với sự lắng đọng màng mỏng của màng mỏng nhiệt điện cho phép thực hiện các mảng 2D như vậy, theo cách nguyên khối, trực tiếp trên chip đọc rad Trong nghiên cứu này tập trung vào một cấu trúc đơn giản hơn, một mảng tuyến tính 1×64 (hoặc 1×50) cho máy quang phổ hồng ngoại.
Với công suất nhiệt nhỏ (H), màng mỏng có lợi thế đáng kể so với các máy dò nhiệt điện khối Lý do là đáp ứng ở các tần số cao hơn hằng số thời gian nhiệt nghịch đảoH/G, trong đó G là độ dẫn nhiệt, tỷ lệ với 1/H Tuy nhiên, G phải đủ nhỏ để hằng số thời gian nhiệt nghịch đảo thực sự thấp hơn hoặc bằng với tần số hoạt động (thông thường là tần số bộ cắt) Để hoạt động ở vài chục hertz, độ dẫn nhiệt phải khá nhỏ để đạt được điều kiện này Do đó, vai trò của các kỹ thuật vi cơ silicon là cung cấp khả năng cách nhiệt tốt. Silicon là một chất dẫn nhiệt quá tốt và do đó là một loại màng gốm được chọn để mang các nguyên tố nhiệt điện Màng bao gồm một màng LPCVD Si3N4 phát triển trên oxit nhiệt (SiO2) Độ dày được chọn để bù cho các ứng suất cơ học của các màng này Vì những màng này cũng được phủ lên mặt sau của tấm mỏng được đánh bóng hai mặt, nên chúng cũng được dùng như một mặt nạ để khắc mặt sau trong KOH Điện cực đáy và màng nhiệt điện (PZT15/85) được lắng đọng tương ứng bằng phương pháp phún xạ và sol-gel Điện cực trên cùng được lắng đọng và tạo hoa văn bằng kỹ thuật nhấc lên trước khi lớp thạch anh được lắng đọng bằng phún xạ để giảm khả năng ký sinh bên dưới các miếng đệm tiếp xúc Cửa sổ để truy cập các điện cực trên cùng được mở bằng phương pháp khắc ion phản ứng CF4 Các phần tử PZT trên phần màng được ăn mòn tự do trong dung dịch HCl: F, chỉ để lại các cầu nối hẹp giữa các phần tử và phần silicon lớn, theo yêu cầu để tách phần dưới và phần dẫn trên Điện cực đáy bạch kim được loại bỏ giữa các phần tử bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Kỹ thuật ăn mòn này không tấn công vật liệu màng Sau khi lắng đọng và tạo khuôn cho các đường dây dẫn, miếng đệm (Au/Cr) và lớp hấp thụ (xem hình dưới)
Black platinum lắng đọng điện hóa học phát triển trên điện cực trên cùng Cr–Au trên ngăn xếp lớp PZT/Pt/Ta/Si3N4/SiO2 silicon được loại bỏ bên dưới các phần tử bằng cách ăn mòn mặt sau, như được xác định bởi một cửa sổ trong lớp nitrua mặt sau, để thu được kết quả như trong hình
Cấu trúc mặt cắt ngang điển hình của các phần tử nhiệt điện của một mảng tuyến tính trên một màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp vi cơ Các phần tử được tiếp xúc với đệm theo hướng khác với hướng nhìn thấy trong mặt cắt ngang này.
Các bộ tách sóng nhiệt vốn có nhu cầu hấp thụ bức xạ hồng ngoại Một tấm phim Black Platinum được sử dụng làm chất hấp thụ Black Platinum biểu hiện hình thái đuôi gai và phát triển ở một số mật độ và nồng độ dòng điện nhất định trong bể điện hóa.
Màng dày 0,9μNmatm với độ dẫn điện riêng là 2 Wm −1 K −1 giúp cách nhiệt khá tốt Màng mỏng PZT15/85 thường có hệ số nhiệt điện là 170μNmatCm −2 K −1 và hằng số điện môi tương đối là 220 Một dãy mảng đầu tiên có 12 phần tử gồm 0,36 mm2cho đáp ứng điện áp tốt ở
1 Hz của 800 VW −1 trong không khí và 3000 VW −1 trong chân không Các hằng số thời gian nhiệt khá dài là 28 ms trong không khí và 104 ms trong chân không đã thu được Sự dẫn nhiệt lớn hơn nhiều đối với hoạt động trong không khí là do sự truyền nhiệt trong không khí giữa màng và ổ cắm thiết bị (khoảng cách 0,4 mm) Ở tần số cao hơn, phép đo dòng điện được ưu tiên Ở 30 Hz, đáp ứng dòng điện lên tới 15–20μNmatAW −1 chỉ với những thay đổi nhỏ như là một hàm của áp suất không khí Nguyên nhân thứ hai là do trên hằng số thời gian nhiệt nghịch đảo, đáp ứng dòng điện được xác định bởi công suất nghịch nhiệt và không còn bởi tính dẫn nhiệt.
Các phần tử nhỏ hơn (0,125 mm2) của các mảng lớn hơn cho thấy đáp ứng điện áp nhỏ hơn ở tần số thấp (460 V W−1) Phản hồi hiện tại (16μNmatAW−1) gần như giống nhau Phát hiện hiện tại ở tần số chopper 10 Hz được chọn làm chế độ hoạt động cho máy quang phổ khí Nguồn IR là một dây tóc nóng đơn giản Phép đo quang phổ hấp thụ đối với CO2 và CO đã được chứng minh, xem hình 11 Công suất tương đương với độ ồn thấp 1 nW Hz−1/2 cho phép phát hiện một vài ppm CO2, với điều kiện là thiết bị điện tử không làm tăng mức độ nhiễu.
Hình 1μm PZT 53/47) và stato 1μm PZT 53/47) và stato Phổ hấp thụ CO2μm AlN) Các điện áp phân cực dc được đo bằng dãy nhiệt điện màng mỏng (Từ đường cong dưới cùng, 350 ppm đến đường cong trên cùng, 31μm PZT 53/47) và stato ppm.)
CHƯƠNG 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] KK Sappati, S Bhadra, “Piezoelectric polymer and paper substrates: a review,” 2018
[2] Z Li, L Zhao, X Yu, “A novel stick-slip piezoelectric actuator based on two- stage flexible hinge structure,” 2020
[3] TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, “Design, analysis, and experimental investigation of a single-stage and low parasitic motion piezoelectric actuated microgripper,” 2020
[4] S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, “Development of a two-DOF inertial rotary motor using a piezoelectric actuator constructed on four bimorphs,” 2021.
[5] Z Xu, H Huang, J Dong, “A stick-slip piezoelectric actuator with measurable contact force,” 2020
[6] X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, “Piezoelectric actuators and motors: materials, designs, and applications,” 2020
[7] Digvijay S Raghunvanshi, Steven I Moore, Andrew John Fleming, Yuen Kuan Yong, "Electrode Configurations for Piezoelectric Tube Actuators With Improved Scan Range and Reduced Cross-Coupling," 2020.
[8] S M Afonin, "Structural-Parametric Model of Electromagnetoelastic
[9] K Srinivasa Rao, Md Hamza1, P Ashok Kumar1, K Girija Sravani,
“Design and optimization of MEMS based piezoelectric actuator for drug delivery systems,” 2019
[10] Jingnan Cai, Fangxin Chen, Lining Sun, Wei Dong, “Design of a Linear Walking Stage based on Two Types of Piezoelectric Actuators”, 2021.
[11] Jiafeng Yao, Junjie Cai, Yili Hu, Jianming Wen, Nen Wan, Hao Wang, and Jianping Li, “An Umbrella-Shaped Linear Piezoelectric Actuator Based on Stick- Slip Motion Principle”, 2019.
[12] Ahsan Ali, Riffat Asim Pasha, Hassan Elahi, “Investigation of Deformation in Bimorph Piezoelectric Actuator: Analytical, Numerical and Experimental