LITERATURE REVIEW : PIEZOELECTRIC ACTUATOR
4.4. Bộ kích hoạt ống áp điện
Bán kính ngồi và bán kính trong lần lượt là Ro và Ri. Góc θ được đo từ trục X. Tọa độ của tâm x
và y
so với Oo là:
Hình 29 Mặt cắt ngang bộ kích hoạt ống áp điện
(3.12)
(3.13) Với:
(3.14) (3.15) Kết quả được đưa ra là
(3.16) (3.17) (3.18) (3.19) Ta có: (3.20) Với: (3.21) Và: (3.22) (3.23) (Osamah M. El Rifai, and Kamal Youcef-Toumi, 2004 ) Chuyển vị u3p (z, t) có thể được tìm thấy bằng Fourier nghịch đảo
biến đổi được đưa ra bởi:
MƠ HÌNH HĨA BỘ VI ÁP ĐIỆN
5.1. Mơ hình hóa bộ thiết bị truyền động ngăn xếp. 5.1.1. Các mơ hình thiết bị truyền động ngăn xếp.
Mơ hình tham số gộp phi tuyến.
Mơ hình này xem xét hai miền như được thể hiện trong hình bên dưới gồm điện và cơ. Điện áp đầu vào đặt vào thiết bị truyền động, được ký hiệu là
h, phần tử điện áp quá trễ thiết bị truyền động.
phận cơ khí được mơ có khối lượng , độ cứng
pie zoce ramics và ngoại lực lầ n l ượt được ký hiệ u là
điện tích trong
ta có thể viết lại mơ hình thành các phương trình tốn học:
Hình 30 Mơ hình tham số gộp phi tuyến
Mơ hình đồ thị trái phiếu, được phát minh bởi H. Paynter vào cuối năm 50 tại MIT là một kỹ thuật mơ hình đồ họa, tập trung vào dịng điện trong hệ thống, có thể thơng qua các miền khác nhau. Có ba miền được xem xét trong mơ hình đồ thị liên kết chung của Rodriguez – Fortun. Các miền điện và cơ học vĩ mô được nối với nhau thông qua miền 'phân cực'. Để mô hình hóa bộ truyền động ngăn xếp, chúng ta có thể giả định rằng tất cả các lớp mà nó bao gồm có các đặc tính giống nhau và do đó chúng ta có thể xem xét mơ hình của lớp áp điện được mơ tả trong Hình 5.2 để đại diện cho
toàn bộ ngăn xếp áp điện. Các phần tử tích lũy năng lượng hợp thành một được ký hiệu là nl.
l ũy nă ng lượ ng phi t uyế n giữa các miề n điệ n và cơ học
c đại diện cho sự kết hợp tích của vật liệu piezo
Đồ thị bond dựa trên mơ hình này được thể hiện trong Hình 5.3. Các mũi tên nhỏ ở cuối mỗi liên kết điện cho biết hướng của dòng điện dương. Năng lượng của mỗi liên kết được cho bằng tích của hai đại lượng được hiển thị bên cạnh liên kết. Ví dụ trong miền điện, cơng suất là sản phẩm của điện áp và dịng điện, trong miền cơ học, nó là sản phẩm của lực và vận tốc. Các nét nhỏ vng góc với một liên kết biểu thị quan hệ nhân quả, tức là đại lượng nào trong hai đại lượng là đầu vào và đại lượng nào là đầu ra. Có hai yếu tố tích lũy năng lượng - cân bằng và cân bằng. Quán tính đại diện cho khối lượng trong cơ học và điện cảm trong hệ thống điện. Sự phù hợp thể hiện sự tương hỗ giữa độ cứng của lò xo trong cơ năng và điện dung trong hệ thống điện. Tuân thủ nl được đặt trong 'miền phân cực'.
Mơ đun của nó được xác định:
Trong đó là lưỡng cực điện và là điện trường
Chúng ta hãy nhìn vào biểu đồ trái phiếu từ phía bên trái và đi theo hướng của dịng điện dương. Điện áp đầu vào in giảm đi bởi điện trở đầu vào e được biến đổi thành
điện trường cực điện
biến áp lý tưởng, công suất của cả hai bên được bảo toàn. Các ngoại lực khối lượng
đồ thị liên
kế t tạo thành mộ t hệ t hống giảm c hấn massspri ng với đầu ra l ực
biến đổi bởi một máy biến áp lý tưởng được lưu trữ theo tuân thủ nl, bao piezoceramics và mơ hình
Chúng ta có thể viết lại nó thành các phương trình tốn học sau:
Trong đó biểu thị dịng điện, ℓ là chiều dài của ngăn xếp và là hằng số cơ điện. Một mơ hình khơng gian trạng thái có thể được rút ra trực tiếp từ đồ thị liên kết:
5.1.2. Mơ hình hiện tượng trễ (Hysteresis models). Mơ hình Prandtl–Ishlinskii
trong đó biểu thị đầu vào và số là
thời gian và là bước thời gian rời rạc. Chúng ta có thể thu được mơ hình
số với độ rộng toán tử khác nhau . Đầu ra của các tốn tử có trọng số bằng nhau và chiều rộng khác nhau được vẽ trong Hình 5.5.
Prandtl – Ishlinskii bằng cách tính tổng kết quả đầu ra của một số tốn tử có trọng Mơ hình Al Janaideh’s Prandtl–Ishlinskii
Mơ hình khơng phụ thuộc vào tỷ lệ được trình bày trên các dòng sau đây là sự kết hợp của một số mơ hình do O. Al Janaideh thực hiện và được xuất bản trong các bài báo trên tạp chí. Mơ hình từ trễ đối xứng này được xác định bằng phương trình:
trong đó là một hàm bao của các tốn tử và Θ là một hàm mật độ. Tơi đã chọn độ rộng của các toán tử dấu gạch chéo ngược đều với khoảng :
và các chức năng bao và mật độ là:
, }, chúng tơi muốn tìm các tham số Ωopt như vậy tạo ra sai số (Ω) giữa Số lượng tốn tử
chính xác và chi đo
Mơ hình Ang’s Prandtl–Ishlinskii
Mơ hình Prandtl – Ishlinskii độc lập về tỷ lệ sau đây, dựa trên bài báo trên tạp chí 45
được viết bởi Ang , sử dụng hai tốn tử. Để cho phép mơ hình hóa độ trễ khơng đối xứng, các toán tử vùng chết một mặt được sử dụng cùng với các toán tử phản ứng dữ dội được xác định bởi
Tốn tử vùng chết một phía được xác định:
trong đó là đầu vào và là chiều rộng tốn tử. Tốn tử này được mơ tả trong Hình 5.6.
Hình 32 Tốn tử vùng chết một phía
Mơ hình Ang’s Prandtl–Ishlinskii được xác định:
Trong đó
là vector trọng số của tốn tử phản ứng dữ dội. Vectơ của toán tử backlash được xác định trong đó là số lượng tốn tử phản ứng dữ dội được sử dụng và
Vectơ của các toán tử vùng chết một phía và vectơ trọng số của nó được xác định
Cả độ rộng của toán tử dấu gạch chéo ngược và độ rộng của toán tử vùng chết đều được chọn cách đều nhau, nhưng chỉ giữa 1,. . . , cho cái sau. Mơ hình được xác định tương tự như Al
Của Janaideh. Một bộ thông số Ω bao gồm:
trong đó là khoảng giữa các độ rộng của các toán tử vùng chết. Lưu ý ở đây rằng phản ứng dữ dội
khoảng độ rộng của toán tử khơng được bao gồm. Chiều rộng tốn tử thứ được đặt bằng một nửa của
phạm vi đầu vào và do đó khoảng thời gian được xác định bằng cách chia giá trị này cho số
toán tử phản ứng dữ dội
bị truyền
Trong đó ( ( )) là đầu ra của mơ hình được mơ phỏng và
CASE STUDY
I,Design and optimization of MEMS based piezoelectric actuator for drug delivery systems (Thiết kế và tối ưu hóa
bộ truyền động áp điện dựa trên MEMS cho hệ thống phân phối thuốc)
1 Giới thiệu về hệ thống
Hệ thống phân phối thuốc là các thiết bị nhằm mục đích đưa thuốc vào một điểm cụ thể của cơ thể bệnh nhân. Đây là những điều cần thiết để cung cấp một lượng thuốc được yêu cầu, điều trị tốt hơn, quản lý và tiến bộ trong điều kiện y tế. Sự tiến bộ trong công nghệ MEMS đã mở đường cho ứng dụng của nó trong lĩnh vực y tế. Một ứng dụng chính như vậy là bơm vi mơ của hệ thống phân phối thuốc liên quan đến nguyên lý vi chất lỏng.
Micumpump là thiết bị thịnh hành cho các ứng dụng y tế trong công nghệ MEMS. Bộ truyền động trong bộ vi xử lý có ý nghĩa hơn đối với việc nó gọi thuốc thơng qua cơ chế tác động của nó tạo ra áp suất trong buồng và làm cho thuốc giải phóng khỏi các kim siêu nhỏ. Micropump hoạt động và kiểm soát chất lỏng trong phạm vi micromet. Ưu điểm của Micropump là liều lượng chính xác.
2 Cấu tạo hệ thống
Một micropump cho mục đích phân phối thuốc bao gồm buồng, bộ truyền động, bộ khuếch tán và một loạt các kim siêu nhỏ như được mơ tả trong hình dưới.
Hình 33 Thiết kế đề xuất của bộ micropump[9]
Thiết kế được đề xuất bao gồm hai khoang, trong đó thuốc được duy trì. Thuốc được đưa vào buồng 1 thơng qua đầu vào và sau đó nó được đưa đến buồng 2 bằng cách sử dụng kỹ thuật tác động áp điện trên thiết bị truyền động được đặt trên các buồng.
Thuốc được đưa vào buồng 2 qua bộ khuếch tán. Hoạt động của bộ vi khuếch đại chủ yếu phụ thuộc vào bộ truyền động. Khi điện áp được đặt trên thiết bị truyền động áp điện được đặt trên buồng 1, nó sẽ bị dịch chuyển và uốn cong xuống dưới. Điều này tạo ra áp suất trong khoang đẩy thuốc vào khoang 2 thông qua bộ khuếch tán được kết nối với nhau. Tương tự, bộ truyền động có mặt trên đỉnh của buồng 2 cũng được cung cấp bởi điện áp gây ra sự lệch hướng trong đó và làm cho thuốc đi vào một dãy các kim siêu nhỏ được kết nối với nó. Do đó, thuốc được đưa vào cơ thể bệnh nhân thơng qua các kim siêu nhỏ này với số lượng cần thiết và không gây đau đớn.
2.1 Cơ cấu chấp hành được đề xuất
Bộ truyền động là trái tim của micropump. Kỹ thuật truyền động được sử dụng ở đây là kỹ thuật truyền động áp điện.
Có nhiều kỹ thuật truyền động khác nhau cho các thiết bị MEMS (tĩnh điện, áp điện, quang nhiệt, từ, từ động và truyền động hóa học) . Trong bộ truyền động áp điện, bộ truyền động áp điện bị dịch chuyển theo phương điện tử. Bằng cách này, lực cao có thể đạt được ở điện áp thấp hơn khi kích hoạt từ tính là một q trình phức tạp. Kích hoạt nhiệt thường được sử dụng để kích hoạt nhiệt hai chiều đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và cũng nhạy cảm với nhiệt độ. Kỹ thuật điện trở Piezo khơng thể hịa hợp với những thay đổi nhiệt độ của cơ thể bệnh nhân. Trong tất cả, truyền động áp điện là kỹ thuật phù hợp nhất cho các thiết bị y tế sinh học.
2.2 Nguyên Lý hoạt động
Bộ truyền động được đặt trên cả hai khoang của hệ thống tư thế chuyên nghiệp. Nó bao gồm một màng ngăn và một lớp áp điện. Một lớp mỏng của vật liệu áp điện được đặt trên một màng ngăn tạo thành một bộ truyền động áp điện như thể hiện trong hình 34
Hình 34 sơ đồ của bộ truyền áp điện[9]
Khi điện thế được đặt lên bề mặt trên của lớp áp điện, nó sẽ bị biến dạng làm cho lớp liên kết của màng ngăn bị lệch xuống phường. Điều này tạo ra áp suất bên trong buồng chứa thuốc. Áp suất phát triển làm cho thuốc chảy từ buồng 1 sang buồng 2 qua bộ khuếch tán.
Tương tự như vậy, một thiết bị truyền động áp điện khác được đặt trên buồng 2. Việc áp dụng điện áp làm cho thuốc đi vào dãy các kim siêu nhỏ được kết nối với nó. Điều này đánh dấu việc đưa thuốc vào cơ thể bệnh nhân một cách hiệu quả (Hình 35).
Hình 35 mặt bên của bộ tryền động[9]
Cơ cấu chấp hành khơng chỉ được coi là hình trịn mà cịn có dạng hình chữ nhật như trong Hình 0.5. Cơ cấu chấp hành hình chữ nhật được đặt trên khoang hình chữ nhật trong khi hình trịn trên được đặt trên khoang hình trịn.
Hình 36 cơ cấu áp điện hình chữ nhật[9]
Độ dày của màng áp điện phải mỏng để độ dịch chuyển là lớn nhất. Tỷ lệ độ dày của lớp áp điện và màng ngăn ảnh hưởng đến tỷ lệ độ dày. Tỷ lệ độ dày phải là tối thiểu để độ võng là lớn nhất. Bảng 1 và 2 minh họa kích thước của bộ truyền động áp điện cho cả bộ truyền động hình trịn và hình chữ nhật.
20 20 20 20
Bảng 1 kích thước của bộ truyền động hình trịn[9]
Độ dày màng ngăn µm 50
50 50 50
Bảng 2 kích thước của bộ truyền động hình chữ nhật[9] 2.3 Phương trình tốn học
Sự dịch chuyển của cơ cấu chấp hành áp điện bao gồm hai lớp, màng ngăn và lớp áp điện có thể được ước tính về mặt lý thuyết với Eq
Trong đó
E
Ct=s11
t dp= tp , t plà độ dày của lớp áp điện,t d :là độ dày lớp màng ngăn t d
u p :là hệ số poisson của lớp áp điện
ud :là hệ số poisson của lớp màng ngăn
Vp là điện áp trên lớp áp điện
d33là hằng số điện tích của lớp áp điện r plà bán kính của lớp màng ngăn
Hiệu ứng áp điện đối nghịch được đưa ra trong phương trình.
Hình 37 biểu diễn sơ đồ của hiệu ứng áp điện ngược[9]
2.4 Lựa chọn vật liệu
Việc lựa chọn vật liệu cho bộ truyền động đóng một vai trị quan trọng trong việc kích hoạt bộ truyền động điện áp. Thơng thường, vật liệu PZT (chì zirconate titanate) được sử dụng để gây ra biến dạng trong bộ truyền động. Tuy nhiên thành phần chính của vật liệu PZT là chì là chất độc hại và khơng thích hợp trong hoạt động y tế. Vì vậy ta cần tìm các các giải pháp thay thế cho vật liệu ZPT. Bari titanate, Lithium niobate, Polyvinylidene fluoride, gốm sứ KNN là những vật liệu phù hợp khơng chứa chì và là vật liệu áp điện vơ hại
Hình 38 tính chất của gốm áp điện và gốm thay thế.[9]
Vì Bari titanate có hằng số điện mơi và hằng số điện tích áp điện cao hơn so với các loại gốm sứ khác ngoài vật liệu PZT. Do đó, bari titanat được coi là lớp áp điện của thiết bị truyền động. Đối với đường kính của thiết bị truyền động, vật liệu PDMS (polydimethylsiloxan) được xem xét. PDMS là một polyme thường được sử dụng trong
các thiết bị vi lỏng. Nó cũng đơn giản trong q trình chế tạo các thiết bị Microfluidic vì các phẩm chất của nó như tính tương thích sinh học, khơng độc, khơng cháy, tính trơ với hóa chất, khả năng xun quang. Nó phù hợp với các loại thuốc, dung mơi hữu cơ. Ưu điểm chính của PDMS là khả năng liên kết với các vật liệu khác và không gây độc cho tế bào.
3 kết quả và thảo luận
3.1 Phân tích về tần số
Phương thức phân tích tần số là cần thiết để xem xét giới hạn phản hồi của bất kỳ thiết bị nào. Nó phân tích độ dịch chuyển lớn nhất và nhỏ nhất, sự biến dạng đối với một điện áp đầu vào nhất định
Điều này được thực hiện trong công cụ COMSOL MULTYPHYSICS. Kết quả theo phương thức phân tích tần số cho bộ truyền động áp điện hình trịn và hình chữ nhật là :
- Bộ truyền động trịn với các độ dày 0.1 µm, 0.2 µm, 0.3 µm, 0.4 µm trải qua độ lệch ở tần số 60 Hz, 82 Hz, 92 Hz,102 Hz
- Bộ truyền động chữ nhật với các độ dày 0.6 µm, 0.8 µm, 1.0 µm, 1.2 µm trải qua độ lệch ở tần số 60Hz, 82Hz,92Hz,102Hz
Kết quả này được ghi lại trong bảng và hình dưới:
Hình dạng
Bộ truyền động hình trịn
Bộ chuyển động hình chữ nhật
Hình 39 phân tích theo phương thức tần số của bộ truyền động trịn. Tần số A 60Hz. B
Hình 40 Phân tích theo phương thức tần số của bộ truyền động hình chữ nhật. a 5Hz,b
30Hz, c 12Hz, d 34Hz,e 25Hz,f 45Hz[9] 3.2 MFS: Yếu tố tin cậy
Bất cứ khi nào một thiết bị được thiết kế, trước khi chế tạo, điều cần thiết là phải kiểm tra độ tin cậy của thiết bị đó. Điều này có thể được xác thực bằng cách phân tích hệ số an tồn tối thiểu của các cơ cấu chấp hành. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa sức bền của vật liệu và ứng suất lớn nhất trong bộ phận.Hệ số an toàn cao hơn 1 thì cơ cấu là an