Обратният пиезоефект
В тема 2 натискахме кристал и той даваше заряд – прав пиезоефект (Пиер и Жак Кюри, 1880). Обратното също важи: електрично поле деформира кристала. Деформацията е линейна: ε = d₃₃·E. Индексите показват осите (3 е посоката на поляризацията, 1 и 2 – напречните, 4–6 – срязване). Първият индекс е оста на възбуждане, вторият – на деформацията. Ефектът го имат само кристали без център на симетрия.
| Материал | Пример | Особеност |
|---|---|---|
| монокристали | кварц SiO₂, LiNbO₃, LiTaO₃ | кварцът е много стабилен – резонатори и осцилатори |
| пиезокерамики | PZT (PbTiO₃ + PbZrO₃), BaTiO₃ | най-силният ефект; поляризират се с поле при производството |
| пиезополимери | PVDF | гъвкави, тънки (< 10 μm), всякаква форма |
Един слой PZT с d₃₃ ≈ 500 pm/V при 150 V се удължава с 75 nm. За да има повече ход, слоевете се редят в стек: n тънки пластинки с общи електроди, напрежението е на всяка, а удълженията се събират. Тук стекът е от 100 слоя, а напрежението е 100 V. Стекът е удължен с 4,5 μm, ако идваме отдолу, и с 5,5 μm, ако идваме отгоре.
Ходът при качване и сваляне на напрежението
идеално (n·d₃₃·U) нагоре надолу
При 150 V целият стек дава само 7,5 μm, колкото една десета от косъм. Но е с нанометрова точност, сила до хиляди нютони и реакция за микросекунди. Нагоре и надолу кривите се разминават: това е хистерезис, тук до ~15 % от хода. При едно и също напрежение позицията зависи от пътя. Затова за прецизно позициониране стекът е в затворен контур със сензор за положение или се управлява със заряд вместо с напрежение.
Видовете актуатори
| Вид | Особеност |
|---|---|
| многослоен стек | голяма сила, малък ход; прецизно позициониране, stick-slip, сканиране |
| биморф / униморф | единият слой се свива, другият се разширява и пластинката се огъва: много по-голям ход, но по-малка сила |
| пръстеновиден | многослоен с отвор – за лъч или ос |
| тръбен | аксиално или радиално изместване – сканираща микроскопия, микродозиране |
| пластинчат / монолитен | удължение и ултразвукови вибрации |
Предимства:
- нанометрова точност и реакция за μs;
- голяма сила, от N до стотици N;
- работи от DC до MHz;
- компактни, от 0 K до 200 °C и във вакуум;
- без прах, смазване и износване, без влияние от магнитни полета, с ниска консумация.
Недостатъци: малък ход, нужно високо напрежение (десетки–стотици V), температурна чувствителност, хистерезис и чупливост.
Пиезо актуаторите са в звуковите излъчватели, инжекторите, 3D и мастиленоструйните принтери, ултразвуковите мотори, вентилите, помпите и нанопозиционирането.
Stick-slip: дълъг път от къси стъпки
Как микрометров стек мести шейна на сантиметри? С инерция и триене. Стекът се удължава бавно и шейната се вози на него, защото триенето я държи: stick. После се свива рязко. Шейната по инерция не успява да го последва и се приплъзва: slip. Остава почти там, докъдето е стигнала. Всеки цикъл е стъпка от няколко микрометра, а хиляда цикъла в секунда са милиметри.
Стекът прави 12 цикъла по 5 μm, а при приплъзването шейната задържа 0,85 от хода. Изминала е 51 μm.
Стекът (трион) и шейната (стълба)
стекът шейната
Синият трион е стекът: расте бавно, пада рязко. Зелената стълба е шейната. Тя се качва заедно със стека и после остава на мястото си. При 100 % задържане (идеално приплъзване) всеки цикъл дава цели 5 μm. Ако триенето е твърде силно и шейната се връща със стека, стъпките изчезват. С обърнат трион (бързо нагоре, бавно надолу) шейната ходи назад.
Самопроверка
1. Стек от 200 слоя PZT (d₃₃ = 500 pm/V) при 100 V – какъв е ходът?
ΔL = n·d₃₃·U = 200 · 500·10⁻¹² · 100 = 10 μm.
2. Каква е разликата между стек и биморф?
Стекът – голяма сила, малък ход (слоевете се удължават последователно); биморфът – два слоя, единият се свива, другият се разширява и пластинката се огъва: голям ход, малка сила.
3. Защо пиезо актуаторите се управляват в затворен контур?
Имат хистерезис (и пълзене) – при едно и също напрежение позицията зависи от предишния път; сензорът за положение го коригира.
4. Как работи stick-slip?
Бавно удължаване – шейната се движи със стека (триене); рязко свиване – шейната по инерция се приплъзва и остава. Повтаряно, дава голям ход от малки стъпки.