Многослойные пьезоактуаторы (стекеры): устройство, типы и применение в промышленности

Пьезоэлектрические стекеры — наиболее распространенный тип пьезоприводов, применяемый в самых разных областях техники. Однако у многих инженеров и технических специалистов до сих пор нет полного понимания того, как правильно использовать и эксплуатировать эти устройства. Эта статья подробно расскажет о том, что такое многослойные пьезоактуаторы, как они устроены, где применяются и какие меры предосторожности необходимо соблюдать для их надежной и долговечной работы.

1. Что такое пьезостекеры (многослойная пьезокерамика)?

Пьезоэлектрические стекеры — это многослойные актуаторы, изготовленные из пьезокерамических материалов и преобразующие электрическую энергию в механическое перемещение. Они работают на основе обратного пьезоэффекта: под действием приложенного напряжения пьезоэлемент генерирует механическое перемещение, величина которого зависит от напряжения. Многослойные пьезостекеры формируются путем соединения пьезокерамических подложек по технологии совместного обжига. Толщина одного слоя пьезокерамической подложки составляет около 100 мкм. Пьезокерамика, изготовленная по этому технологическому процессу, способна выдерживать высокие нагрузки, обладает высокой жесткостью, но имеет ограниченную прочность на растяжение. Структурная особенность пьезостекеров заключается в том, что электроды питания расположены с обеих сторон керамической пластины. Это позволяет задействовать в генерации перемещения всю площадь поперечного сечения керамики, что обеспечивает: высокую выходную мощность; превосходные эксплуатационные характеристики; отсутствие локальных деформаций электрического поля; низкую чувствительность к точечным нагрузкам.

2. Классификация пьезостекеров по напряжению

В зависимости от рабочего напряжения пьезоэлектрические стекеры делятся на два типа: низковольтные и высоковольтные. Технологии производства этих двух типов керамики принципиально различаются.

3. Низковольтные пьезостекеры (до 150 В)

Диапазон рабочих напряжений — 0–150 В. При изготовлении керамический слой и внутренний металлический слой электрода укладываются вместе перед высокотемпературным спеканием. Внутренний электрод представляет собой очень тонкую металлическую пленку (толщиной около 1 мкм). Этот производственный процесс обычно называют «технологией монолитного совместного обжига».

4. Высоковольтные пьезостекеры (до 1000 В)

Диапазон рабочих напряжений — 0–500 В или 0–1000 В. В этом случае пластины PZT (пьезокерамики) полностью спекаются еще до сборки стека. В качестве вставных электродов используются отдельные тонкие металлические фольги. Вся конструкция скрепляется специальным высококачественным клеем. Таким образом, высоковольтный стекер представляет собой не монолитную керамику, а композитный материал.

5. Применение пьезостекеров в промышленности и науке

Пьезоэлектрические стекеры имеют широкий спектр применения, охватывающий практически все высокотехнологичные отрасли: полупроводниковая технология и нанопозиционирование: лазерная юстировка, лабораторное оборудование (пипетки и насосы), полупроводниковые станки; аэрокосмическая отрасль и астрономия: адаптивная оптика, системы активного гашения вибраций; оптика и фотоника: обработка изображений, лазерная техника, оптические детекторы, трибология, системы хранения данных; биотехнологии и медицина: прецизионное оборудование для разработки новых лекарств, медицинская техника; прецизионная обработка: металлообработка, оптические системы, лазерная резка, алмазная полировка; нанотехнологии: наноманипуляторы, наноавтоматика; активное гашение вибраций: подавление нежелательных колебаний в ветрогенераторах, двигателях и другом чувствительном оборудовании. Стекеры генерируют движение в противофазе, эффективно подавляя вибрации механических конструкций. Даже струйные принтеры работают на основе пьезоэффекта: при подаче напряжения пьезостекер создает достаточную энергию для выброса чернил.

6. Правила эксплуатации и монтажа пьезостекеров

Поскольку стекер формируется путем склеивания или совместного обжига пьезокерамических пластин, его прочность на сжатие значительно выше прочности на растяжение. При динамическом воздействии внутри керамики возникают как сжимающие, так и растягивающие усилия (из-за ускорения самого материала). Чтобы избежать повреждений, необходимо соблюдать следующие правила.

7. Механические нагрузки и предварительный поджим

• Осевые нагрузки: актуатор может выдерживать только осевые усилия. Воздействие боковых, сдвигающих или скручивающих сил недопустимо.
• Предварительный поджим: для защиты от растягивающих напряжений рекомендуется использовать предварительный поджим (прелоуд). Типовая величина поджима — не более 1/10 от максимальной нагрузки актуатора.
• Равномерность нагрузки: усилие должно прикладываться строго к центру торцевой поверхности и равномерно распределяться по всей площади, чтобы избежать точечной нагрузки. Края пьезокерамики должны оставаться свободными от зажимов.
• Точечное воздействие: пьезокерамика крайне чувствительна к точечным нагрузкам. При монтаже и эксплуатации не допускайте сдавливания краев, которое может привести к сколам и разрушению.

8. Электрическое подключение

• Полярность: красный провод подключается к положительному полюсу источника питания. Сторона пьезокерамики без проводов, но с точечным электродом, также является положительным полюсом.
• Напряжение: запрещается использовать напряжения, выходящие за пределы диапазона, указанного в техническом паспорте.
• Короткое замыкание: чтобы избежать короткого замыкания, не прикладывайте металлические листы непосредственно к верхней и нижней поверхностям актуатора. Рекомендуется наклеить изолирующую пленку на металлическую поверхность или проложить изолирующую прокладку между керамикой и металлом.
• Снятие заряда: изменение температуры или нагрузки может вызвать накопление заряда внутри керамики. Перед началом работы рекомендуется разрядить актуатор через резистор сопротивлением в несколько сотен Ом.

9. Монтаж и фиксация

• Крепление на клей: эпоксидная смола отлично подходит для приклеивания пьезокерамики к другим поверхностям. Слой клея между керамикой и поверхностью должен быть очень тонким. Для фиксации достаточно аккуратного прижатия.
• Механический зажим: при монтаже следует избегать механического зажима и попадания клея на боковые поверхности — это может ухудшить характеристики актуатора.
• Обращение с проводами: не тяните и не дергайте провода. Перемещать актуатор, взявшись за провода, категорически запрещено. Все перемещения должны быть плавными и аккуратными.

10. Окружающая среда и уход

• Влажность: место эксплуатации стекера должно быть сухим.
• Загрязнения: не допускайте контакта поверхности актуатора с токопроводящими или агрессивными веществами.
• Очистка: для очистки поверхности используйте изопропиловый спирт. Избегайте контакта с изопропиловым спиртом при высоких температурах и чрезмерной ультразвуковой очистке.
• Защитное покрытие: не соскабливайте боковое покрытие стекера — оно выполняет защитную функцию.
• Чистота рук: избегайте прямого контакта рук с эпоксидной смолой или керамикой — это может снизить стабильность работы устройства.