Пьезокерамические сдвиговые пластины: принцип работы и применение
Пьезокерамические сдвиговые пластины — это специализированные пьезоэлектрические элементы, использующие сдвиговый эффект (d15) для генерации бокового (латерального) смещения в ответ на приложенное электрическое напряжение. Они являются ключевыми компонентами для создания прецизионных перемещений в микро- и нанометровом диапазоне.
Принцип работы и конструкция
Основой работы пластин является пьезоэлектрический сдвиговый эффект. При подаче разности потенциалов (положительного и отрицательного напряжения) на электроды керамический элемент деформируется не в толщину, а в плоскости, создавая сдвиговое смещение. Направление деформации определяется ориентацией поляризации и расположением электродов.
Конструктивное исполнение
Каждая пластина представляет собой монолитный слой пьезокерамики с нанесенными на противоположные грани электродами. Для повышения надежности и предотвращения окисления электроды часто покрывают золотом. Для увеличения общего хода отдельные пластины собирают в стеки, соединяя их между собой с помощью эпоксидной смолы и медной фольги, которая служит одновременно проводящим слоем и механическим связующим.
Пьезокерамические сдвиговые стеки
Сдвиговые стеки — это сборные конструкции из множества отдельных сдвиговых пластин. Такая компоновка позволяет суммировать смещение каждой пластины, достигая значительного общего бокового перемещения (до 7.0 мкм и более).
- Двухосевые (XY) позиционеры: создаются путем механического соединения двух отдельных стеков, ориентированных перпендикулярно друг другу. Верхняя пластина первого стека является основанием для второго.
- Трехосевые (XYZ) позиционеры: комбинируют два сдвиговых стека (для движения по осям X и Y) с отдельным продольным пьезоэлектрическим стеком, который обеспечивает перемещение по оси Z. Важно отметить, что диапазон рабочих напряжений и характер движения (только в одну сторону) для продольного стека отличаются от сдвигового.
Каждый стек в сборке имеет индивидуальные выводы для независимого и точного управления положением.
Ключевые особенности и характеристики
- Высокое рабочее напряжение: до ±200 В (номинальное), с возможностью работы до ±320 В.
- Величина сдвига: смещение одиночной пластины составляет ~1.3–1.5 мкм.
- Большой гистерезис: может достигать 40% из-за природы сдвиговой деформации, что требует использования замкнутого контура управления для точного позиционирования.
- Многоосевая конфигурация: возможность сборки сложных кинематических систем (XY, XZ, YZ, XYZ).
Области применения
Уникальные свойства сдвиговых пластин находят применение в задачах, требующих прецизионного контроля перемещения и деформации.
1. Растяжение оптического волокна
Используются для создания управляемых линий задержки в оптических системах. Деформация волокна, намотанного на пьезомеханизм, позволяет точно изменять длину оптического пути и, следовательно, задерживать световые импульсы.
2. Пьезоэлектрический дозирующий клапан
Являются приводным элементом в струйных клапанах бесконтактного типа. Обеспечивают высокоскоростное и точное открытие/закрытие клапана для дозирования микрообъемов жидкостей (клеи, пасты, герметики), исключая риск повреждения подложки иглой.
3. In-situ тестирование материалов
Применяются в качестве наноинденторов или actuators в микро-механических испытательных установках, совмещенных с электронными микроскопами (СЭМ), АСМ или спектрометрами. Позволяют наблюдать и регистрировать процесс деформации и разрушения материалов в реальном времени.
4. Активное демпфирование вибраций
Используются в аэрокосмической отрасли для управления аэродинамическими поверхностями (например, крыльями). Динамическое изменение формы поверхности с помощью пьезопластин подавляет турбулентность и отсрочивает срыв потока.
5. Оптоволоконные датчики и коммутация
Служат для юстировки, зажатия и модуляции оптических волокон. Путем точного управления зазором между торцами волокон можно модулировать интенсивность, фазу или поляризацию проходящего света.
6. Пьезоэлектрические зажимы и манипуляторы
Обеспечивают сверхточное позиционирование инструмента (например, в ультразвуковой сварке или микроскопии) за счет управления зажимными губками с нанометровой точностью.
