BÁO cáo LITERATURE REVIEW CASE STUDY đề tài piezoelectric actuator

Hình 1 Hiệu ứng áp áp xảy ra thông qua việc nén một vật liệu áp điện Ngược lại, một dạng biến dạng cơ học vật chất bị co lại hay kéo căng sẽ xuất hiện khi có tác dụng của điện trường, hi

NỘI VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

-o0o -BÁO CÁO LITERATURE REVIEW & CASE STUDY

MÃ HỌC PHẦN : ME5609

Tên đề tài: Piezoelectric Actuator

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hạ

Nhóm sinh thực hiện: Nhóm 6

Hà Nội, 07/2022

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG

DẪN Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hạ Sinh

viên thực hiện: Nhóm 6

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày……….tháng………năm

Giảng viên hướng dẫn ký tên

LỜI NÓI ĐẦU

MicroRobotics là lĩnh vực robot thu nhỏ, cung cấp khả năng tương tác với các vật

có kích thước vượt quá khả năng sinh lý tự nhiên của con người Lưu ý rằng định nghĩađược đề xuất ở trên không nhất thiết ngụ ý rằng bản thân các MicroRobot (robot vi mô)

có quy mô milimet Robot hoạt động trên các vật thể có kích cỡ milimet hoặc không gianlàm việc cỡ milimet, được phân loại là MicroRobot (robot vi mô)

MicroRobotics được xây dựng trên cở một số ngành như kỹ thuật chính xác, robotics vàvật lý ứng dụng, dần dần đã phát triển thành một lĩnh vực riêng Trong thực tế, có nhiều

lý do giải thích cho sự hình thành của lĩnh vực MicroRobotics: Giảm vật tư tiêu hao, tăngtốc độ đáp ứng cho các hệ thống, nâng cao tính di động và hơn hết là để thực hiện cácnhiệm vụ phức tạp chuyên biệt mà các hệ thống Robot truyền thống không thể thực hiệnđược Ví dụ như định hình hoặc phân tích tín hiệu ánh sáng; pha trộn, xử lý hoặc phântích các thể tích hóa chất siêu nhỏ; cảm biến tín hiệu cơ học; khí thăm dò và giải trình tựcác phân tử sinh học Những nhiệm vụ trên đều được đảm nhận bởi hệ thốngMicroRobot Giờ đây, việc đẩy mảnh nghiên cứu các hệ thống lắp ráp và quy trình điềuchế vi mô đang được tiến hành để phục vụ mục đích trên, hướng tới sự bứt phá về mặtcông nghệ trong tương lai

Trong lĩnh vực MicroRobotics, Piezoelectric Actuator (bộ kích hoạt áp điện) là mộthướng nghiên cứu quan trọng, có ứng dụng lớn trong lĩnh vực, vì thế việc dành nhiều sựquan tâm cho định hướng này là lẽ tất yếu Trong bài Literature Review này, nhóm sinhviên 1 (có danh sách kèm theo) đã thực hiện đề tài về Piezoelectric Atuator nhằm làmsáng tỏ một số nội dung cơ bản về vấn đề này Nhóm 1 chúng em xin chân thành cảm ơn

TS Nguyễn Xuân Hạ đã giảng dạy tâm huyết, hướng dẫn tận tình và quan tâm ân cần để

giúp nhóm có thể hoàn thành bài lần này Tuy rằng đã rất cố gắng nhưng chắc chắn bài

vẫn còn có nhiều thiếu sót, nhóm 6 rất mong TS Nguyễn Xuân Hạ có những góp ý, sửa

đổi để bài được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR 12

TỔNG QUAN VỀ PIEZOELECTRIC ACTUATOR 12

1.1 Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) 12

1.2 Bộ kích hoạt áp điện 14

ĐẶC TRƯNG MỘT SỐ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 16

2.1 Vật liệu áp điện 16

2.1.1 Piezoelectric Single Crystals (Đơn tinh thể áp điện) 16

2.1.2 Piezoelectric Ceramics (Gốm áp điện) 17

2.1.3 Piezoelectric Polymers (Polyme áp điện) 18

2.2 Nguyên lý hoạt động của gốm áp điện 20

PHÂN LOẠI, ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN 22

3.1 Multilayer (stack) actuators 22

3.2 Bimorph (bender) actuators 24

3.3 Stick-slip actuators 27

3.3.1 Tổng quan về Stick-Slip actuators 27

3.3.2 Một số các hiện tượng của cơ cấu Stick-Slip 30

3.4 Tube actuators 31

3.5 Bulk actuators 33

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN 35

4.1 Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp 35

4.2 Bimorph (bender) actuators 37

4.3 Stick-slip actuators 39

4.4 Bộ kích hoạt ống áp điện 40

MÔ HÌNH HÓA BỘ VI ÁP ĐIỆN 42

5.1 Mô hình hóa bộ thiết bị truyền động ngăn xếp 42

5.1.1 Các mô hình thiết bị truyền động ngăn xếp 42

5.1.2 Mô hình hiện tượng trễ (Hysteresis models) 44

KẾT LUẬN 48

CASE STUDY 49

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) 49

1 Giới thiệu về hệ thống 49

2 Cấu tạo hệ thống 49

3 kết quả và thảo luận 54

4 Kết luận 62

II. Design of a Linear Walking Stage based on Two Types of Piezoelectric Actuators (Thiết kế bậc di chuyển bước tuyến tính dựa trên hai loại thiết bị truyền động điện áp) 63

1 Giới thiệu chung về hệ thống 63

2 Cấu tạo của hệ thống 63

3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 64

4 Thí nghiệm 66

4.1 Hệ thống thí nghiệm 66

4.2 Đặc điểm chuyển động bước 67

4.3 Tần số dẫn 67

4.4 Dung tải 68

5 Kết luận 70

III. An Umbrella-shape Linear Piezoelectric Actuator based on Stick-Slip Motion Principle (Bộ truyền động áp điện tuyến tính hình ô dựa trên nguyên tắc chuyển động Stick-Slip) 71

1 Giới thiệu chung về hệ thống 71

2 Cấu tạo của hệ thống 71

3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 73

4 Thí nghiệm, kết quả và đánh giá 74

4.1 Hệ thống thí nghiệm 74

4.2 Kết quả và đánh giá 75

5 Kết luận 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Hiệu ứng áp áp xảy ra thông qua việc nén một vật liệu áp điện 9

Hình 2 Hiệu ứng áp áp đảo ngược 10

Hình 3 (a) ứng dụng vào bật lửa (b) ứng dụng cảm biến để đo âm thanh, lực, 11

Hình 4 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp 20

Hình 5 Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp 20

Hình 6 Động cơ truyền động bằng quán tính 21

Hình 7 Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trái) và Das (bên phải) 21

Hình 8 Bimorph piezoelectric actuator 22

Hình 9 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 (QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, 1999) 23

Hình 10 Động cơ quay quán tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo (S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, 2021) 23

Hình 11 Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ của Zhang (S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, 2021) 24

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt (Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier, 2010) 24

Hình 13 Mô hình Stick-slip actuator của Zhang (Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, 2018)26 Hình 14 Mô hình Stick-slip actuator của Xu (Z Xu, H Huang, J Dong, 2020) 26

Hình 15 Biến dạng của các nhấp nhô và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại lực 27

Hình 16 Quan hệ giữa độ lớn biên độ dao động và độ lớn bước dịch chuyển của PTCH.28 Hình 17 Tube actuators 29

Hình 18 Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện [18] 30

Hình 19 Sơ đồ thiết kế IDE của cơ cấu chấp hành 31

Hình 20 Thiết kế chính bộ chuyển động hỗn hợp IDE 31

Hình 21 Piezoelectric actuator 32

Hình 22 Các thông số chính trong cấu hình ngăn xếp 32

Hình 23 Đặc tính tĩnh của thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện (XLi và FBi là hành trình tự do và lực chặn đối với điện áp Vi, i = 1, 2, 3) 33

Hình 24 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph 34

Hình 25 Nguyên tắc hoạt động của bimorph 34

Hình 26 Các thông số chính trong cấu hình bimorph 35

Hình 27 Nguyên tắc hoạt động ở chế độ bước [BRE 98] 36

Hình 28 (a) Chế độ xem đã bùng nổ của microrobot (b) Ảnh của toàn bộ 36

Hình 29 Mặt cắt ngang bộ kích hoạt ống áp điện 37

Hình 30 Mô hình tham số gộp phi tuyến 39

Hình 31 Mô hình lớp piezoceramics 39

Hình 32 Toán tử vùng chết một phía 43

Hình 33 Thiết kế đề xuất của bộ micropump 46

Hình 34 sơ đồ của bộ truyền áp điện 47

Hình 35 mặt bên của bộ tryền động 48

Hình 36 cơ cấu áp điện hình chữ nhật 48

Hình 37 biểu diễn sơ đồ của hiệu ứng áp điện ngược 50

Hình 38 tính chất của gốm áp điện và gốm thay thế 50

Hình 39 phân tích theo phương thức tần số của bộ truyền động tròn Tần số A 60Hz B 85Hz C 72Hz D 98Hz E 81Hz F 111Hz 52

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 53

Hình 41 phân tích ứng suất của cơ cấu chuyền động tròn có độ dày khác nhau và biểu diễn đồ hoạ tương ứng cảu MFS=1 A 0.1µm, b 0.2 µm, c 0.3 µm d 0.4 µm 54

Hình 42 phân tích ứng suất của cơ cấu chuyền động hình chữ nhật có độ dày khác nhau và biểu diễn đồ hoạ tương ứng cảu MFS=1 A 0.6µm, b 0.8 µm, c 1.0 µm d 1.2 µm 55

Hình 43 độ lệch đồng nhất a bộ truyền động tròn có chiều dày 0.1µm, b bộ truyền động tròn có độ dày 0.2µm, c bộ truyền động hình chữ nhật có độ dày 0.6 µm,c bộ truyền động hình chữ nhật có độ dày 0.8µm 57

Hình 44 phân tích dịch chuyển của bộ truyền động tròn bằng cách thay đổi diện áp đầu vào cho các độ dày khác nhau của lớp áp điện 58

Hình 45 phân tích dịch chuyển của bộ truyền động tròn bằng cách thay đổi diện áp đầu vào cho các độ dày khác nhau của lớp áp điện 59

Hình 46 Bậc di chuyển bước tuyến tính dựa trên hai loại thiết bị truyền động điện áp … 62 Hình 47 Tín hiệu điện áp đầu vào của gốm điện áp… ……… 63

Hình 48 Quá trình chuyển động của cơ cấu chấp hành kiểu di chuyển bước được đề xuất trong một vòng tròn làm việc… ……… 64

Hình 49 Hệ thống thí nghiệm của bậc ………

66 Hình 50 Dịch chuyển đầu ra dưới các điện áp dẫn động khác nhau ……… 66

Hình 51 Mối quan hệ giữa vận tốc và tần số chuyển động ………

67 Hình 52 Dịch chuyển đầu ra của bậc(200 V, 30 Hz) ……….67

Hình 53 Hệ thống thí nghiệm kiểm tra tải đầu ra… ……….68

Hình 54 Vậntốc của bậc các tảingoài khácnhau… ……….69

Hình 55: Cấu tạo của cơ cấu chấphành……… 71

Hình 56: Nguyên lý chuyển động của cơ cấu uốn hình chiếc ô……….72Hình 57: Nguyên lý hoạt động của bộ truyền động áp điện tuyến tính hình chiếc ô đượcđề

xuất……….73Hình 58: Hệ thống thí nghiệm………73

Hình 59: Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và độ dịch chuyển………74Hình 60: Mối quan hệ giữa tần số đầu vào và độ dịch chuyển bước khi U= 120V………75

Hình 61: Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển bước và tải trong trường hợp U =120 V và f =1Hz……….75

LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR TỔNG QUAN VỀ PIEZOELECTRIC ACTUATOR

1.1 Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)

Hiệu ứng áp điện được phát hiện bởi hai anh em nhà khoa học người Pháp, Jacques vàPierre Curie, vào năm 1880 Họ phát hiện ra về áp điện sau khi nhận ra rằng áp lực ápdụng cho thạch anh hoặc thậm chí một số tinh thể nhất định tạo ra điện tích trong vật liệu

đó 1 Sau đó họ gọi hiện tượng kỳ lạ và khoa học là hiệu ứng áp điện Các chất áp điện làchất tạo ra điện tích khi một ứng suất cơ học được tác dụng (vật chất bị ép hay kéo căng),hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện thuận (Hình 1)

Hình 1 Hiệu ứng áp áp xảy ra thông qua việc nén một vật liệu áp điện

Ngược lại, một dạng biến dạng cơ học (vật chất bị co lại hay kéo căng) sẽ xuất hiện khi

có tác dụng của điện trường, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện ngược hoặchiệu ứng áp điện đảo (Hình 2)

Hình 2 Hiệu ứng áp áp đảo ngược

Về bản chất, hiệu ứng áp điện được giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trongcác tinh thể Khi tinh thể bị nén, các ion trong mỗi ô đơn vị bị dịch chuyển, gây ra hiệntượng phân cực điện ở mỗi ô đơn vị Những hiệu ứng này tích tụ, gây ra sự chênh lệchđiện 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 cơhọc của toàn bộ tinh thể Hiện tượng áp điện thuận được phát hiện đầu tiên ở trong cáctinh thể ngoài tự nhiên, nhiều nhất là thạch anh Về sau người ta cũng tìm thấy hiệu ứngnày 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 chocuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏgương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đangphát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơnhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thôngminh, hầu hết các máy in hiện nay một trong những ứng dụng quan trọng hiện naytrong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo

Phân tích một số ứng dụng của hiệu ứng áp điện:

+ Hiệu ứng áp điện nghịch :1 sự dịch chuyển nhỏ có thể được tạo ra bằng cách áp mộtđiện trường cho vật liệu áp điện Thị trường hiện tại có nhu cầu về kỹ thuật chính xác tiêntiến cho nhiều loại bộ truyền động có thể điều chỉnh vị trí chính xác (thiết bị định vị vi mô),triệt tiêu các rung động tiếng ồn (bộ giảm chấn) và điều khiển các vật thể một cách linh hoạt(động cơ siêu âm) Các thiết bị này được sử dụng trong các lĩnh vực, bao gồm quang học,thiên văn học, kiểm soát chất lỏng và máy móc chính xác Các biến áp điện gây ra bởi mộtđiện trường được sử dụng cho các ứng dụng cơ cấu vận hành máy móc

+ Nguồn điện và điện áp cao: Một ví dụ về các ứng dụng trong lĩnh vực này là bật lửathuốc lá điện, trong đó việc nhấn một nút khiến một chiếc búa có lò xo đập vào một tinh thể

áp điện, do đó tạo ra một điện áp đủ cao để dòng điện chạy qua một khe hở tia lửa nhỏ, làmnóng và đốt cháy khí Hầu hết các loại đầu đốt và dãy gas đều có hệ thống phun dựa trênpiezo được tích hợp sẵn (hình 3a)

+ Cảm biến: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp điện là thay đổi kích thước vật lý,được biến đổi thành lực, sau đó tác động lên hai mặt đối lập của phần tử cảm biến Việcphát hiện các biến đổi áp suất dưới dạng âm thanh là ứng dụng phổ biến nhất, được thấytrong các micro áp điện và bộ thu áp điện cho guitar khuếch đại điện Đặc biệt, cảm biến ápđiện được sử dụng với âm thanh tần số cao trong các đầu dò siêu âm cho hình ảnh y tế vàkiểm tra không phá hủy (hình 3b)

Hình 3 (a) ứng dụng vào bật lửa (b) ứng dụng cảm biến để đo âm thanh,

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 chỉ chuyển đổi trực tiếp năng lượng điệnthành chuyển động cơ học trong quá trình di chuyển Có khả năng hoạt động tĩnh, ngay cảkhi giữ tải nặng, không tiêu tốn điện năng

+ Khuếch đại nhanh chóng: Bộ kích hoạt áp điện cung cấp thời gian phản hồi nhanh nhất hiện có (cỡ micro giây) Gia tốc có thể tương đương 10 lần gia tốc trọng trường

+ Không bị hao mòn: Bộ kích hoạt áp điện không có bánh răng hay trục quay Sự dịchchuyển của nó dựa trên động lực học ở trạng thái rắn, vì thế không bị ăn mòn Các nhà

khoa học đã tiến hành kiểm tra độ bền trên bộ kích hoạt áp điện và thấy hiệu suất khôngđổi sau vài tỷ chu kỳ

Bộ kích hoạt áp điện có các đặc điểm: định hướng lưỡng cực, hoạt động theo nguyên lýtrường điện từ, mật độ năng lượng 106 J/m-3, tần số dao động cỡ 100 kHz, các chế độ hoạtđộng phụ thuộc vào hướng của điện trường và khả năng biến dạng khoảng 0.12-0.15%

ĐẶC TRƯNG MỘT SỐ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG 2.1 Vật liệu áp điện

Hiệu ứng áp điện xảy ra bên trong vật thể là do tâm không đối xứng của cấu trúctinh thể hoặc chuỗi phân tử, gây ra sự phân cực tự phát khi có lực tác dụng Một vật chấtđược cấu tạo bởi 3 thành phần PZT (chì Pb, Zocromi, Titan) thì sẽ có tính chất áp điện.Nhìn chung, vật liệu áp điện có thể chia thành 3 loại: đơn tinh thể, gốm áp điện vàpolyme

Trước khi tìm hiểu về 3 loại vật liệu gốm áp điện này, chúng ta cần tìm hiểu một

số khái niệm:

d33: Hệ số áp điện hoặc mô đun áp điện: định lượng sự thay đổi thể tích khi vật liệu ápđiện chịu tác dụng của điện trường hoặc sự phân cực khi chịu ứng suất

kp: Hệ số liên kết cơ và điện: là một hệ số đo hiệu suất chuyển đổi giữa năng lượng điện

và âm thanh trong vật liệu áp điện

Qm: Hệ số phẩm chất cơ học

Tc: Nhiệt độ chuyển pha Curie

2.1.1 Piezoelectric Single Crystals (Đơn tinh thể áp điện)

Trong số tất cả các đơn tinh thể sắt giãn áp điện, PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT vàKNN đã được nghiên cứu chuyên sâu trong suốt 20 năm qua

PMN-PT (Chì Magie Niobate-Chì Titanate) với định hướng hiển thị hằng số d33lớn, trong khi PMN-PT phân cực hiển thị hệ số chế độ cắt cao Ví dụ, Park và cộng sựtìm ra hằng số áp điện d33 đối với đơn tinh thể có định hướng 0,67PMN-0,33PT là 2200pC/N, và giá trị k33 là 0,93 Hệ PZN-PT (Chì Kẽm Niobate-Chì Titanate) là một đơn tinhthể áp điện khác được nghiên cứu rộng rãi Tuy nhiên, không dễ dàng đạt được PZN-PTđơn tinh thể với kích thước lớn so với quy trình PMN-PT vì thành phần không ổn định ởnhiệt độ cao và dễ bị phân hủy từ perovskite sang pha pyrochlore Gần đây, Li và cộng sựđạt được hệ số áp điện siêu cao d33 là 3400–4100 pC/N với đơn tinh thể PMN-PT pha tạp

Sm, nhưng các giá trị Tc và Trt tương ứng chỉ là 65 và 60 ° C, giới hạn nhiệt độ phục vụcao hơn của nó

Ngoài đơn tinh thể sắt giãn áp điện, một số đơn tinh thể áp điện khác cũng được sửdụng do tính chất độc đáo của chúng, chẳng hạn như (K, Na) NbO3 (KNN), LiNbO3, đơn

tinh thể thạch anh,… Được biết, gốm KNN có tiềm năng thay thế các vật liệu dựa trênPZT, nhưng tính chất áp điện của nó kém hơn Zheng và cộng sự đã tạo ra một tinh thểđơn áp điện KNNT được phân cực cùng với kích thước lớn 12 × 11 × 11 mm3 và hệ sốghép cơ điện lớn k33 = 0,827, kt = 0,646, và tanδ = 0,004.

2.1.2 Piezoelectric Ceramics (Gốm áp điện)

 Gốm áp điện mềm (Soft Ceramics)

Gốm áp điện mềm có các hệ số d33, kp, Sij tương đối cao nhưng giá trị Qm thấp.Chúng cho thấy một tiềm năng vô cùng lớn trong lĩnh vực truyền động không tương tác.Một số loại gốm mềm bao gồm gốm PZT như PZT 5A (gốm thương mại),Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN- PT), Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3-PbTiO3- PbZrO3 (PZN-PZT),Pb(Ni1/3 Nb2/3)O3-PbTiO3- PbZrO3 (PNN-PZT), gốm không pha chì (Na1/2K1/2), NbO3

(KNN), BaTiO3 (BT), (Na1/2Bi1/2)TiO3 (NBT)

Gốm PMN-PT đã được nghiên cứu rộng rãi bởi tính chất đáng chú ý của chúng

Có rất nhiều phương pháp được thực hiện nhằm nâng cao tính chất của gốm PMN-PT, ví

dụ như pha trộn thêm một số nguyên tố D.Wang đã thêm Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 vào gốmPMN-PT và đã tìm ra hình thái của biên pha (morphotropic phase boundary) với đặc tínhtối ưu tại Tc = 245o C, d33 = 450 pC/N và kp = 49% Gần đây, H Li đã tổng hợp gốmPMT-PT với hệ số áp điện cực cao d33 = 1500 pC/N nhưng ở nhiệt độ thấp (89o C)

PZN-PZT và PNN-PZT cũng đang được nghiên cứu rộng rãi Sự khuếch tán nhiệtpha của PZN vào khoảng 140o C Thành phần tối ưu của PZN vào khoảng 0.5PZN-0.5Pb(Zr0.47 Ti0.53 )O 3 tại d33 = 430 pC/N, k p = 0.67, P r = 27 µC/cm2 và Tc ≈ 250o C Cácnhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để cải thiện các hệ số trên H

Li và các cộng sự đã tìm ra được ranh giới pha nằm trong khoảng lân cận của x = 0.3, d33

≈ 550 pC/N, kp ≈ 0.69, ɛr = 2327, Tc ≈ 325 o C Zheng nâng cao hiệu quả của gốm PZT sử dụng nghiền bi động năng cao và cho kết quả là các hạt gốm mịn tại d33 = 380 pC/N

PZN-và kp = 0.49 Hơn nữa, một số tạp chất đã được báo cáo, ví dụ như LiCO3 và Sm2O3 để kếttinh nhiệt độ thấp, La2O3 để tăng độ phân cực, PNN để nâng cao d33 J Du nghiên cứu gốm0.5PNN-0.135PZ-0.315PT với tính chất điện tốt d33 = 1070 pC/N, kp = 0.69 và ɛr = 8710.Các đặc điểm đang chú ý của PNN-PZT đến từ 3 điểm tại cấu trúc hình thoi, tứ diện, lậpphương dẫn đến hằng số điện môi cao Hơn nữa, nhiệm vụ tối ưu các thuộc tính của gốmPNN-PZT đã được hoàn thành bằng cách thêm vào như Fe2O3, Sm2O3, Lu2O3,Pb(In1/2Nb1/2)O3, Pb(Mg1/2W1/2)O3, Pb(Sb1/2Nb1/2)O3, Pb(Fe2/3W1/3)O3, …

Gốm áp điện không pha chì thu hút được rất nhiều nhà nghiên cứu Đó là loại vậtliệu đang phát triển nhanh chóng và một số trong gốm áp điện không có chì có thể sosánh với gốm áp điện có chì Trong số đó, KNN và BNT thu hút được rất nhiều sự quantâm Y Saito công bố gốm KNN với d33 = 416 pC/N Năm 2019, hệ số áp điện d33 = 650

pC/N được công bố H.Li chế tạo một loại gốm công nghệ cao với d 33 = 700 pC/N và kp

= 76% Tuy nhiên, một vấn đề lớn đặt ra đối với gốm KNN là làm thế nào để tạo ra cấutrúc như mong muốn vì có sự bay hơi trong quá trình kết tinh Một vấn đề đối với gốmBNT là nó không dễ bị phân cực

 Gốm cứng (Hard Ceramics)

Gốm cứng có đặc điểm là Qm cao (yếu tố cơ học) và tổn hao thấp về cả cơ và điện

Do đó, chúng có rất nhiều ứng dụng trong máy biến áp áp điện, động cơ áp điện, cảmbiến siêu âm, … Khi đặt một điện áp xoay chiều cao vào thiết bị, gốm cứng có thể hạnchế việc tổn thất năng lượng điện biến thành năng lượng nhiệt do các đặc tính cơ điện

Pb(Mn1/3Sb2/3)O 3 -PZT (PMS-PZT) và Pb(Mn1/3 Nb2/3)O3-PZT(PMnN-PZT) là 2loại gốm áp điện cứng được sử dụng rộng rãi Chúng có các đặc tính của gốm cứng điểnhình với Qm > 1000 và tanδ < 1% Các đặc trưng tối ưu của nó là d33 = 374 pC/N, kp =0.6, Qm = 1250, tanδ = 0.41% Một số thành phần bao gồm Pb(Mg1/3Ta2/3 )O3 vàPb(Zn1/3Nb2/3)O3 - Pb(Sn1/3Nb 2/3)O 3 đã được giới thiệu trong hệ thống PMS-PZT và đạtđược kết quả Qm = 1500 Một loại gốm áp điện khác là PMnN-PZT được nghiên cứu bởiH.Chen cho kết quả d33 = 307 pC/N, k p = 0.55, Qm = 2379 X Gao đã hạ thấp nhiệt độnóng chảy bằng cách thêm CuO và đạt được kết quả kp = 0.47, Qm = 1300, tanδ = 0.4%

và nhiệt độ kết tinh thấp hơn 930o C

 Gốm nhiệt độ cao (High Template Ceramics)

Một số cơ cấu truyền động hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt và nhiệt

độ cao, ví dụ như lò phản ứng hạt nhân Các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm một loạigốm áp điện chịu được nhiệt độ cao để sử dụng trong các cơ cấu truyền động áp điện vàđộng cơ

Năm 2001, R.E.Eitel nghiên cứu một loại gốm mới gọi là Bi(Me)O3-PbTiO 3 vàranh giới pha với T c = 450o C BiScO3-BiGaO3-PbTiO 3 là một đơn tinh thể có tổn thấtđiện môi là 0.3% tại điều kiện thử nghiệm có tần số dao động là 1kHz

2.1.3 Piezoelectric Polymers (Polyme áp điện)

 Đặc điểm của polyme áp điện

Các đặc tính của polyme rất khác biệt so với các chất vô tổ chức (Bảng 1) đến nỗi chúng

có đủ điều kiện duy nhất để lấp đầy các khu vực ngách nơi các tinh thể đơn và gốmkhông có khả năng hoạt động hiệu quả Như đã lưu ý trong Bảng 1, hằng số biến dạng ápđiện (d31) của polyme thấp hơn của gốm Tuy nhiên, các polyme áp điện có hằng số ứngsuất áp điện cao hơn nhiều (g31) cho thấy rằng chúng là cảm biến tốt hơn nhiều so vớigốm sứ Cảm biến và thiết bị truyền động cao phân tử áp điện mang lại lợi thế về tính

linh hoạt trong quá trình xử lý vì chúng có trọng lượng nhẹ, dẻo dai, dễ dàng sản xuấtthành các khu vực lớn và có thể được cắt và tạo thành các hình dạng phức tạp Polymecũng thể hiện độ bền cao và khả năng chống va đập cao.

Các tính năng đáng chú ý khác của polyme là hằng số điện môi thấp, độ cứng đànhồi thấp và mật độ thấp, dẫn đến độ nhạy điện áp cao (đặc tính cảm biến tuyệt vời) và trởkháng cơ học và âm học thấp (rất quan trọng đối với các ứng dụng y tế và dưới nước).Polyme cũng thường có độ đánh thủng điện môi cao và cường độ trường hoạt động cao,

có nghĩa là chúng có thể chịu được trường động lực cao hơn nhiều so với gốm sứ.Polyme cung cấp khả năng tạo hình các điện cực trên bề mặt phim và chỉ các vùng đượcchọn cực Dựa trên các tính năng này, polyme áp điện có khu vực thiết lập riêng cho cácứng dụng kỹ thuật và cấu hình thiết bị hữu ích

Bảng 1: So sánh đặc tính đối với vật liệu polyme áp điện và vật liệu gốm tiêu chuẩn

d31 a g31 a

k31 Tính năng nổi bật(pm/V) (mV-m/N)

(PZT)

 Cấu trúc của polyme áp điện

Các phần sau đây giải thích cơ chế áp điện cho cả polyme bán tinh thể và vô định hình.Mặc dù có sự khác biệt rõ ràng, đặc biệt là về độ ổn định phân cực, nói một cách đơngiản nhất, bốn yếu tố quan trọng tồn tại đối với tất cả các polyme áp điện, bất kể hìnhthái

Như được tóm tắt bởi Broadhurst và Davis (3) các yếu tố thiết yếu này là:

Sự hiện diện của các lưỡng cực phân tử vĩnh viễn

Khả năng định hướng hoặc sắp xếp các lưỡng cực phân tử

Khả năng duy trì sự liên kết lưỡng cực này một khi đạt được

Khả năng của vật liệu chịu biến dạng lớn khi ứng suất cơ học.

2.2 Nguyên lý hoạt động của gốm áp điện

a Đặc trưng 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 củaphân cực nghịch, và do đó gốm chịu biến dạng do hiệu ứng này gây ra, biểu thức là hàmcủa điện trường đặt vào E (tính bằng V/m):

S = d.ETrong đó S là độ biến dạng sinh ra bởi hiệu ứng áp điện và d (m/V) là hằng số biếndạng áp điện

Tuy nhiên, biến dạng này không phải là biến dạng duy nhất mà mẫu trải qua Cácbiến dạng cũng phải được xem xét, do các lực cơ học khác nhau Biểu thức cho tổng biếndạng được trải qua bởi mẫu được đề cập:

S = d.E + s.Ttrong đó s (m2/N) là tuân thủ đàn hồi (nghịch đảo của module Young của gốm) và T (N/

m2) là ứng suất do ngoại lực tác động lên mẫu [3]

b Sự dịch chuyển điện tích

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 / m2),trong chất điện môi bất cứ khi nào nó tiếp xúc với một điện trường Do đó, trong trườnghợp của mẫu chúng ta đã thảo luận ở trên, chúng ta có thể viết biểu thức cho sự dịchchuyển điện trong mẫu như sau:

D=ϵ.EVới (F/m) là môi trường điện môi của vật liệu ceramic trong trường hợp này, lưu ýrằng 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 gốmđược đề cập là áp điện sẽ dẫn đến tạo ra sự dịch chuyển điện thông qua hiệu ứng áp điệntrực tiếp, mà biểu thức tỷ lệ với ứng suất tác dụng T:

D = d.Ttrong đó d tính bằng đơn vị C/N, tương đương với (định nghĩa của cường độ điện trường)V/m4

Vì vậy 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:

[S D] =[d s d] [E T]

Xét 2 trường hợp đặc biệt của hệ thống:

+ Trường hợp ngắn mạch: Điện trường tác dụng lên vật liệu bằng 0, khi đó S=sT

D=dT+ Trường hợp hở mạch: Độ dịch chuyển điện tích bằng 0, khi đó:

Do đó, thấy được sự khác biệt giữa tuân thủ đàn hồi trong ngắn mạch, ở đây viết là sE và khi mạch hở sẽ viết là sD:

(1.12)Cuối cùng, ta thu được biểu thức chung

21

PHÂN LOẠI, ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN

Theo một nghiên cứu năm 2018 (KK Sappati, S Bhadra, 2018) các vật liệu áp điệnthường được nhóm thành các loại:

- Tinh thể đơn : Quartz, LiNbO3, Lithium Tantalate (LiTaO3)

- Vật liệu tinh thể đa: BaTiO3, PbTiO3, Lead Zirconate(PbZrO3),

- Relaxator Ferro electrics: Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN-PT), LeadZirconium-Niobate-Lead Titanate (PZN-PT)

- Polymers: PVDF, Poly (vinylidene diflouride- trifluoro ethylene) P(VDF-TrFE), Polymer-Ceramic composites

- Piezoelectric Paper

Các dạng vật liệu được phổ quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất là các họ vật liệupiezo ceramic, và piezo polime Cũng theo (KK Sappati, S Bhadra, 2018) thì vật liệuPiezoelectric Paper đang là xu hướng nghiên cứu mới Giấy hybrid là một giải pháp thaythế tốt cho chất nền polyme áp điện, tương đối rẻ hơn và cũng thân thiện với môi trường.Đặc điểm của nó là kết hợp vật liệu áp điện có cấu trúc nano (gốm) vào sợi cellulose gỗtrước khi sản xuất giấy

Các dạng dẫn động áp điện thường được sử dụng nhiều nhất trên các vật liệu phổbiến là ceramic và polime bao gồm: Multilayer (stack) actuators (Nicolas Chaillet,Stéphane Régnier, 2010), Bimorph (bender) actuators (Nicolas Chaillet, StéphaneRégnier, 2010), Stick-slip actuators (Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier, 2010), Tubeactuators, Bulk actuators

3.1 Multilayer (stack) actuators

Bộ kích hoạt ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được ngăn cách bởi các lớp cáchđiện (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 vàđiện trường được đặt song song với hướng phân cực Khi một điện áp được đặt vào, mộtbiến dạng, hoặc sự dịch chuyển, được tạo ra theo hướng phân cực Chuyển động của mộtphần tử áp điện bằng điện áp đặt nhân với hệ số áp điện Chuyển động của cả ngăn xếp ápđiện bằng tổng dịch chuyển của các phần tử trong stack (Jürgen Maas, Dominik Tepel &Thorben Hoffstadt, 2015)

Hình 4 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp

Các điện cực bên trong có cùng cực được nối với nhau bằng các điện cực bênngoài đặt trên mặt của thiết bị truyền động Các điện cực bên trong được cách điện vớicác điện cực bên ngoài antipode bằng một lớp thủy tinh mỏng được đặt giữa các mặt củavật liệu áp điện

Bộ kích hoạt áp điện trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơhọc 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 tăngtốc cao Bộ kích hoạt áp điện xếp chồng lên nhau có khả năng hoạt động trong các môitrường như chân không, điều kiện đông lạnh và sự hiện diện của từ trường, làm chochúng thích hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng, hàngkhông vũ trụ, ô tô và bán dẫn Huixing Zhou (H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood,2001) và nhóm của họ đã đề xuất một cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat ápđiện ngăn xếp

Hình 5 Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp

Cũng trong (H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood, 2001) Zhou đã mô tả động cơtruyền động bằng quán tính dựa trên các ứng dụng của bộ kích hoạt ngăn xếp

Hình 6 Động cơ truyền động bằng quán tính

Một trong những ứng dụng quan trọng khác của cấu trúc áp điện ngăn xếp là ứngdụng truyền động trong các cơ cấu vi kẹp với độ chính xác cao Zheng Li (Z Li, L Zhao,

X Yu, 2020)và nhóm của họ đã thiết kế một cơ cấu kẹp dựa trên sự chuyển động của cấutrúc áp điện này Tốc độ kẹp của cơ cấu này có thể đạt được tới hơn 350 mm/s (Z Li, LZhao, X Yu, 2020) phụ thuộc vào điện áp được cấp cho vật liệu Một mô hình khác vềtay kẹp được thiết kế bởi nhóm của Das (TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, 2020)cũng áp dụng phương pháp tương tự trong thiết kế cơ cấu kẹp

Hình 7 Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trái) và Das (bên phải)

3.2 Bimorph (bender) actuators

Thuật ngữ bimorph được sử dụng phổ biến nhất với bimorphs áp điện Trong cácứng dụng thiết bị truyền động, một lớp hoạt động co lại và lớp kia mở rộng nếu điện ápđược 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 độnày cũng có thể được sử dụng để thu năng lượng (W Al-Ashtari, M Hunstig, T Hemsel,2013) Vật liệu áp điện cũng thường được tìm thấy ở dạng một lớp kép Hướng phân cựccủa hai lớp là như nhau Điện áp đặt vào các cực của lớp trên ngược với điện áp đặt vàolớp dưới.

Hình 8 Bimorph piezoelectric actuator

Không chỉ sử dụng hai lớp áp điện với nhau mà còn có thể thay một lớp áp điện bằng mộtloại vật liệu khác Qing-Ming Wang (QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, 1999) và cáccộng 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 hìnhbimorph 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 mìnhWang (QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, 1999) 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 từngthành phần trong các thiết bị Đối với uốn cong một lớp và uốn ba lớp, hằng số điện môicủa chúng cũng thay đổi theo tỷ lệ độ dày của đàn hồi và các lớp áp điện Một hằng sốđiện môi lớn nhất có thể được quan sát ở các tỷ lệ độ dày nhất định đối với uốn cong balớp, 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 haichiều và uốn cong ba lớp

Hình 9 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 (QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, 1999)

Ngay trong năm nay Zhang và nhóm của ông đã phát triển động cơ quay quán tính haibậc tự do được đề xuất sử dụng bộ kích hoạt áp điện hai chiều (PEA) (S Zhang, Y Liu, JDeng, X Tian, X Gao, 2021) Các tấm áp điện được chồng lên nhau hai lớp với hai bộ ápđiện được kích hoạt trái hướng sẽ làm cho chân đỡ khối cầu dịch chuyển theo trục x, đốivới trục y cũng được lắp một bộ tương tự, kết quả là cơ cấu này có thể di chuyển đượctheo hai hướng vuông góc nhờ việc di chuyển của khối cầu Quá trình mô tả chuyển độngcủa chân đỡ khối cầu nhơ các tấm áp điện được diễn tả trên hình 12

Hình 10 Động cơ quay quán tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo (S

Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, 2021)

Hình 11 Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ của Zhang (S Zhang, Y Liu, J Deng, X

Tian, X Gao, 2021)

3.3 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 gâynhiễu Do đó đã có rất nhiều mô hình, công cụ phân tích và các phương pháp ổn địnhđược 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 chuyểnđộng dính-trượt Nếu các lực tác động lên phần tử chấp hành (PTCH) có thể được điềukhiển 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 12 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt (Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier,

2010)

Sơ đồ trên bao gồm PTKH được làm từ vật liệu áp điện và được gắn với nửa cầutạo 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 đượcđưa 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 Phatăng chậm được thể hiện trong hình 1.2b, khi này PTCH cùng di chuyển với PTKH, dochuyển động chậm nên lực do quán tính của PTCH nhỏ hơn nhiều so với lực ma sát tĩnhgiữa 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 thờigian xác định, lực quán tính của PTCH lớn hơn lực ma sát tĩnh Trong pha này, ở mộtkhoảng 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 đủlớn, 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 đượcmột bước dịch chuyển/chuyển vị

Mỗi bước chuyển vị thu được sau mỗi chu kì là rất nhỏ do giới hạn về độ biếndạng của vật liệu áp điện, tuy nhiên, theo lý thuyết thì khoảng làm việc của thiết bị làkhông giới hạn Hơn thế nữa, khi làm việc ở chế độ quét (Scaning mode), độ dịch chuyểnnhỏ đem lại nhiều ưu điểm khi đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cao Một vài cơ cấutương tự có thể kể đến mô hình của Zhang (Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, 2018) thiết

kế năm 2018 và mô hình của Xu (Z Xu, H Huang, J Dong, 2020) thiết kế năm 2020 vớiđặc điểm là sử dụng cơ cấu tam giác để gây chuyển động Nguyên lý của cơ cấu là trìnhkẹp chặt trong giai đoạn' stick' và một hành động giải phóng trong giai đoạn 'slip' (YZhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, 2018) Ngoài ra có thể sử dụng các cơ cấu khớp mềm nhưhình 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 13 Mô hình Stick-slip actuator của Zhang (Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, 2018)

Hình 14 Mô hình Stick-slip actuator của Xu (Z Xu, H Huang, J Dong, 2020)

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 15 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) Ởchế độ ma sát chuyển vị đầu, lực giữ giữa các nhấp nhô chiếm ưu thế do vậy lực ma sátgiống như một hàm của chuyển vị hơn là của vận tốc Điều này là do các nhấp nhô biếndạng đàn hồi dẻo, phụ thuộc vào tải đặt lên từng cặp nhấp nhô tiếp xúc, khiến chúng cóứng xử giống như các lò xo phi tuyến (hình 15b) Biến dạng đàn hồi gây ra dịch chuyểnchuyển vị đầu, trong khi biến dạng dẻo gây ra ma sát tĩnh, khi lực tiếp tuyến Fe tăng đếnmột mức độ nào đó, các dịch chuyển chuyển vị đầu cũng sẽ tăng theo khiến cho các tiếpxúc nhấp nhô bị phá vỡ, từ đó dẫn tới hiện tượng trượt hoàn toàn Sau đó ma sát sẽchuyển sang chế độ trượt, lực ma sát trở thành hàm theo vận tốc Tại thời điểm chuyểngiữa hai chế độ ma sát, lực ma sát có giá trị F ba (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 trịchuyển vị chuyển vị đầu tối đa trước khi các tiếp xúc nhấp nhô bị phá vỡ được gọi làkhoảng 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 cáchkhác, dưới mức biên độ này, chuyển vị tương đối giữa hai phần tử không thể vượt quađược các biến dạng tiếp xúc mà phần tử chấp hành chỉ dao động quanh vị trí ban đầu dobiến dạng đàn hồi của các nhấp nhô bề mặt tại vùng tiếp xúc Hình dưới mô tả chuyển vịcủa phần tử chấp hành với các giá trị biên độ kích hoạt khác nhau, từ đó cho ta thấy rõhiện tượng biên độ 0

Hình 16 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 giátrị 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: tốithiểu hóa được biên độ 0 sẽ giúp giảm mức điện áp tối thiểu cấp vào, từ đó giảm bớtđược 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 khigiá trị biên độ nhỏ hơn hoặc bằng biên độ 0 Do đó, ở pha dính, PTCH chuyển động dưới tácđộng của lực ma sát chuyển vị đầu Do các tiếp xúc tế vi biến dạng đàn hồi, chúng ứng xửgiống các lò xo có biến dạng ban đầu Điều này khiến PTCH dao động như trong một hệkhối lượng-lò xo-cản Các vi dao động này sẽ được dập tắt sau một khoản thời gian Tuynhiên nếu thiết bị hoạt động ở tần số cao, những vi dao động này có thể chưa được dập tắthoàn 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 độcứng của tiếp xúc, vi dao động sẽ chỉ bị gây ra bởi biến dạng đàn hồi tại các tiếp xúc là chủyếu

3.4 Tube actuators.

Cơ cấu Tube actuators là cơ cấu thường có hình trụ gồm các tấm áp điện có điệncực hai phía khác nhaucó khả năng giãn dài theo trục thẳng đứng hay theo hướng tâm củatrục áp điện (M Hammouche, P Lutz, M Rakotondrabe, 2019) Bộ kích hoạt ốngPiezoceramic của dòng ống áp điện là bộ kích hoạt nguyên khối, co theo hướng tâm vàdọc trục ngay khi đặt điện áp giữa điện cực bên trong và bên ngoài Bộ kích hoạt ống Ápđiện thường được sử dụng trong kính hiển vi đầu dò quét để cung cấp chuyển động quétđộng trong hoạt động vòng hở và làm bộ kéo giãn sợi Hơn nữa chúng được sử dụng chocác nhiệm vụ định lượng nhỏ trong máy bơm nanoliter hoặc máy in phun

Hình 17 Tube actuators

Thông thường, các hành động không chỉ giới hạn ở các hướng một chiều, và các đườngchuyển 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 vihẹp và không gian hạn chế, một động cơ siêu âm sẽ cho thấy sự linh hoạt hơn để thiết kế cácchuyển động đa bậc tự do (X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, 2020) Nhóm của Chen

và cộng sự (Zhijiang Chen, Xiaotian Li, Guoxi Liu, and Shuxiang Dong, 2014) đã báo cáo một

vi động cơ siêummâm 2 bậc tự do bao gồm một tinh

thể đơn PIN-PMN-PT với các kích thướ 2 × 2 × 9 , như trong Hình 13A Guo và cộng sự(Mingsen Guo; Junhui Hu; Hua Zhu; Chunsheng Zhao; Shuxiang Dong, 2013) tiếp tụcđưa ra một siêu âm 3-DOF nhỏ động cơ có ống PZT đường kính ngoài 5, 1 và 15 mm, độdày và chiều dài của tường, tương ứng Hình 13B cho thấy cấu hình được thiết kế củađộng cơ siêu âm 3 bậc tự do Takemura và cộng sự (K Takemura, S Park, T Maeno,2008) thiết kế một động cơ khá phức tạp cấu trúc và đa bậc tự do, như trong Hình 17C

32

Hình 18 Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện [18]

3.5 Bulk actuators

Các cơ chế khác có thể được sử dụng cho các thành phần hoạt động nhưng việc sửdụng bộ kích hoạt màng áp điện là rất phổ biến Việc thiết lập thông thường của một bộkích hoạt màng, trong đó tấm áp điện được phân cực theo chiều dày, sử dụng hiệu ứng ápđiện ngang Đặt điện áp điều khiển vào hai điện cực bề mặt trên mỗi mặt của màng ápđiện 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 ứngnày là đẳng hướng trong mặt phẳng cơ cấu truyền động và không cho phép tách các biếndạng dọc và ngang, điều này có thể cần thiết cho một số ứng dụng Hiệu ứng ngang cũngyếu hơn (khoảng 50%) so với hiệu ứng áp điện sơ cấp, xảy ra theo hướng phân cực Cónhiều 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 trìnhbày sau đây

Hình 19 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 ¼200 lm Một lớp phủ polymer cung cấp khả năng cách lyđiện và độ ẩm khỏi môi trường cho các điện cực trên cả hai mặt của lớp piezoceramic Sửdụng quan hệ đối xứng cho phép giảm kích thước mô hình hơn nữa, dẫn đến một ô đơn vịnhỏ Vì lớp phủ điện cực rất mỏng nên nó không có tác dụng cơ học và không được đưavào mô hình như một vật liệu phụ Thay vào đó, nó được biểu diễn bằng một giới hạnđiện, giả sử điện thế không đổi trên vùng ngón tay điện cực của bề mặt gốm sứ Tải điệntrong mô hình được biểu thị bằng điện áp điều khiển, được áp dụng giữa các ngón tayđiện 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 cácloại sợi khác nhau, dựa trên các thành phần PZT khác nhau và có độ dày khác nhau, từ 30đến 200 Việc nhúng các sợi này vào một ma trận polyme cho phép sản xuất vật liệu tổnghợp áp điện có thể được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến và thiết bị truyền động

Hình 20 Thiết kế chính bộ chuyển động hỗn hợp IDE

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN

4.1 Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp

Thiết bị truyền động ngăn xếp bao gồm một số lượng lớn các lớp áp điện đượcngăn cách bởi các lớp cách điện Cùng một điện áp được áp dụng cho các đầu cuối củamỗi lớp

Hình 21 Piezoelectric actuator

Chúng ta có thể đưa ra nhiều giả định khác nhau để giảm bớt sự phức tạp của vấn đề và

số lượng các biến liên quan:

1) Tất cả các biến dạng khác ngoài S

3 có thể được bỏ qua

2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T

3 có thể được bỏ qua

3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3

4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D

3

Sử dụng các giả định này, chúng ta có thể thu được:

Hình 22 Các thông số chính trong cấu hình ngăn xếp

Đặc biệt lưu ý là hành trình tự do (chuyển động của cơ cấu chấp hành khi không có ứngsuất nào được tác dụng) và lực chặn (lực do cơ cấu truyền động tạo ra khi nó được giữ ở

vị trí không biến dạng)

Hình 23 Đặc tính tĩnh của thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện (XLi và FBi là hành

trình tự do và lực chặn đối với điện áp Vi, i = 1, 2, 3)

4.2 Bimorph (bender) actuators

Vật liệu áp điện cũng thường được tìm thấy ở dạng một lớp màng kép (xem Hình

30) Hướng phân cực của hai lớp là như nhau Điện áp áp dụng cho các thiết bị đầu cuối

của lớp trên ngược lại với áp dụng cho lớp dưới

Hình 24 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph

Các điện áp đối nghịch này sẽ tạo ra sự giãn nở của lớp trên và sự co của lớp dưới Vì hailớp được dán lại với nhau, kết quả là ở dạng uốn Tham số X là tổng độ uốn được tạo rabởi cơ cấu chấp hành

Hình 25 Nguyên tắc hoạt động của bimorph

Hình 26 Các thông số chính trong cấu hình bimorph

Chúng ta có thể đưa ra một số giả định để giảm độ phức tạp và số lượng biến liên quan:

1) Tất cả các biến dạng ngoại trừ S1 có thể được bỏ qua

2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T1 có thể được bỏ qua

3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3

4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D3

Chúng ta có thể sử dụng các giả định này để đơn giản hóa các phương trình (3.1) và (3.2)

để thu được:

(3.7)(3.8)Cho rằng tất cả các hệ số biến dạng áp điện là đối xứng, d 31=d13. Khi tất cả những điều này được tính toán, tổng độ uốn tạo ra bởi bimorph có thể là bằng văn bản:

D3 d 31T1 e33T E3

S1 s11E T1 d13 E3