Hva er en piezoelektrisk aktuator?

Den piezoelektriske aktuatoren er en form for mikrokontroll-elektromekanisk system. Den er avhengig av den piezoelektriske effekten med noen krystaller slik at når et elektrisk felt blir påført krystallen, skaper det mekanisk belastning i dets strukturelle gitter, som kan omsettes til bevegelse på en mikrometer- eller nanometerskala. Typer aktuatorer kan variere fra tunge industrisystemer som drives av pneumatisk eller hydraulisk kraft ned til små piezoelektriske aktuatorer, som har et veldig begrenset, men nøyaktig kontrollert bevegelsesområde. En typisk piezoelektrisk aktuator vil generere langsgående bevegelse når elektrisk kraft blir påført enheten til en skaft eller annen mekanisk kobling med et forskyvningsområde på rundt 4 til 17 mikron (0,0002 til 0,0007 inches). Denne typen aktuatorsystem er ofte innlemmet i en strekkmåler, også kjent som et ekstensometer, som brukes til å måle veldig fine nivåer av sammentrekning og ekspansjon i materialer og overflater.

Det er tre generelle typer piezoelektrisk aktuatorutforming eller bevegelsesordninger som bestemmer det unike spekteret av piezoelektriske aktuatordeler som utgjør den mekaniske bevegelsen av enheten. Disse er sylindriske, bimorfe, unimorfe eller flerlags aktuatorer, og hver har også en modusbetegnelse som er avhengig av typen piezoelektrisk koeffisient for mekanisk belastning som induseres. En flerlags 33-modus aktuator er designet for å generere bevegelse langs banen til det påførte elektriske feltet, mens en sylindrisk 31-modus aktuator utviser bevegelse vinkelrett på den elektriske kraften. En 15-modus aktuator benytter skjærbelastning i krystallen for diagonal kraft, men de er ikke like vanlige som andre typer piezoelektrisk aktuator, da skjærspenning er en mer kompleks krystallreaksjon som er vanskelig å kontrollere og som man kan produsere systemer for.

Formålet som en piezoelektrisk aktuator brukes til, er vanligvis basert på det faktum at det kan ha en mekanisk respons på elektrisk kraft i en brøkdel av et sekund tidsramme, så vel som ikke å generere betydelig elektromagnetisk interferens i driften. Dette inkluderer vanlig bruk for komponentene i avstembare lasere og forskjellige adaptive sensorer, så vel som mikronivåstyring av ventiler der strømningshastigheten til drivstoff er avgjørende for mengden av kraft som genereres, for eksempel i brenselinnsprøytningssystemer og luftfartkontroller. Den piezoelektriske aktuatoren har også mange bruksområder innen medisin hvor den er innebygd i mikropumper for prosedyrer som dialyse og automatiserte medikamentdispensere eller dråpedispensere. Forskningsarenaer er også avhengige av den piezoelektriske aktuatoren, for eksempel hvor det er en viktig komponent i atomkraftmikroskopet (AFM) innen nanoteknologi.

Andre avanserte forskningsfelt som bruker den piezoelektriske aktuatoren inkluderer presisjonsbearbeiding, astronomikontroller for teleskoper, bioteknologisk forskning, samt halvlederteknikk og integrert kretsproduksjon. Noen av disse feltene krever en piezoelektrisk aktuator som kan kontrollere bevegelsesområdet ned til nivået på 2 mikron (0,0001 inches) i en tidsperiode på mindre enn 0,001 sekunder. Den piezoelektriske aktuatoren er også en optimal enhet for slike bruksområder fordi den har flere unike egenskaper, inkludert svært lavt strømforbruk, den genererer ingen magnetiske felt, og den kan fungere ved kryogene temperaturer. Sannsynligvis er den mest nyttige funksjonen til enheten imidlertid at det er en solid-state-enhet som ikke krever tannhjul eller lagre, slik at den gjentatte ganger kan betjenes opptil milliarder ganger uten å vise bevis for ytelsesforringelse.