Vad är en piezoelektrisk ställdon?

Det piezoelektriska manövreringsorganet är en form av mikro-styrande elektromekaniskt system. Den förlitar sig på den piezoelektriska effekten med vissa kristaller så att, när ett elektriskt fält appliceras på kristallen, skapar det mekanisk spänning i dess strukturella gitter som kan översättas till rörelse i en mikrometer eller nanometer skala. Typer av ställdon kan sträcka sig från tunga industrisystem som drivs av pneumatisk eller hydraulisk kraft ner till små piezoelektriska ställdon, som har ett mycket begränsat men exakt kontrollerat rörelserikt. Ett typiskt piezoelektriskt manövreringsorgan genererar längsgående rörelse när elektrisk kraft appliceras på enheten på en axel eller annan mekanisk koppling med ett förskjutningsområde på cirka 4 till 17 mikron (0,0002 till 0,0007 inches). Denna typ av manöversystem inkorporeras ofta i en töjmätare, även känd som en extensometer, som används för att mäta mycket fina nivåer av sammandragning och expansion i material och ytor.

Det finns tre allmänna typer av piezoelektriska ställdonskonstruktioner eller rörelsesscheman som bestämmer det unika utbudet av piezoelektriska ställdondelar som utgör den mekaniska rörelsen hos anordningen. Dessa är cylindriska, bimorfa, unimorfa eller flerskiktade ställdon, och var och en har också en lägesbeteckning som är beroende av typen av piezoelektrisk koefficient för mekanisk spänning som induceras. Ett flerskikts 33-manövreringsorgan är utformat för att generera rörelse längs banan för det applicerade elektriska fältet, medan ett cylindriskt 31-läge ställdon uppvisar rörelse vinkelrätt mot den elektriska kraften. En 15-ställdon använder skjuvspänning i kristallen för diagonalkraft, men de är inte lika vanliga som andra typer av piezoelektriskt ställdon, eftersom skjuvspänning är en mer komplex kristallreaktion som är svår att kontrollera och för vilken man kan tillverka system.

Syftet för vilket ett piezoelektriskt manövreringsorgan används är vanligtvis baserat på det faktum att det kan ha ett mekaniskt svar på elektrisk kraft i en tidsfraktion av en bråkdel av en sekund, såväl som att inte generera betydande elektromagnetisk störning i dess drift. Detta inkluderar vanlig användning för komponenterna i inställbara lasrar och olika adaptiva sensorer, såväl som mikronivåstyrning av ventiler där flödeshastigheten för bränsle är avgörande för mängden genererad tryckkraft, till exempel i bränsleinsprutningssystem och flygkontroller. Det piezoelektriska manövreringsorganet har också många användningsområden inom medicinområdet där det är inbyggt i mikropumpar för procedurer såsom dialys och automatiska läkemedelsdispensrar eller droppdispenser. Forskningsarenor beror också på det piezoelektriska ställdonet, till exempel där det är en väsentlig komponent i atomkraftsmikroskopet (AFM) inom nanoteknologi.

Andra avancerade forskningsområden som använder den piezoelektriska ställdonet inkluderar precisionsbearbetning, astronomikontroller för teleskop, bioteknikforskning samt halvledarteknik och tillverkning av integrerade kretsar. Vissa av dessa fält kräver ett piezoelektriskt manövreringsorgan som kan styra rörelseriktningar ner till nivån på 2 mikron (0,0001 tum) under en tidsperiod på mindre än 0,001 sekunder. Det piezoelektriska manövreringsorganet är också en optimal enhet för sådana applikationer eftersom den har flera unika egenskaper inklusive mycket låg effektförbrukning, den genererar inga magnetfält och kan fungera vid kryogena temperaturer. Förmodligen den mest användbara funktionen hos enheten är emellertid att det är en enhet i fast tillstånd som inte kräver några kugghjul eller lager, så att den kan repeteras upprepade gånger miljarder gånger utan att visa bevis på prestandaförsämring.