Диссертация (1091101), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Для более высокихчастот значения различаются существенно, что может быть объяснено поведени-115ем трубки на более высоких частотах как тонкостенной цилиндрической оболочки, имеющей более сложное аналитическое описание.Пьезосканер с наконечником имеет более низкие частоты. Первые две собственные частоты и соответствующие им собственные формы, полученные с помощью МКЭ, показаны на рисунках 3.37 и 3.38.

Плоскости колебаний по первой ивторой формам проходят через ось Z в силу осевой симметрии конструкции.Рисунок 3.37 – I-я собственная Рисунок 3.38 – II-я собственнаяформа, частота f1 = 1367 Гцформа, частота f2 = 8856 ГцСобственные частоты изгибных колебаний иглы составляют f1 = 1,15 кГц;f2 = 7,20 кГц; f3 = 20,12 кГц. В результате может быть установлен допустимыйдиапазон частот внешних колебаний (вибраций) от 0 до 0,7fmin = 0,8 кГц.3.4.2. Аналитическое моделирование трубчатого пьезоприводаОбщие уравнения расчета трубчатого пьезопреобразователя представлены вглаве 2 (подразделе 2.3). Рассмотрим реализацию этих уравнений для моделитрубчатого пьезопривода зондового микроскопа. Основным элементом пьезопривода является пьезокерамическая трубка с электродами, нанесенными на ее внутреннюю и внешнюю поверхности.116В литературе, как правило, не приводится критериев, согласно которымтрубку можно было бы явно отнести к тонко- или толстостенным, что необходимодля точного расчета чувствительности устройства.

Для рассматриваемой задачиоценим численно погрешности, которые возникают при использовании вместоуточненной формулы E(1) = U/[r ln(r2/r1)] , упрощенную – E(2) = U/h2.На рисунках 3.39 и 3.40 приведены распределения напряженностей поля E(1)и E(2) в стенке для двух моделей трубок с одинаковым внешним диаметром, равным 10 мм, но различной толщиной стенки – 1,0 мм и 0,3 мм.На рисунке 3.39 представлены две пары графиков: верхняя пара (1 и 2) – соответственно E(1) и E(2) для трубки толщиной 0,3 мм, вторая (нижняя) пара (3 и 4)– соответственно E(1) и E(2) для трубки толщиной 1,0 мм. На рисунке 3.40 видно,что расчет напряженности поля в трубке толщиной 1,0 мм, проводимый по формуле для E(2) вместо E(1) дает большую погрешность 12%, чем аналогичный расчет для трубки с толщиной стенки 0,3 мм — 3%.В целях оптимизации параметров трубки по критерию максимального прогиба, в настоящей работе проведено исследование зависимости прогиба трубки отширины активных и пассивных элементов.

Длина трубки составляет 50 мм, длинаиглы – 8,5 мм. На рисунке 3.41 представлены два графика зависимости коэффициента преобразования KY = v/U от угла °, определяющего ширину двух активных оппозитных электродов.Здесь v – величина поперечного смещения конца иглы, U – модуль электрического напряжения.

Нижний график соответствует аналитическому методу расчета, верхний – расчету по МКЭ. Как видно, результаты показывают хорошую согласованность, отклонения находятся в пределах 2 – 3%.На рисунке 3.42 показаны графики прогиба u пьезотрубки (ЦТС) с иглой.Длина иглы LИ = 0,24L. Толщина стенки h2 = 0,3 мм, электроды (Ag) имеют толщины h1 = h3 = hэ: 0; 20 и 40 мкм.117Е, В/мм400135030022502001503100450000,20,40,60,81(r – r1)/hРисунок 3.39 – Распределение напряженности электрического полявдоль толщины: 1 – E(1), h = 0,3 мм; 2 – E(2), h = 0,3 мм;3 – E(1), h = 1,0 мм; 4 – E(2), h = 1,0 мм;δЕ, %15101250-5-10-1500,20,40,60,81(r – r1)/hРисунок 3.40 – Погрешность E(2) относительно E(1):1 — h = 1,0 мм; 2 — h = 0,3 мм.1180,200,180,160,140,120,100,080,060,040,020,00KYАналит.МКЭθ°0102030405060708090Рисунок 3.41 – Зависимость прогиба трубки с иглой от углаактивного элемента °На первых трех графиках видно, что конец иглы (z/L > 1) имеет наибольшееперемещение, но при сканировании меняет свое угловое положение.

Расчетныезначения углов наклона составляют: 1,70; 1,49 и 1,32 соответственно кривым 1),2), 3).Для выравнивания положения зонда предлагается пьезотрубка с двумяучастками электродов, равными по длине: L1 = L2 = 25 мм. Число степеней свободы сканера увеличивается с 3 до 6.

На участке 2 электроды имеют потенциалыобратного знака по отношению к первому, что приводит к изгибу участков в противоположных направлениях. Графики 4) – 6) иллюстрируют формы прогиба сдвумя изгибами. При плавном изменении электрического напряжения зонд перемещается плоскопараллельно, сохраняя нулевой угол наклона. Однако в этомслучае уменьшается зона сканирования с 31,8 до 10,8 мкм и коэффициент KX=0,048…0,062 мкм/В.Увеличить ход иглы с сохранением ее положения без наклона можно, используя трубку, разделенную на две неравные части, например, L1 : L2 = 4:1.

Приэтом разность потенциалов на электродах короткого участка 2 должна быть в 4119раза выше напряжения на длинном участке 1. Ход иглы при U1,3 =  400 В увеличивается на 60% независимо от толщины электродов.Рисунок 3.42 – Поперечные смещения u(z) оси пьезотрубок с однимучастком электродов (верхние графики) и двумя участками(нижние графики) с учетом влияния толщины металлических электродов hэДругой способ увеличения хода зонда состоит в расширении секторов сприводными электродами. Например, изменение углов 1 = 3 с 90° до 120° дает увеличение хода на 22,5%. В результате передаточный коэффициент KX пьезосканера увеличивается на 96% и составляет от 0,094 до 0,121 мкм/В, что в 3,5раза выше аналогичной конструкции, исследованной в [70].Конец иглы сканера при трассировке удаляется от испытуемой плоскости вкрайних положениях на величину порядка dz = 7…11 Å.

Для компенсации отклонения dz управляющие напряжения должны иметь смещение dU около 112 мВ приноминальном напряжении Uн = 100 В. Тогда к электродам прикладываютсянапряжения: U1 = Uн – dU, U3 = –Uн – dU. При сканировании напряжения Uн и dUдолжны изменяться пропорционально.120Другим путем оптимизации пьезосканеров является разработка конструкций, обладающих более высокими собственными частотами колебаний и низкойчувствительностью к внешним вибрациям. Известными недостатками наиболеераспространенного консольного способа закрепления балочного пьезосканера вформе трубки (рисунок 3.43, а) являются низкие и сильно разнесенные собственные частоты изгибных колебаний и высокая чувствительность к внешним вибрациям.Предложена конструкция пьезосканера в форме балочного элемента, закрепленного на двух подвесках в узловых точках на расстоянии 0,224L от края,где L – полная длина балочного элемента (рисунок 3.43, б).

Подобный способкрепления, по сравнению с консольным закреплением (рисунок 3.43, а) позволяетснизить уход энергии в основание и повысить устойчивость к внешним вибрациям.YXZYXZМакет балочногоПринцип действия балочногоа)б)пьезопреобразователя на двухпьезопреобразователяРисунок 3.43 – Трубчатые балочные пьезосканеры:опораха) – исходная модель, консольное закрепление;б) – оптимизированная модель, закрепление на двух опорахВывод: используя метод конечных элементов и аналитический метод теорииупругости, проведено исследование напряженно-деформированного состояниятрубчатого пьезосканера в квазистатическом режиме и определены его динамические характеристики.Структурная схемаэкспериментальной установкиРезультаты исследования различнымиметодами121Разработана аналитическая методика моделирования трубчатых секционных пьезосканеров многослойной структуры.

На основе проведенных численныхэкспериментов установлена зависимость хода зонда от толщины электродов.Предложена модель с двумя участками групп электродов, позволяющая осуществлять плоскопараллельное движение зонда с компенсацией осевого отклонения конца иглы от идеальной плоскости. Полученные результаты могут использоваться при разработке и калибровке трубчатых пьезосканеров для зондовой микроскопии, это позволит увеличить чувствительность сканера и увеличить полесканирования.Предложена конструкция пьезосканера, обладающего более высокими собственными частотами и низкой чувствительностью к внешним вибрациям за счеткрепления трубчатого пьезопривода в двух узловых точках.3.5.

Разработка и исследование перистальтических микропьезонасосовМиниатюрные насосы с пьезоэлектрическим приводом широко используются в медицине, авиакосмической сфере, в современной вакуумной технике и вдругих областях для перекачки с высокой точностью малых объемов (менее 100мл) жидкостей и газов [17, 89]. Форвакуумные микронасосы с минимальными габаритами и энергопотреблением, необходимы, например, в системах массспектрометрии портативных аналитических лабораторий космических аппаратов.Подобные насосы позволяют получить остаточное давление на уровне 0,1 Па.Диапазон производительности Q микронасосов различных конструкций ипринципов действия лежит в пределах от 10 мкл/мин до нескольких мл/мин. Подробный обзор насосов и микронасосов приведен в статье [89]. Для медицинскихи биологических приложений важна не столько производительность, сколько стабильность и точная дозировка подачи препаратов.В связи с этим, наиболее перспективой и актуальной, на наш взгляд, представляется задача моделирования, исследования и разработки пьезонасосов перистальтического типа.

Исследование возможности применения сверхтонких пьезо-122элементов в таких насосах также представляет актуальную задачу. Несмотря нанебольшую производительность, достоинством перистальтических насосов является простота конструкции, отсутствие трущихся поверхностей, регулируемаяточность подачи жидкостей, в том числе вязких и агрессивных.Согласно приведенной в [89] классификации, такие насосы (в мини- и микро- исполнении) относятся к нагнетательным, мембранным, многокамерным, бесклапанным, с пьезоэлектрическими приводами на основе продольного или поперечного пьезоэффекта. В отличие от классических перистальтических насосов, вкоторых рабочая жидкость перемещается внутри эластичной трубки, периодически сжимаемой катящимися по ней роликами, а восстановление объема рабочейкамеры происходит за счет упругости трубки, в пьезонасосах сокращение и увеличений объема камеры происходит принудительно пьезоэлектрическим деформированием ее стенок.

Это обстоятельство позволяет применять перистальтические пьезонасосы как для создания невысокого вакуума, так и для прецизионногоперемещения жидкостей.Один из вариантов вакуумного пьезонасоса квазиперистальтического типа(рисунок 1.21) описан в патенте [94], а подобный ему по принципу действия насосшлюзового типа (рисунок 3.45) для перекачки жидкости приведен в патенте [92].В обеих конструкциях пьезоприводы представляют собой узкие многослойные пластины, закрепленные в поперечном направлении на герметичной диафрагме, в первом случае – пьезокерамические биморфы, во втором – пьезопластинки с тонкопленочными электродами. В продольном направлении зазор мембраны образует трубку с рабочими камерами. Под действием периодически подаваемых электрических импульсов локальный изгиб пьезоэлементов создает ростзазора между мембраной и подложкой (рисунок 1.21, см.

главу 1) или между двумя зеркально расположенными мембранами (рисунок 3.45), увеличивая рабочийобъем камеры.Для изгибных деформаций здесь используется поперечный пьезоэффект.Отсутствие напряжения или смена его полярности уменьшают зазор в рабочейкамере, вплоть до смыкания стенок. Последовательность импульсов с определен-123ной фазой создает эффект бегущей волны перемещения объема газа или жидкости. Следует отметить, что перенос жидкости или газа здесь осуществляется дискретно во времени за счет отпирания и запирания соответствующих областейнасосных камер.Рисунок 3.45 – Схема нагнетательного пьезонасоса [92]Модель пьезонасоса, описанная в работе [95], обладает монотонным перистальтическим видом переноса жидкости или газа. Рабочие камеры здесь образуетзазор между двумя металлическими плоскими дисками с системой пьезоэлементов.

Характеристики

Список файлов диссертации