PI: actuateurs piezos, platines et electroniques

 
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Théorie du Piézo
 
Caractéristiques et Applications des Systèmes de Positionnement Piézos
Glossaire
Symboles et Unités
Introduction
Aperçu rapide
Fondamentaux de la  Piézoélectricité
Fondamentaux de la Piézomécanique
Actuateurs et Capteurs
Fondamentaux des Actuateurs  Piézoélectriques
Fondamentaux du Fonctionnement Dynamique
Fondamentaux Electriques des Actuateurs Piézos
Contrôle des Actuateurs  et Platines Piézos
Conditions Environnementales et Influences
Conception Basique des Systèmes de Positionnement Piézos
Cinématique / Métrologie Parallèlles et Série
PMN Comparés aux  PZT
Résumé
Guide de Montage et de Maniement des Translateurs Piézos

THÉORIE DU PIÉZO


 

Conditions  Environnementales  et  Influences
 
Effets de la Température 

Deux  effets doivent être pris en considération:

 
  • L'expansion Thermique Linéaire 
  • La dépendance en Température de l'Effet Piézo 


Expansion Thermique Linéaire 
La stabilité thermique des céramiques piézos est meilleure que la plupart des autres matériaux. La Fig. 38a  montre le comportement de plusieurs types de céramiques piézos utilisées par  PI. Les courbes décrivent uniquement le comportement des céramiques piézos. Les actuateurs et les systèmes de positionnement consistent en une combinaison de  céramiques piézos et d'autres matériaux et leur comportement global diffère en conséquence.

Dépendance  en Température de l'Effet Piézo
Les translateurs piézos fonctionnent dans une large gamme de   température. L'effet piézo dans les céramiques PZT  fonctionne presque   jusqu'au zéro kelvin, mais la valeur des coefficients piézo dépend de la température.

A la température de l'hélium liquide, l'élongation du piézo chute approximativement à 10–20%  de sa valeur à la température ambiante.

Les céramiques piézos doivent être polarisées pour présenter l'effet piézo. Une céramique piézo polarisée peut se dépolariser quand elle est chauffée au dessus de la température maximum de fonctionnement autorisée. Le "taux" de dépolarisation est relié à la température de Curie du matériau. Les actuateurs HVPZT de PI ont une  température de Curie de 350 °C et peuvent donc être utilisés jusqu'à  150 °C. Les actuateurs LVPZT ont une  température de Curie de 150 °C et peuvent fonctionner jusqu'à 80 °C. Les nouvelles céramiques monolithiques  PICMA®  avec leur haute  température de Curie de  320 °C permettent un fonctionnement à des  températures jusqu'à 150 °C.

Note
Les systèmes de positionnement piézo en boucle fermée sont moins   sensibles aux variations de température que les systèmes en boucle ouverte. Une précision optimum est atteinte si la température de fonctionnement est identique à la température du calibrage. Sauf  spécifié autrement, les céramiques piézos de  PI sont calibrés à 22 °C.

Fonctionnement Piézo  en  Humidité  Élevée
Les matériaux d'isolation polymère utilisés dans les actuateurs   piézocéramiques sont sensibles à l'humidité. Les molécules d'eau diffusent au travers de la couche du polymère et risquent de provoquer un court circuit des couches piézoélectriques. Les matériaux d'isolation utilisés dans les actuateurs  piézos sont sensibles à l'humidité. Pour des environnements à humidité plus élevée,  PI offre des systèmes spéciaux avec des empilements encastrés imperméables à l'eau, ou des mécanismes  intégrés à soufflage d'air sec.  
Les actuateurs  PICMA® présentent une meilleure solution  (voir Fig. 39a). Ils ont une isolation uniquement en céramique sans aucun revêtement  polymère et sont ainsi moins sensibles à la diffusion d'eau. (voir Fig. 39c).


Fonctionnement Piézo en  Atmosphère de Gaz Inertes
Les actuateurs PICMA®   isolés en céramique sont aussi recommandés pour l'utilisation dans des gaz inertes, tel que l'hélium. Pour réduire le risque de contournement électrique avec les piézos haute tension, la tension de fonctionnement  maximum doit être réduite. Il est recommandé un fonctionnement semi-bipolaire, car  la tension moyenne de fonctionnement peut être maintenue très faible. 

Fonctionnement sous Vide des Actuateurs  Piézos 
Tous les actuateurs piézos de  PI peuvent  fonctionner à des pressions inférieures à  100 Pa (~1 torr). Quand les actuateurs  piézos sont utilisés sous vide, il faut prendre en considération deux facteurs:  

I. La Stabilité Diélectrique

II. Le Dégazage 

I. La tension de claquage  diélectrique  d'un échantillon dans un gaz  spécifique est une  fonction de la pression p  multipliée par la distance des électrodes s. L'air présente une capacité d'isolation élevée à la pression  atmosphérique et à  très faible  pression. La tension minimum de claquage de  ~300 V se situe pour un produit  ps de 1000 mm Pa (~10 mm torr). C'est la raison pour laquelle les actuateurs  PICMA®  peuvent être utilisés avec une tension de fonctionnement maximum de 120 V  dans n'importe quelle condition de vide. Toutefois, le fonctionnement des actuateurs  HVPZT avec des  épaisseurs de couches diélectriques de 0,2 à 1,0 mm et des tensions  nominales de  1000 V n'est pas  recommandé dans la gamme de pression de  100 à 50000 Pa (~1  à  500 torr).

II. Le comportement de dégazage  varie d'un modèle à l'autre selon la conception. Les options pour ultravide  avec un dégazage minimum sont disponibles pour de nombreux actuateurs piézos standards, faible et  haute tension. Les  céramiques PICMA®  sont les mieux adaptées (voir Fig.39a) car elles n'ont pas de  polymères et peuvent résister à un   étuvage  à  150 °C (voir aussi  “Options” dans les sections “Actuateurs Piézos ” , p. see link).

Tous les matériaux utilisés dans les nanopositionneurs piézos compatibles   UHV, y compris les câbles et les connecteurs, sont  optimisés  pour un  taux de dégazage minimal  (voir Fig. 39b). La liste des matériaux est disponible  sur demande. 

 


Durée de Vie des Actuateurs  Piézos 


La durée de vie d'un actuateur piézo n'est pas limitée  par l'usure. Des tests ont montré que les actuateurs piézos de PI peuvent effectuer des milliards de cycles (109) sans aucune usure mesurable.

Toutefois, comme pour les condensateurs, l'intensité du champ a une influence sur la durée de vie. La tension moyenne doit être maintenue aussi faible que possible. La plupart des actuateurs et électroniques piézos sont conçus pour un fonctionnement  semi-bipolaire.

Il n'existe pas de formule générique pour déterminer la durée de vie d'un actuateur piézo car celle-ci dépend de très nombreux paramètres non-linéaires, tels que la température, l'humidité, la tension, l'accélération, la charge, la précharge, la fréquence de fonctionnement, les matériaux d'isolation, etc.. Les actuateurs piézos de PI ne sont pas seulement   optimisés pour un déplacement maximum, mais ont été conçus aussi pour une durée de vie maximum  dans des conditions de fonctionnement réelles. 

Les valeurs de la gamme de tension de fonctionnement dans les tableaux des fiches techniques sont basées sur  plusieurs décennies d'expériences  en nanomécanismes et en piézos  pour l'industrie. Des déplacements plus longs avec des tensions plus élevées ne peuvent être obtenus qu'au  détriment de la fiabilité.

Exemple:
Un
actuateur LVPZT P-842.60   (voir p. see link dans la section  “Actuateurs Piezos) est utilisé pour actionner un  commutateur  avec une course de  100 µm. Pendant  son temps de fonctionnement, le commutateur doit être ouvert  pendant 70 % de son temps et fermé pendant 30 %.

Solution optimum: L'actuateur doit être monté sur le commutateur de telle façon que la position ouverte soit obtenue  avec la tension de fonctionnement la plus faible possible. Pour atteindre un déplacement de 100 µm, une amplitude de tension de 110 volts  approximativement est nécessaire (le déplacement nominal à 100 V n'est que de 90 µm).

Comme le P-842.60 peut fonctionner jusqu'à  -20 volts, la position fermée sera obtenue  à  90 V, et la position ouverte à  -20 volts. Quand le commutateur n'est pas du tout en fonctionnement, la tension sur l'actuateur  piézo doit être à 0 volt.

Les statistiques montrent que la plupart des pannes des actuateurs piézos surviennent en raison d'une contrainte mécanique excessive. Les forces de traction et de cisaillement, les couples et les chocs mécaniques sont particulièrement destructeurs. Afin de protéger la céramique de telles forces, PI offre une variété d'actuateurs avec des précharges, des embouts à billes, des embouts flexibles ainsi que des conceptions customisées.

Des pannes peuvent aussi survenir  quand l'humidité ou des matériaux conducteurs tels que la poussière métallique  dégradent  l'isolation céramique du  PZT, entraînant  un claquage diélectrique irréparable. Dans des  environnements présentant de tels risques, les actuateurs PICMA® ayant leur isolation uniquement en céramique sont fortement recommandés. PI offre aussi des actuateurs et des platines scellés hermétiquement. 


 
 
Fig. 38 a. Linear thermal expansion of different PZT ceramics.
Fig. 38 a. Expansion thermique linéaire de différentes céramiques PZT


Fig. 38 b. The expansion of PICMA® piezoceramics is only slightly temperature dependent. This, and their low heat generation, makes them ideal for dynamic applications.
Fig. 38 b. L'expansion des céramiques piézos  PICMA®  ne dépend que légèrement de la température. Ceci et leur faible émission calorifique, les rendent  idéales pour les applications dynamiques.

Fig. 39 a. PICMA® actuators are made with ceramic-only insulation and can dispense with any polymer coating. Result No measurable outgasing, insensitive to atmospheric humidity and a wider operating temperature range.
Fig. 39 a. Les actuateurs  PICMA®  sont  constitués  d'une isolation uniquement  en céramique et ne nécessitent pas  de  revêtement  polymère.  Il en résulte un dégazage non mesurable, une insensibilité à l'humidité atmosphérique et une gamme  de température de fonctionnement plus étendue.

Fig. 39 b. P-733.UUD UHV-compatible XY stage for scanning microscopy applications. PICMA® ceramics are used here too. All materials used are optimized for minimal outgassing. Materials lists are available on request.
Fig. 39 b. Platine XY P-733.UUD compatible ultravide  pour les applications de microscopie électronique par balayage. Les céramiques  PICMA®   y sont  utilisées  aussi. Tous les matériaux utilisés sont optimisés pour un dégazage minimal. La liste  des matériaux  est fournie sur demande.

Fig. 39 c. PICMA® piezo actuators (lower curve) compared with conventional multilayer piezo actuators with polymer insulation. PICMA® actuators are insensitve to high humidity in this test. In conventional actuators, the leakage current begins to rise after only a few hours—an indication of degradation of the insulation and reduced lifetime. <br>Test conditions: U = 100 VDC, T = 25 °C, RH = 70%.
Fig. 39 c. Actuateurs piézos  PICMA®   (courbe inférieure) comparés aux actuateurs piézos multicouche avec  isolation polymère.  Les actuateurs  PICMA®    sont insensibles  à une   humidité élevée dans ce test.  Dans les actuateurs conventionnels le courant de fuite commence à monter  après seulement quelques heures -  indiquant  une dégradation de l'isolation et  une  durée de vie réduite. Conditions du test: U = 100 VDC, T = 25 °C, RH = 70%.

Fig. 39 d. P-885.50 PICMA® actuators with 15 MPa preload in dynamic motion test at 116 Hz. No observable wear after 1.2 billion (109) cycles.
Fig. 39 d. Les actuateurs  PICMA®  P-885.50 avec une précharge de 15 MPa dans un test de déplacement dynamique à 116 Hz.  Pas  d'usure constatée  après 1,2 milliards  (109) de cycles 

 
     

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