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.
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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.
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Fig. 38 a. Expansion thermique
linéaire de différentes céramiques PZT

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. 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. 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. 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. 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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