Membrane piezoelectric MDS-actuator with a flat double spiral of interacting electrodes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A schematic diagram and mathematical model of functioning of a new piezoelectric membrane (MDS) actuator with double spiral (DS) electrodes on the upper and/or lower surfaces of a thin piezoelectric layer with axisymmetric and periodic (with a small period) in radial coordinate mutual reversed electric polarization are presented. The polarization of the layer was realized as a result of connecting the polarizing electric voltage of the appropriate value to the outputs of the double spirals of the electrodes. The electrodes of each (upper and lower) double spiral of the MDS-actuator are made in the form of electrodeposited ribbon coatings on the surfaces of the piezoelectric layer in close proximity to each other (due to the small spiral pitch) to create high values of electric field strength along the lines of force in localized areas of the piezoelectric layer between them when an alternating or constant control electric voltage is connected to the electrodes, in particular, with positive and negative values of the electrical potentials. Importantly, the electric field force lines and, as a consequence, the polarization of the piezoelectric layer of the MDS actuator are oriented mainly along (i.e. towards or against) the radial coordinate of the membrane, in contrast to many conventional actuator schemes. The results of numerical modeling for a circular elastic membrane with piezoelectric actuators installed on its upper and lower surfaces confirmed the effectiveness of the proposed piezoelectric MDS-actuator when it functions according to the “bimorph” scheme, including the use of the proposed new structural element (section) – a piezoelectric “compression ring” MDS at various geometric and control parameters. The effect of a significant increase in the membrane deflection with installed piezoelectric MDS-actuators compared to the use of traditional homogeneous plate piezoelectric actuators of bimorph type for different conditions of the membrane fixation, in particular, stationary (rigid) fixation of its center is revealed. For a hybrid piezoelectric MDS-actuator including independent concentric round and circular (i.e. “compression ring”) sections, the non-monotonic nature and numerical analysis of the nonlinear dependence of the largest deflection at the center of a hinge-immobile membrane fixed at the edge on the ratio of the radii of its round and circular MDS sections were revealed. The cases in which the effect of the “compression ring” is manifested, i.e. when the maximum deflection of a membrane with the “compression ring” exceeds the best possible value of the deflection of this membrane without its use in the traditional “bimorph” scheme, are identified. The new piezoelectric MDS-actuator can be used in micromechanics, controlled optics, sensor technology, acoustics, in particular, in the manufacture of piezoelectric acoustic or sensor elements of membrane type, electromechanical transducers for vibration energy collection.

About the authors

A. A. Pan’kov

Perm National Research Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: a_a_pankov@mail.ru
Russian Federation, Perm

References

  1. Tzou H.S. Piezoelectric shells (Distributed sensing and control of continua). Kluwer Academic Publishers. 1993. 320 p.
  2. Rubio W.M., Vatanabe S.L., Paulino G.H., Silva E.C.N. Functionally graded piezoelectric material systems – a multiphysics perspective / In book Advanced computational materials modeling: from classical to multi-scale techniques. Ed. M. Vaz Jr., E.A. de Souza Neto, P.A. Munoz-Rojas. Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2011. 414 p. P. 30–339; https://doi.org/10.1002/9783527632312
  3. Ebrahimi F. Piezoelectric materials and devices - practice and applications. IntechOpen, 2013. 176 p. https://doi.org/10.5772/45936
  4. Uorden K. Novye intellektual’nye materialy i konstrukcii. Svojstva i primenenie [New intelligent materials and structures. Properties and application]. M.: Tekhnosfera, 2006. 224 p
  5. Berlinkur D., Kerran D., ZHaffe G. P’ezoelektricheskie i p’ezomagnitnye materialy i ih primenenie v preobrazovatelyah / Fizicheskaya akustika. T. 1: Metody i pribory ul’trazvukovyh issledovanij. CHast’ A [Piezoelectric and piezomagnetic materials and their application in transducers/Physical acoustics. V. 1: Ultrasound methods and instruments. Part A]. M.: Mir, 1966. P. 204–326.
  6. Han J.M., Adriaens T.A., Koning W.L., Banning R. Modelling Piezoelectric Actuators // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2000. V. 5. № 4. P. 331–341; https://doi.org/10.1109/3516.891044
  7. Ivan I.A., Rakotondrabe M., Lutz P., Chaillet N. Quasistatic displacement self-sensing method for cantilevered piezoelectric actuators // Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics. 2009. V. 80. № 6. P. 065102–1/065102-8; https://doi.org/10.1063/1.3142486
  8. Sofronov A., Nikiforov V., Klimashin V. Bimorfnye p’ezoelektricheskie elementy: aktyuatory i datchiki [Bimorphic piezoelectric elements: actors and sensors] // Komponenty i tekhnologii. 2003. V. 30. № 4. P. 46–48.
  9. Zhu D., Almusallam A., Beeby S.P., Tudor J., Harris N.R. A bimorph multi-layer piezoelectric vibration energy harvester // PowerMEMS 2010 Proceedings. Belgium, Leuven. 2010. P. 1–4.
  10. Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V., Mažeika D., Lučinskis R., Navickas J. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators // Journal of Vibroengineering. 2013. V. 15. № 2. P. 1064–1068.
  11. Vatul’yan A.O., Getman I.P., Lapickaya N.B. Ob izgibe p’ezoelektricheskoj bimorfnoj plastiny [On bending of a piezoelectric bimorph plate] // Prikladnaya mekhanika. 1991. V. 27. № 10. P. 101–105.
  12. Vatul’yan A.O., Rynkova A.A. Ob odnoj modeli izgibnyh kolebanij p’ezoelektricheskih bimorfov s razreznymi elektrodami i ee prilozheniyah [About one model of bending oscillations of piezoelectric bimorfs with split electrodes and its applications] // Izvestiya RAN. MTT. 2007. № 4. P. 114–122; https://doi.org/10.3103/S0025654407040127
  13. Patent RF № 2099754. Jelstaun Korporejshn N.V. Deformiruemoe zerkalo na osnove mnogoslojnoj aktivnoj bimorfnoj struktury [Deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure]. Data zayavki: 17.10.1996. Data publikacii: 20.12.1997. 7 p.; URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  14. Antonyak YU.T., Vassergiser M.E. Raschet harakteristik izgibnogo p’ezoelektricheskogo preobrazovatelya membrannogo tipa [Calculation of the characteristics of a membrane-type bending piezoelectric transducer] // Akusticheskij zhurnal. 1982. V. 28. № 3. P. 294–302.
  15. Aronov B.S. Elektromekhanicheskie preobrazovateli iz p’ezoelektricheskoj keramiki [Electromechanical converters from piezoelectric ceramics]. Leningrad: Energoatomizdat, 1990. 270 p.
  16. Williams C.B., Yates R.B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems // Sensors and Actuators A: Physical. 1996. V. 52. № 1–3. P. 8–11.
  17. Abbakumov K.E., Konovalov R.S., Caplev V.M. Eksperimental’noe issledovanie diskovogo bimorfnogo p’ezoelektricheskogo generatora [Experimental study of a disk bimorph piezoelectric generator] // Izvestiya SPbGETU “LETI”. 2014. № 9. P. 59–63.
  18. Liu H., Zhong J., Lee C., Lee S.-W., Lin L. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications // Applied Physics Reviews. 2018. V. 5. № 4. P. 041306; https://doi.org/10.1063/1.5074184
  19. Vasil’ev V.A., Verem’yov V.A., Tihonov A.I. Vliyanie chastotnyh faktorov i parametrov na informativnyj signal p’ezoelektricheskih datchikov davleniya [Influence of frequency factors and parameters on the informative signal of piezoelectric pressure sensors] // Datchiki i sistemy. 2003. № 8. P. 5–9.
  20. SHarapov V.M., Musienko M.P., SHarapova E.V. P’ezoelektricheskie datchiki [Piezoelectric sensors]. Moscow: Tekhnosfera, 2006. 632 p.
  21. Mouhli M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators. Virginia Commonwealth University Publ., 2005. 100 p.; URL: https://scholarscompass.vcu.edu/etd/1552
  22. Panich A.E. P’ezokeramicheskie aktyuatory [Piezoceramic actuators]. Rostov na Donu: izd-vo RGU, 2008. 159 p.
  23. Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator // J. Intel. Mat. Syst. Struct. 2008. V. 19. № 1. P. 113–123; https://doi.org/10.1177/1045389X07083693
  24. El-Sayed A.M., Abo-Ismail A., El-Melegy M.T. et al. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs // Sensors. 2013. V. 13. P. 5826–5840; https://doi.org/10.3390/s130505826
  25. Bardin V.A., Vasil’ev V.A., CHernov P.S. Sovremennoe sostoyanie i razrabotki aktyuatorov nano- i mikroperemeshchenij [The current state and development of actuators of nano- and micro-movements] / Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma “Nadezhnost’ i kachestvo”. 2014. V. 2. P. 123–127.
  26. Bardin V.A., Vasil’ev V.A. Aktyuatory nano- i mikroperemeshchenij dlya sistem upravleniya, kontrolya i bezopasnosti [Actuators of nano- and micro-movements for control, control and safety systems] // Sovremennaya tekhnika i tekhnologii. 2014. № 2. P. 1–5; URL: https://technology.snauka.ru/2014/02/3057
  27. Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor // Actuators. 2021. № 10 (247). P. 1–15; https:// doi.org/10.3390/act10100247
  28. Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid // Proceedings Smart Structures and Materials. 1993. V. 1916: Smart Materials. 23 July 1993; https://doi.org/10.1117/12.148486
  29. Patent RF № 2723567. Lopast’ vozdushnogo vinta s upravlyaemoj geometriej profilya [Propeller blade with controlled profile geometry] / Pan’kov A.A., Anoshkin A.N., Pisarev P.V. Data zayavki: 18.11.2019. Data publikacii: 16.06.2020. 5 p.; URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  30. Patent RU № 2636255. P’ezoaktyuator izgibnogo tipa [Bending type piezoactuator] / Pan’kov A.A. Data zayavki: 14.04.2016. Data publikacii: 21.11.2017. 8 p.; URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  31. Patent US 2003/0056351 A1. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same / Wilkie W.K., et al. Application Publ. March 27, 2003.
  32. Emad D, Fanni MA, Mohamed AM, Yoshida S. Low-Computational-Cost Technique for Modeling Macro Fiber Composite Piezoelectric Actuators Using Finite Element Method // Materials (Basel). 2021. № 14 (15). P. 4316.
  33. Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades // Smart Mater. Struct. 2005. № 14. P. 745–753; https://doi.org/10.1088/0964-1726/14/4/033
  34. Sertifikat RU № 2018666421. Komp’yuternaya programma “MFC PROPERTIES” (MFCP) [Computer program “MFC PROPERTIES” (MFCP)] / Pisarev P.V., Anoshkin A.N., Pan’kov A.A. opubl.: 17.12.2018. zayavka № 2018663978 ot 05.12.2018.
  35. Pan’kov A.A., Anoshkin A.N., Pisarev P.V., Bayandin S.R. Using an electromechanical analogy to describe the damping characteristics of an MFC actuator // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. V. 1093. P. 012023.
  36. Kashyap R., Lenka T. R., Baishya S. A model for doubly clamped piezoelectric energy harvesters with segmented electrodes // IEEE Electron device letters. 2015. V. 36. № 12. P. 1369–1372.
  37. Patent RU № 2778161. Sposob uvelicheniya p’ezochuvstvitel’nosti bimorfa izgibnogo tipa [Method for increasing piezosensitivity of bimorph of bending type] / Pan’kov A.A., opubl.: 15.08.2022 Byul. № 23, zayavka № 2022101875 ot 27.01.2022 g.; URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  38. Patent US № 5632841. Thin layer composite unimorph ferroelectric driver and sensor / Hellbaum R.F., Bryant R.G., Fox R.L. Application Date: 24.01.1997. Publication Date: 27.05.1997. 12 p.; URL: https://patents.google.com/patent/US20010043027/fi
  39. Patent RU № 2793564. P’ezoelektricheskij bimorf izgibnogo tipa [Bending type piezoelectric bimorph] / Pan’kov A.A., opubl.: 04.04.2023 Byul. № 10, zayavka № 2022129727 ot 16.11.2022 g.
  40. Patent RU № 2803015. P’ezoelektricheskij aktyuator [Piezoelectric actuator] / Pan’kov A.A., opubl.: 05.09.2023 Byul. № 25, zayavka № 2023109123 ot 11.04.2023 g.; URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  41. Pobedrya B.E. Mekhanika kompozicionnyh materialov [Mechanics of composite materials]. Moscow: Izd-vo Mosk. universiteta, 1984. 336 p.
  42. Pan’kov A.A. A piezoelectric material with inverse polarization and Maxwell-Wagner relaxation of layers in a variable electric field // Mechanics of Composite Materials. 2014. V. 49. P. 577–584; https://doi.org/10.1007/s11029-013-9374-y
  43. Shindo Y., Narita F., Hirama M. Electromechanical field concentrations near the electrode tip in partially poled multilayer piezo-film actuators // Smart Mater. Struct. 2009. V. 18. P. 085020; https://doi.org/10.1088/0964-1726/18/8/085020
  44. Skaliukh A.S., Soloviev A.N., Oganesyan P.A. Modeling of piezoelectric elements with inhomogeneous polarization in ACELAN // Ferroelectrics. 2015. V. 483. P. 95–101; https://doi.org/10.1080/00150193.2015.1059138
  45. Gerasimenko T.E., Kurbatova N.V., Nadolin D.K., Nasedkin A.V., Nasedkina A.A., Oganesyan P.A., Skaliukh A.S., Soloviev A.N. Homogenization of piezoelectric composites with internal structure and inhomogeneous polarization in ACELAN-COMPOS finite element package / Wave Dynamics, Mechanics and Physics of Microstructured Metamaterials. Advanced Structured Materials. 2019. V. 109. P. 113–131; https://doi.org/10.1007/978-3-030-17470-5_8
  46. Dong X.-J., Meng G. Dynamic analysis of structures with piezoelectric actuators based on thermal analogy method // Int. J. Adv. Manufact. Technol. 2006. V. 27. P. 841–844; https://doi.org/10.1007/s00170-004-2290-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».