RU2662950C1 - Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации - Google Patents
Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662950C1 RU2662950C1 RU2017103546A RU2017103546A RU2662950C1 RU 2662950 C1 RU2662950 C1 RU 2662950C1 RU 2017103546 A RU2017103546 A RU 2017103546A RU 2017103546 A RU2017103546 A RU 2017103546A RU 2662950 C1 RU2662950 C1 RU 2662950C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strips
- converter
- piezoelectric
- bending deformation
- electrodes
- Prior art date
Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2041—Beam type
- H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам для обратимого преобразования механического напряжения в электрическое. Технический результат заключается в упрощении конструкции преобразователя и увеличении его эффективности при нано или микроразмерах преобразователя. Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом обратимом преобразователе для создания изгибной деформации, преобразователь выполнен из полосок пьезоэлектрического материала, соединенных по толщине между собой так, что электрические поляризации полосок направлены вдоль полосок и навстречу друг другу, а электроды разнесены вдоль полосок относительно друг друга. 1 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам для обратимого преобразования механического напряжения в электрическое и обратно.
Известно устройство для обеспечения электромеханического отклика [з. PCT/US2000/029260, МПК H01L 41/094, F03G 7/06, опубл. 03.05.2001], включающее в себя два полимерных полотна, соединенные друг с другом вдоль их длины, образуя таким образом изгибающий элемент. По крайней мере одно из полимерных полотен активируется при приложении к нему электрического поля за счет электрострикционного эффекта, возникающего при повороте полярных привитых частей молекул внутри полимерного полотна. В одном из двух вариантов одно из двух полимерных полотен является активным при приложении к нему электрического поля, а другое полимерное полотно является неактивным при приложении к нему электрического поля. В другом варианте оба из двух полимерных полотен являются активными при приложении к ним электрического поля. При функционировании эти два полимерных полотна попеременно активируются и деактивируются электрическим полем.
Из недостатков данного устройства следует отметить использование квадратичного электрострикционного эффекта вместо линейного пьезоэлектрического, что уменьшает эффективность преобразователя, а также использование полимерных материалов затрудняет изготовление полотен нанометровой толщины и ограничивает рабочий температурный диапазон.
Известен электрострикционный привод [патент США US 20040084997, МПК H01L 41/094, опубл. 6.05.2004], принятый за прототип, в котором используются две соединенные вместе пластины, обладающие электрострикционным эффектом. На обе стороны первой пластины нанесены первый и второй электроды. Аналогично на обе стороны второй пластины нанесены второй и третий электроды. Обе пластины соединены друг с другом по толщине так, что относительное изменение их длины приводит к их изгибу. Первый источник напряжения обеспечивает разность потенциалов между первым и третьим электродами. Второе переменное напряжение прикладывается между вторым и третьим электродом и вызывает относительное удлинение первой пластины и укорочение второй, либо наоборот. Относительное изменение длины обеих пластин вызывает изгиб соединенных вместе пластин в ту или иную сторону в зависимости от приложенного второго напряжения.
Недостаток данного устройства заключается в необходимости расположения трех электродов, как на внешних, так и на промежуточной границе двух соединенных по толщине слоев электрострикционного материала, что является сложным при уменьшении размеров преобразователя до наноразмеров. При этом из-за использования квадратичного электрострикционного эффекта вместо линейного пьезоэлектрического также уменьшается эффективность преобразователя.
Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции преобразователя и увеличении его эффективности при нано- или микроразмерах преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом обратимом преобразователе для создания изгибной деформации, состоящем из полосок пьезоэлектрического материала, соединенных по толщине между собой, новым является то, что электрические поляризации полосок направлены вдоль них и навстречу друг другу, а электроды разнесены вдоль полосок относительно друг друга.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый преобразователь отличается тем, что электрические поляризации обеих полосок пьезоэлектрического материала направлены латерально и навстречу друг другу, а электроды разнесены вдоль полосок относительно друг друга. Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Преобразователь состоит из двух соединенных полосок (1, 2) атомарной толщины с графеноподобной структурой планарного гексагонального нитрида бора (h-BN), электрическая поляризация которых направлена противоположно и вдоль длинных сторон полосок (см. чертеж). При изготовлении преобразователя обе полоски h-BN предварительно накладываются друг на друга с учетом оппозитного направления связей B-N в обеих полосках, а затем свариваются между собой путем создания множества структурных дефектов (7) - вакансий и/или межслоевых атомов при облучении данных полосок пучком высокоэнергетических частиц (ионов или электронов) с энергиями больше 100 эВ. Далее, сваренные по толщине полоски кладутся своими концами на два выступа (3), находящихся на общем основании (4). На разнесенных друг от друга частях полосок напыляются два электрода (5, 6), к которым прикладывается напряжение U.
При работе преобразователя путем прикладывания напряжения к обоим электродам пластины изгибаются в ту или иную сторону в зависимости от знака приложенного напряжения. Это происходит из-за того, что обратные пьезоэлектрические коэффициенты обеих сваренных полосок равны по модулю и обратны по знаку из-за оппозитного направления связей B-N в них. Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам пластин h-BN (ширина диэлектрической щели 5.2 эВ) электрическое напряжение, приложенное к ним, практически совпадает. За счет этого напряжения одна из пластин удлиняется, а вторая укорачивается. Жесткое соединение обеих пластин по толщине приводит к изгибу пластин.
Данный изгиб пластин может быть использован для создания изгибных нанопьезорезонаторов, для создания движения жидкости в наноразмерном канале при использовании множества параллельных преобразователей, к которым прикладывается переменное напряжение с разницей фаз между ними, подталкивающих поток жидкости, а также для других применений.
Данный преобразователь может быть использован в обратном режиме для генерации электрической мощности. При прикладывании силы к поверхности пластины она изгибается и за счет прямого пьезоэлектрического эффекта на электродах (5, 6) генерируется электрическое напряжение. Преобразователь в таком режиме может быть использован для преобразования переменного механического напряжения от давления на поверхность (дороги, гидравлическая труба) в переменное электрическое напряжение.
Claims (1)
- Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации, состоящий из полосок пьезоэлектрического материала, соединенных по толщине между собой, отличающийся тем, что электрические поляризации полосок направлены вдоль них и навстречу друг другу, а электроды разнесены вдоль полосок относительно друг друга.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017103546A RU2662950C1 (ru) | 2017-02-02 | 2017-02-02 | Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017103546A RU2662950C1 (ru) | 2017-02-02 | 2017-02-02 | Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2662950C1 true RU2662950C1 (ru) | 2018-07-31 |
Family
ID=63142398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017103546A RU2662950C1 (ru) | 2017-02-02 | 2017-02-02 | Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2662950C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2718376C1 (ru) * | 2019-10-14 | 2020-04-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | Комбинированная гелио-пьезоэлектрическая модульная установка |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3115588A (en) * | 1958-02-05 | 1963-12-24 | Raytheon Co | Electroacoustical apparatus |
US6297579B1 (en) * | 2000-11-13 | 2001-10-02 | Sandia National Laboratories | Electron gun controlled smart structure |
WO2001031172A3 (en) * | 1999-10-22 | 2002-04-25 | Nasa | Polymer-polymer bilayer actuator |
US20040084997A1 (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-06 | Arbogast Darin J | Electrical system for electrostrictive bimorph actuator |
-
2017
- 2017-02-02 RU RU2017103546A patent/RU2662950C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3115588A (en) * | 1958-02-05 | 1963-12-24 | Raytheon Co | Electroacoustical apparatus |
WO2001031172A3 (en) * | 1999-10-22 | 2002-04-25 | Nasa | Polymer-polymer bilayer actuator |
US6297579B1 (en) * | 2000-11-13 | 2001-10-02 | Sandia National Laboratories | Electron gun controlled smart structure |
US20040084997A1 (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-06 | Arbogast Darin J | Electrical system for electrostrictive bimorph actuator |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2718376C1 (ru) * | 2019-10-14 | 2020-04-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | Комбинированная гелио-пьезоэлектрическая модульная установка |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2705647C2 (ru) | Исполнительное или сенсорное устройство на основе электроактивного полимера | |
Wax et al. | Electroactive polymer actuators and devices | |
Kakimoto et al. | Fabrication of fibrous BaTiO3-reinforced PVDF composite sheet for transducer application | |
US8487505B2 (en) | Polymer actuator | |
Wang et al. | A compact and high flow-rate piezoelectric micropump with a folded vibrator | |
US7888846B2 (en) | Actuator | |
EP1919072A1 (en) | A multilayer composite and a method of making such | |
DE602004029989D1 (de) | Eingerollte elektroaktive polymere | |
RU2662950C1 (ru) | Пьезоэлектрический обратимый преобразователь для создания изгибной деформации | |
Chen et al. | A square-plate ultrasonic linear motor operating in two orthogonal first bending modes | |
Wu et al. | Extraordinary electromechanical actuation of Ti2C MXene | |
CN103346699B (zh) | 基于电热驱动的v+u型复合梁微致动器及其制备方法 | |
Peng et al. | Construction and verification of a linear-rotary microstage with a millimeter-scale range | |
CN104022679A (zh) | 夹持式纵弯复合超声电机振子 | |
US9705425B2 (en) | Piezoelectric linear motor | |
Jung et al. | Micro inchworm robot actuated by artificial muscle actuator based on nonprestrained dielectric elastomer | |
JP2012061388A5 (ru) | ||
Anderson et al. | A dielectric elastomer actuator thin membrane rotary motor | |
Glazounov et al. | Torsional actuator and stepper motor based on piezoelectric d15 shear response | |
Carpi et al. | Electroactive polymer artificial muscles: an overview | |
EA013443B1 (ru) | Электромеханический преобразователь | |
Liu et al. | A novel compact bolted-type piezoelectric actuator excited by two excitation methods: design, simulation, and experimental investigation | |
Li et al. | Design and fabrication of a microfluidic chip driven by dielectric elastomers | |
JP2008211879A (ja) | アクチュエータおよび駆動装置 | |
KR100460330B1 (ko) | 선형 초음파모터의 하프-바이몰프형 진동자 |