Nghiên cứu và ứng dụng piezo actuator

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐẶNG HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PIEZO ACTUATOR

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Trọng Tài

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Nguyễn Đức Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ Nguyễn Quốc Chí

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 04 tháng 01 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Hồ Phạm Huy Ánh – Chủ tịch Hội đồng.
2. TS. Nguyễn Lê Dũng – Thư ký.
3. TS. Nguyễn Đức Thành – Phản biện 1.
4. TS. Nguyễn Quốc Chí – Phản biện 2.

5. TS Nguyễn Thiện Thành - Ủy viên.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-------------

----------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đặng Hoàng Chương

MSHV: 13150480

Ngày, tháng, năm sinh: 07/01/1981

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa Mã số: 60520216

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu và ứng dụng Piezo Actuator
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu về piezo và mơ phỏng điều khiển vị trí bằng các thuật tốn
điều khiển khác nhau;
2. Thiết kế và mơ phỏng cơ cấu khuếch đại cho piezo actuator;
3. Thi công cơ cấu khuếch đại, khảo sát các đặc tính trên mơ hình thực;
4. Chế tạo thiết bị quay với độ chính xác cao dựa trên nguyên lý stick slip và điều khiển vị trí.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/20154
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Trọng Tài
TP.HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

tháng 12 năm 2015

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

Nguyễn Trọng Tài
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


LỜI CÁM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc khẩn trương thì đề tài: “Nghiên cứu
và ứng dụng Piezo Actuator” đã được hoàn thành.
Bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân, em cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu
sắc đến:
- Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Tài đã tận tình hướng dẫn em hồn
thành luận văn tốt nghiệp này;
- Các thầy cô thuộc Bộ mơn Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa nói riêng

và các thầy cô thuộc Khoa Điện – Điện Tử của trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
nói chung đã giúp đỡ và chỉ dạy em trong suốt quá trình học tập cũng như q trình
nghiên cứu tại trường;
- Tồn thể các bạn bè, đồng nghiệp, người thân và đặc biệt là gia đình đã
ln quan tâm động viên, giúp đỡ em trong suốt q trình học tập và hồn thành
bản luận văn này.
Luận văn này tuy đã được hoàn thành nhưng vẫn cịn nhiều hạn chế và thiếu
sót. Kính mong sẽ nhận được sự nhận xét và đóng góp của q thầy cơ để em có
điều kiện hồn thiện về kiến thức chuyên môn cũng như trưởng thành hơn trong sự
nghiệp.
Ngày 10 tháng 12 năm 2015
Học viên thực hiện
Đặng Hoàng Chương


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Dẫn động áp điện có thời gian đáp ứng nhanh, tạo lực lớn, độ co giãn nhỏ được
ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác lên đến micro mét. Do đó, nhiệm
vụ của luận văn là tìm hiểu mơ hình tốn và nghiên cứu các bộ điều khiển vị trí của
dẫn động áp điện. Ứng dụng dẫn động áp điện chế tạo thiết bị quay hai bậc tự do
dựa trên nguyên lý chuyển động trượt – dính. Thiết kế cơ cấu đàn hồi nhằm khuếch
đại dịch chuyển của dẩn động áp điện dựa vào phương pháp phân tích phần tử hữu
hạn trên phần mềm ANSYS. Khảo sát các đáp ứng tĩnh, đáp ứng động, đáp ứng tần
số và đưa ra bộ điều khiển vị trí với độ chính xác thiết bị quay khoảng 0,20 trên mơ
hình thực.

MASTER'S THESIS ABSTRACT
Piezoelectric has fast response, strong force generating and small elasticity,
which are applied in some fields required high accurate up to micrometer.
Therefore, the task of this thesis is research in mathematics model and position

controllers of Piezoelectric. The application of Piezoelectric is used to create 2 DOF
spin equipment based on principle of slide-stick motion. Designing elastic structure
aim to amplify the motion of Piezoelectric based on Finite Element Analysis
method on ANSYS software. Examining on static and dynamic responses,
frequency responses to generate signal for position controller with accuracy of spin
element about 0.2 degree on real plant.


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi tên: Đặng Hoàng Chương, hiện tại là học viên cao học ngành Kỹ Thuật
Điều Khiển và Tự Động Hóa tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM (Mã số học
viên: 13150480).
Tôi xin cam đoan những điều nhưsau:
- Luận văn này do chính tơi thực hiện;
- Mọi cơng thức, đồ thị, kết quả tính tốn đều do chính tơi thực hiện hoặc có
nguồn gốc tham khảo rõ ràng.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn tốt nghiệp của mình.
Tác giả


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9
Chương 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 10
1.1. Tính cấp thiết ...............................................................................................10
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: .................................................10
1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước: .....................................................................10
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước: .....................................................................12
1.3. Nội dung thực hiện .......................................................................................13
1.4. Hướng giải quyết..........................................................................................13
Chương 2: NGHIÊN CỨU DẪN ĐỘNG ÁP ĐIỆN ............................................. 14

2.1. Tìm hiểu về áp điện ......................................................................................14
2.1.1. Tổng quan về áp điện ...............................................................................14
2.1.2. Các dạng gốm áp điện ..............................................................................17
2.1.3. Mối tương quan giữa điện và độ co giãn của áp điện ..............................17
2.1.4. Một số cơng thức tốn của áp điện: .........................................................17
2.1.5. Tần số cộng hưởng ...................................................................................19
2.2. Một số ứng dụng của áp điện .......................................................................20
2.3. Dẫn động áp điện .........................................................................................20
2.3.1. Định nghĩa ................................................................................................20
2.3.2. Một số hình dạng dẫn động áp điện .........................................................21
2.3.3. Một số ứng dụng của dẫn động áp điện ...................................................22
2.4. Đặc tính của dẫn động áp điện .....................................................................22
2.4.1. Thành phần hysteresis ..............................................................................23
2.4.2. Thành phần Creep ....................................................................................27
2.4.3. Thành phần vibration dynamics ...............................................................28


2.4.4. Mơ phỏng điều khiển vị trí dẫn động áp điện: .........................................28
Chương 3: ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG ÁP ĐIỆN ......................................... 34
3.1. Giới thiệu: ....................................................................................................34
3.2. Đặt vấn đề thiết kế: ......................................................................................35
3.3. Nguyên lý chuyển động: ..............................................................................39
3.4. Thiết kế cơ cấu khuếch đại Moonie .............................................................41
3.4.1. Xây dựng mơ hình cơ cấu khuếch đại Moonie ........................................41
3.4.2. Tối ưu hoá bài toán thiết kế ......................................................................44
3.5. Thiết kế cơ cấu đàn hồi ................................................................................47
3.5.1. Xây dựng mơ hình cơ cấu đàn hồi ...........................................................47
3.5.2. Tối ưu hố bài toán thiết kế ......................................................................48
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................. 53
4.1. Thực nghiệm xác định đáp ứng tĩnh: ...........................................................54

4.2. Thực nghiệm xác định đáp ứng tần số của cơ cấu đàn hồi ..........................56
4.2.1. Mô tả thực nghiệm: ..................................................................................56
4.2.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................56
4.2.3. Đánh giá kết quả:......................................................................................63
4.3. Thực nghiệm đo đáp ứng tần số dạn sóng răng cưa của cơ cấu đàn hồi: ....63
4.3.1. Mô tả thực nghiệm: ..................................................................................63
4.3.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................63
4.3.3. Đánh giá kết quả .......................................................................................68
4.4. Thực nghiệm đánh giá đáp ứng động của thiết bị quay ...............................68
4.4.1. Mô tả thực nghiệm: ..................................................................................69
4.4.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................69
4.4.3. Đánh giá kết quả .......................................................................................72


4.5. Thực nghiệm khảo sát vận tốc của thiết bị quay ..........................................73
4.5.1. Cách bố trí thực nghiệm ...........................................................................73
4.5.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................73
4.5.3. Đánh giá kết quả .......................................................................................74
4.6. Điều khiển vị trí thiết bị quay ......................................................................74
4.6.1. Mơ phỏng trên Simulink Matlab: .............................................................74
4.6.2. Điều khiển trên mơ hình thực:..................................................................76
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 79
5.1. Kết luận ........................................................................................................79
5.2. Hướng phát triển của đề tài ..........................................................................79
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ: ............................................................ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 81


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển như hiện nay, đặc biệt là
các ngành về gia cơng chính xác, công nghệ vật liệu, công nghệ nano… đang phát
triển hết sức mạnh mẽ. Các cơng nghệ này góp phần không nhỏ vào việc tạo ra giá
trị cao hơn cho cuộc sống con người, tạo ra các sản phẩm ưu việt hơn, thời gian sản
xuất sản phẩm nhanh hơn để đáp ứng cho nhu cầu ngày càng cao của con người
trong thời đại mới.
Do nhu cầu ngày càng cao, nên độ chính xác của thiết bị, sản phẩm ngày càng
được yêu cầu khắt khe hơn. Vì vậy trong mọi lĩnh vực đều muốn sản phẩm đạt được
độ chính xác cao nhất để đáp ứng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và yêu cầu
của sản phẩm. Từ đó để đạt được độ chính xác như vậy các nhà nghiên cứu đã tìm
ra những loại vật liệu mới và cơ cấu mới có khả năng tạo chuyển vị cực nhỏ để phục
vụ xây dựng các yêu cầu chính xác của sản phẩm. Đề tài này sẽ nghiên cứu vật liệu
áp điện và đề xuất một thiết bị quay có độ chính xác cao dựa trên sự dẫn động áp
điện thơng qua bộ khuếch đại cơ khí và ngun lý “dính-trượt” để phục vụ cho các
nhu cầu địi hỏi độ chính xác.
Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

Luận văn Thạc sĩ

9


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1. Tính cấp thiết
Trong giai đoạn hiện nay, vật liệu áp điện đã được sản xuất và xuất hiện nhiều
trên thị trường. Gốm áp điện là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng dẫn động có vị
trí micro bởi vì lực tác động vào lớn, độ dịch chuyển bé, với băng thông rộng và
thời gian đáp ứng nhanh. Thiết bị dẫn động áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện ngược
để tạo ra những chuyển động với độ phân giải có thể lên tới nanomet. Nó được ứng
dụng rộng rãi trong các ứng dụng mirco hay nano. Tuy nhiên, mơ hình và điều
khiển dẫn động áp điện là vấn đề khó khăn. Khó khăn là giải quyết khâu phi tuyến
và hiệu quả của mơ hình dẫn động áp điện có thành phần hysteresis trong thời gian
vơ cùng bé. Ảnh hưởng đó làm giảm chất lượng điều khiển, thậm chí làm mất ổn
định hệ thống. Đồng thời sử dụng vật liệu áp điện nhằm tạo ra cơ cấu quay có độ
chính xác cao.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước:
1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước:
Giải quyết khâu phi tuyến hysteresis luôn thách thức các nhà nghiên cứu trong
thời gian qua. Một số cơng trình nghiên cứu đề xuất mơ hình và phương pháp điều
khiển dẫn động áp điện như sau:
 Mơ hình và điều khiển dẫn động áp điện của Jingyang Peng năm 2012
nghiên cứu các mơ hình dẫn động áp điện mới. Trên cơ sở đó, đưa ra các bộ điều
khiển như trượt, trượt kết hợp với bộ PID và sử dụng bộ quan sát để loại trừ giá trị
phi tuyến của đối tượng.
 Wen-Fang Xie, Jun Fu, Han Yao and C.-Y. Su đưa ra bộ điều khiển thích
nghi cho đối tượng dẫn động áp điện. Sử dụng mạng neural nhiều lớp để ước lượng
giá trị hysteresis của áp điện.
 Wei Tech Ang, Francisco Alija Garmón, Pradeep Khosla and Cameron N.
Riviere của trường đại học Carnegie Mellon đề xuất mơ hình của thành phần
hysteresis của áp điện và phương pháp điều khiển. Đó là sử dụng mơ hình ngược
loại bỏ thành phần hysteresis.
Luận văn Thạc sĩ

10


Học viên: Đặng Hồng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

 Mơ hình và bù thành phần hysteresis trong dẫn động áp điện của Kenta
Seki, Michael Ruderman và Makoto Iwasaki, Viện công nghệ Nagoya, Nhật Bản.
Ngồi ra, cịn rất nhiều nghiên cứu đưa ra những bộ điều khiển, thuật toán
nhằm loại bỏ hiện tượng hysteresis để điều khiển đạt độ chính xác cao.
Bên cạnh đó, để tăng độ chính xác chuyển động thì các ứng dụng của cơ khí
như là thay thế các khớp nối truyền thống bằng các khớp nối đàn hồi để tận dụng
các ưu điểm của khớp nối đàn hồi cũng được các nhà khoa học trên thế giới quan
tâm nghiên cứu. Một số cơng trình nghiên cứu cơ cấu chấp hành sử dụng dẫn động
áp điện như sau:
 Bài báo của Kai Zhou; Yangmin Li trình bày một cơ cấu định chuyển động
phẳng micro dựa trên khớp bản lề đàn hồi mà cho phép các phạm vi chuyển động
theo hướng x và y lớn. Một cơ cấu khuếch đại chuyển vị loại mới được giới thiệu,
nó được dựa trên các nguyên tắc điều khiển và dẫn hướng của các khớp bản lề đàn
hồi. Khơng chỉ nó có thể khuếch đại chuyển vị tuyến tính một cách chính xác mà
cịn có những ưu điểm như là độ chính xác cao trong việc khuếch đại chuyển vị, đối
xứng tốt, khơng có chuyển vị phụ. Bằng việc thiết lập mơ hình động học của cơ cấu,
chúng ta có thể hiểu được nguyên lý của cơ cấu và tỷ lệ khuếch đại có thể được tính
tốn một cách phù hợp. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được thực hiện bằng cách
sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích tất cả các thơng số tĩnh của cơ cấu. Cuối
cùng, lý do của “mất chuyển vị” – “displacement loss” được phân tích và làm rõ.
 Byung-Ju Yi; Goo Bong Chung; Heung Yeol Na; Whee Kuk Kim; Il Hong
Suh đưa ra một cơ cấu định vị micro loại song song 3 bậc tự do phẳng được thiết kế
với mục đích mơ hình hóa khớp bản lề đàn hồi chính xác. Đối với điều này, phân

tích động học sơ bộ bao gồm các động học nghịch, động học nội, và mơ hình hóa độ
cứng phân tích tham chiếu đến tọa độ làm việc được trình bày. Đầu tiên, loại khớp
trụ của khớp bản lề đàn hồi 1 bậc tự do được xem xét. Kết quả mô phỏng dựa trên
phương pháp phần tử hữu hạn, tuy nhiên, nó khơng trùng khớp với các kết quả phân
tích. Điều này là do các sự dãn dài trục một ít dọc theo hướng liên kết cái mà giữ cơ
cấu ở vị trí chính xác. Để đối phó với vấn đề này, một mơ hình khớp bản lề đàn hồi
2 bậc tự do bao gồm bậc chuyển động bổ sung như là một khớp lăng trụ được sử
Luận văn Thạc sĩ

11


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

dụng ở một phần, và các cơ cấu chấp hành phụ được bổ sung để bù đắp cho sự
chuyển động của mơ hình mới này. Trên cơ sở của mơ hình này, độ chính xác vị trí
được đảm bảo.Các hiệu suất của mơ hình chính xác này được thể hiện thơng qua cả
mơ phỏng và thực nghiệm. Bài báo này nhấn mạnh rằng việc mơ hình hóa chính xác
của một khớp bản lề đàn hồi là quan trọng để đảm bảo tính chính xác vị trí của các
cơ cấu micro song song sử dụng khớp bản lề đàn hồi.
 Xueyan Tang; I-Ming Chen đề xuất một cơ cấu song song đàn hồi (FPM –
Flexure Parallel Mechanism) XYZ với chuyển vị lớn và cấu trúc động học tách biệt.
Chuyển vị lớn FPM có dải chuyển động lớn hơn 1 mm. Hơn nữa, cơ cấu định vị
XYZ tách biệt này có sai số chéo trục nhỏ và chuyển động quay phụ nhỏ. Trong
nghiên cứu này, các khớp trụ điển hình được nghiên cứu, và một khớp trụ chuyển vị
lớn mới sử dụng khớp bản lề cổ khoét được thiết kế.Thiết kế ý tưởng của FPM được
đề xuất bằng việc lắp ghép các module khớp trụ, và sau đó thiết kế tối ưu của FPM
được xây dựng.Các mơ hình phân tích của độ cứng tuyến tính và động lực học được

suy ra bằng việc sử dụng phương pháp khối cứng giải. Cuối cùng, mô phỏng số sử
dụng ANSYS được xây dựng để phân tích mơ hình để xác nhận phương trình động
lực học phân tích. Thực nghiệm được tiến hành để xác nhận thiết kế đề xuất cho độ
cứng tuyến tính, sai số chéo trục và chuyển động quay phụ.
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước:
Hiện nay, trong nước đã có một số nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu áp
điện như:
 Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm
khoa học và công nghệ Việt Nam về Nguyên cứu chế tạo và các tính chất của gốm
áp điện của Thân Trọng Huy, 2014.
 Thiết kế hình dạng và mô phỏng hoạt động của cơ cấu dẫn động với độ
phân giải micron của Phạm Huy Hoàng và Trần Văn Thùy năm 2008.
 Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, khoa Cơ khí
về mơ hình hóa động cơ áp điện bằng phương pháp phần tử hữu hạn của Nguyễn
Quang Sáng, 2005.
Tuy nhiên, các lĩnh vực này chưa được các nhà khoa học trong nước quan tâm
Luận văn Thạc sĩ
12


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

nghiên cứu nhiều, điều đó làm cho khoa học của nước nhà khó bắt kịp với thế giới.
Điều này dẫn đến việc tiếp cận các nghiên cứu hiện đại của các nhà khoa học trong
nước gặp nhiều khó khăn.
1.3. Nội dung thực hiện
 Nghiên cứu và mơ phỏng điều khiển vị trí dẫn động áp điện;
 Chế tạo cơ cấu khuếch đại cơ khí, kiểm tra và đánh giá đặc tính của cơ cấu

thông qua thực nghiệm;
 Nghiên cứu thiết kế thiết bị quay chính xác cao theo nguyên lý dính – trượt;
 Chế tạo mơ hình thiết bị quay chính xác cao;
 Thực nghiệm điều khiển vị trí thiết bị quay.
1.4. Hướng giải quyết
 Tham khảo các bộ điều khiển vị trí cho dẫn động áp điện đã được nghiên
cứu từ đó mơ phỏng bộ điều khiển thích hợp trên phần mềm thương mại MATLAB;
 Tham khảo các cơ cấu khuếch đại đã được nghiên cứu và sử dụng trên thế
giới để đưa ra thiết kế phù hợp của đề tài;
 Sử dụng phần mềm thương mại SOLIDWORKS để thiết kế cơ cấu khuếch
đại và sử dụng phần mềm thương mại ANSYS để mô phỏng ứng suất của cơ cấu
khuếch đại và đưa ra các thông số tối ưu của cơ cấu;
 Chế tạo thiết bị quay chính xác cao;
 Sử dụng phần mềm thương mại MATLAB để cấp nguồn cho dẫn động áp
điện thông qua card điều khiển PC1711 và bộ khuếch đại điện áp THORLABS
MDT694A đánh giá đáp ứng tĩnh, đáp ứng động, tần số hoạt động của thiết bị quay;
 Sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 cấp nguồn tín hiệu dẫn động áp
điện điều khiển vị trí thiết bị quay.

Luận văn Thạc sĩ

13


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Chương 2: NGHIÊN CỨU DẪN ĐỘNG ÁP ĐIỆN
2.1.

Tìm hiểu về áp điện:

2.1.1.

Tổng quan về áp điện:

Năm 1880, Jacques và Pierre Curie phát hiện ra một đặc điểm bất thường của
tinh thể khoáng chất nhất định: khi chịu một lực cơ học, các tinh thể trở nên phân
cực điện. Tinh thể bị căng hay nén sẽ tạo ra điện áp và tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
Sau đó, mối quan hệ này đã được khẳng định: nếu một tinh thể tạo ra điện áp khi
được tiếp xúc với một điện trường, nó bị kéo dài hoặc rút ngắn theo cực của điện
trường , và tỉ lệ với sức mạnh của điện trường. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng
áp điện và hiệu ứng áp điện nghịch, tương ứng, từ tiếng Hy Lạp piezein , nghĩa là
phải bấm hoặc bóp.

Trước khi có lực tác động

Sau khi có lực tác động

Một vài thập niên sau đó, áp điện chỉ được nghiên cứu và tìm hiểu trong phạm
vi thí nghiệm. Sau chiến tranh thế giới thứ nhất, áp điện được với thiệu dưới dạng
một ứng dụng, đó là thiết bị sonar. Sau đó, hàng loạt các ứng dụng của áp điện ra
đời. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, nhóm nghiên cứu của Mỹ, Liên xô và Nhật
đã khám phá ra vật liệu nhân tạo, gọi là ferroelectric, có các thơng số cao hơn vật
liệu áp điện tự nhiên. Mặc dù, tinh thể thạch anh vẫn được sử dụng để kiểm tra các
thiết bị âm thanh. Kết quả nghiên cứu đó đã tạo tiền đề cho các vật liệu áp điện
nhân tạo phổ biến sau này.
Mặc dù độ lớn điện áp, sự thay đổi hoặc lực nhỏ của áp điện thường cần
khuếch đại. Vật liệu áp điện đã được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng. Các

Luận văn Thạc sĩ

14


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

hiệu ứng áp điện được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến, chẳng hạn như trong
lực hay dịch chuyển cảm biến. Các hiệu ứng áp điện nghịch được sử dụng trong các
ứng dụng dẫn động, chẳng hạn như trong động cơ và các thiết bị kiểm sốt chính
xác định vị, và trong việc tạo ra âm thanh và tín hiệu siêu âm. Trong thế kỷ 20 gốm
áp điện và vật liệu nhân tạo khác cho phép các nhà thiết kế để sử dụng các hiệu ứng
áp điện và các hiệu ứng áp điện ngược trong nhiều ứng dụng mới. Những vật liệu
này thường có độ bền cao và trơ về mặt hóa học và tương đối rẻ tiền để sản xuất.
Thành phần, hình dạng và kích thước của một gốm Áp điện có thể được thay đổi để
đáp ứng các yêu cầu mục đích cụ thể.
Các vật liệu có đặc tính áp điện:
 Trong tự nhiên: thạch anh, đường mía, Collagen, Topaz, DNA, muối
Rochelle, gỗ và nhiều loại vật liệu khác…
 Tinh thể

nhân

tạo: Gallium orthophosphate

(GaPO4),

Langasite

(La3Ga5SiO14).
 Gốm nhân tạo:
 Barium titanate(BaTiO3) – Đây là vật liệu gốm áp
điện được phát hiện đầu tiên.
 Lead zirconate titanate (

, 0
Vật liệu này được sử dụng phổ biến hiện nay.
 Lithium niobate (LiNbO3).
Gốm áp điện được sản xuất phổ biến từ cơng thức chì
zirconate/titanate có độ nhạy cao và nhiệt độ hoạt động cao
hơn, so với gốm khác , và "PZT" vật liệu áp điện dạng gốm
được sử dụng rộng rãi nhất. Một vật được cấu tạo bởi yếu tố
PZT (chì Pb, Zorconi, Titan) sẽ có tính chất áp điện. Họ
gốm PZT có cơng thức chung là

, giá trị x

thường sấp xỉ 0.5, quyết định tích chất vật lý, tính chất nhiệt
của vật liệu. Một gốm áp điện truyền thống là một khối tinh
thể gốm perovskite, gồm một lượng nhỏ ion kim loại có hóa
trị 4, thường titanium hoặc zirconium , trong một mạng của các ion lớn hơn, ion
Luận văn Thạc sĩ
15


Học viên: Đặng Hồng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

kim loại hóa trị hai, thường chì hoặc bari, và O2- ion. Dưới điều kiện tinh thể đối
xứng có bốn gốc hoặc khối 6 mặt, mỗi tinh thể có một moment lưỡng cực.
Để chuẩn bị một gốm áp điện, bột PZT của các oxit kim loại thành phần được
trộn theo tỷ lệ cụ thể , sau đó đun nóng để tạo thành một loại bột đồng nhất . Bột Áp
điện được trộn với một chất kết dính hữu cơ và được thành lập vào yếu tố cấu trúc
có hình dạng mong muốn (đĩa, thanh, tấm,…). Các yếu tố này được bắn theo một
thời gian và nhiệt độ cụ thể, trong đó áp điện hạt bột thiêu kết và các nguyên liệu
đạt một cấu trúc tinh thể dày đặc . Các yếu tố này được làm mát bằng nước, các
điện cực được áp cho các bề mặt thích hợp.
Trên một nhiệt độ tới hạn, các điểm Curie, mỗi tinh thể perovskite trong các
yếu tố gốm nung hình thành một đối xứng khối đơn giản khơng có moment lưỡng
cực. Tuy nhiên, ở nhiệt độ dưới điểm Curie , mỗi tinh thể có đối xứng có bốn gốc
hoặc khối và một moment lưỡng cực. Hướng phân cực trong vùng lân cận là ngẫu
nhiên, tuy nhiên, gốm khơng có phân cực tổng thể.
Các miền trong một phần tử gốm áp điện được liên kết bằng cách cung cấp
điện trường trực tiếp và đủ mạnh, thường ở nhiệt độ hơi thấp Curie điểm. Khi không
cung cấp trường điện, hầu hết các cực được cố định vĩnh viễn.

Những lợi ích của việc sử dụng áp điện như: thời gian đáp ứng nhanh, tạo ra
lực lớn, không tạo ra từ trường, mô tường sạch, chân không... Áp điện được ứng
dụng nhiều trong cuộc sống như tạo ra nguồn năng lượng và điện áp cao, cảm biến
motor, các thiết bị y tế hay lưu trữ dữ lệu…Tuy nhiên, gốm áp điện có những
khuyết điểm như: dễ bị ảnh hưởng của nhiễu điện trường; thơng số cơ khí: thiết kế
và lắp đặt có thể phát sinh ma sát làm giới hạn độ phân giải và độ chính xác; PZT
gốm sứ giịn và không thể chịu được kéo cao hay lực cắt…
Luận văn Thạc sĩ

16

Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

2.1.2. Các dạng gốm áp điện:
Gốm áp điện có 2 dạng: gốm mềm và gốm cứng.
Gốm cứng được bổ sung vào một lượng nhỏ chất kích thích để bổ sung vào
cấu trúc áp điện nhằm bổ sung hiệu ứng của vật liệu gốm. Đó là gốm mềm. Nó
được đặc trưng bởi các yếu tố khớp nối lớn, các hằng số áp điện lớn , hằng số điện
môi cao, tổn thất điện cao, yếu tố chất lượng cơ khí thấp, và độ tuyến tính thấp.
Gốm mềm tạo ra độ dịch chuyển lớn hơn và độ rộng băng tần tín hiệu rộng hơn,
nhưng chúng tổn tại trễ hơn, dễ bị khử cực hoặc suy giảm khác. Điểm nhiệt độ
Curie thấp hơn, khoảng 300oC. Gốm mềm được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng
cảm biến hơn là các ứng dụng năng lượng.
Gốm cứng hoàn toàn đối nghịch với gốm mềm. Điểm nhiệt độ Curie cao hơn,
khoảng 300oC, có hằng số chuyển đổi áp điện thấp, chất lượng cơ khí cao… rất khó
phân cực hay khử cực. Gốm cứng ổn định hơn gốm mềm. Loại này được sử dụng
trong các ứng dụng có lực lớn, điện áp lớn.
2.1.3. Mối tương quan giữa điện và độ co giãn của áp điện:
Công thức về mối tương quan giữa điện áp và độ co giãn của áp điện:
Hiệu ứng thuận:

=

×

×

×

+

d: Hệ số chuyển đổi áp điện

,

Hiệu ứng nghịch:

=

+

×

Trong đó:
D: Mật độ điện thơng.
T: Độ căng cơ khí.
E: Trường điện.
S: Độ co giãn về cơ khí.
=

: Hằng số điện mơi.
: Hệ số đàn hồi.
2.1.4. Một số cơng thức tốn của áp điện:
Định nghĩa trên hệ trục Oxyz đối với khối áp điện như sau:

Luận văn Thạc sĩ

17


Học viên: Đặng Hồng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Phương trình được viết lại:
{ }=[

]{ } + [ ] { }

{ } = [ ]{ } + [

]{ }

Trong đó:
[

]=[

]

[ ] = [ ][
[ ]=[

]

] − [ ][ ]

Ngồi ra, cịn có:
{ }=[

]{ } + [ ] { }

{ } = −[ ]{ } + [
{ }=[

]{ }

]{ } − [ℎ] { }

{ } = −[ℎ]{ } + [

]{ }

Mối quan hệ giữa các hệ số:
[
[

][

]=

][ ] = [

][

]=

[

]=[

] + [ ] [ℎ]

[

]=[

]−[ ] [ ]

[

]=[

] − [ ] [ℎ]

[ ]=[

][ ]

[ ] = [ℎ][

]

[ℎ ] = [ ][ ]
Đối dạng cấu trúc cho phương z của vật liệu áp điện PZT:
[ ]=

0
0

0
0

0
0

0
0

0
0

0
0
0

Các hằng số trong áp điện:
 D (m/V): Hệ số chuyển đổi áp điện là độ phân cực được tạo ra trên một đơn
vị nén cơ khí hay độ co giãn về cơ khí trên một đơn vị trường điện cung cấp.

Luận văn Thạc sĩ

18


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

 g(Vm/N): Hằng số điện áp là trường điện được tạo ra trên một đơn vị lực
tác động vào áp điện hay độ co giãn cơ khí khi tác động một đơn vị điện.


(F/m): Hằng số điện môi.

 s(m2/N): Hệ số co giãn.
 Y: Giá trị Young (modun đàn hồi).
 k: Hệ số cặp cơ – điện, xác định hiệu quả chuyển đổi giữa cơ và điện.
2.1.5. Tần số cộng hưởng:
Tần số cộng hưỡng fm là tần số mà tại đó phần tử áp điện rung nhiều nhất khi
cấp nguồn xuay chiều, khi đó áp điện có trở kháng nhỏ nhất.
Tần số fn là tần số nguồn cung cấp mà tại đó áp điện có trở kháng lớn nhất.

Cách xác định các tần số fm, fn: Đặt phần tử áp điện vào mạch như hình vẽ.

 Bước 1: Đặt cơng tắc ở vị trí A.
 Bước 2: Điều chỉnh máy tạo tần số, đến khi đồng hồ đo điện áp là tối đa.
Tần số đó là tần số cộng hưởng.
 Bước 3: Đặt cơng tắc vào vị trí B.
 Bước 4: Điều chỉnh điện trở R4 đến khi nào đồng hồ đo điện áp bằng với
điện áp ở bước 2. Giá trị R4 là trở kháng tối thiểu.
 Bước 5: Đặt công tắc vào vị trí A.
Luận văn Thạc sĩ

19

Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

 Bước 6: Điều chỉnh máy tạo tần số, đến khi đồng hồ đo điện áp là tối thiểu.
Tại đó áp điện có trở kháng cao nhất.
Một số công thức liên quan fm, fn:
( ⁄ 2) ( ⁄ )
[( ⁄2)(( − )⁄ )]
[( ⁄2)(( − )⁄ )]
1 + ( ⁄2 ) ( ⁄ )

=

= ( ⁄ 2) ( ⁄
≅

[(2.51 (

[( ⁄2)((

)
−

)⁄ ) − ((

−
−

)⁄

)]

)⁄ ) ]

2.2. Một số ứng dụng của áp điện:
Vật liệu áp điện được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống như:
Hiệu ứng thuận:


Tạo nguồn điện.



Cảm biến gia tốc, áp suất..



Chuyển mạch trong bảng điều khiển.



Máy siêu âm trong y học…

Hiệu ứng áp điện nghịch:


Dẫn động trong các pump, van, vị trí…



Mơ tơ.



Loa, tai nghe.



Thiết bị siêu âm…

Kết hợp thuận nghịch được ứng dụng:


Điều khiển rung chủ động.



Vật liệu thông minh.



Chuyển đổi điện áp.



Máy tạo dao động.

2.3.

Dẫn động áp điện:

2.3.1. Định nghĩa:
Dẫn động áp điện là một dạng áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch nhằm
tạo ra lực hay làm thay đổi kích thước của vật liệu áp điện phục vụ cho các ứng
dụng cần thiết.
Luận văn Thạc sĩ

20


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

2.3.2. Một số hình dạng dẫn động áp điện:
 Dạng thanh nhiều lớp xếp chồng:

 Dạng đóng gói:

 Dạng vịng nhiều lớp:

 Dạng chip:

Luận văn Thạc sĩ

21


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

 Dạng lá:

 Dạng trụ:

2.3.3. Một số ứng dụng của dẫn động áp điện:
 Van nhỏ.
 Thiết bị pump nhỏ.
 Điều chỉnh vị trí với độ chính xác micrometer…
2.4. Đặc tính của dẫn động áp điện:
Trong các ứng dụng micro - nano, đặc tính của dẫn động áp điện bao gồm các
thành phần hysteresis, creep, và Vibration dynamics.
Mơ hình tốn của dẫn động áp điện gồm các thành phần vibration dynamics,
creep và hysteresis nối tiếp nhau với u(t) là điện áp vào, x(t) là độ dịch chuyển của
dẫn động áp điện hay ngõ ra mơ hình.

Luận văn Thạc sĩ

22


Học viên: Đặng Hoàng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

2.4.1. Thành phần hysteresis:
Hysteresis là sự phụ thuộc tuyến tính của một hệ thống khơng chỉ trên đầu vào
hiện tại mà cịn vào phụ thuộc vào quá khứ. Hysteresis tồn tại trong cả mối quan hệ

trường điện (điện áp) – phân cực hay mối quan hệ trường điện (điện áp ) – sức căng
(biến dạng hoặc chuyển). Nó được gây ra bởi tính phi tuyến trong các hiệu ứng áp
điện ngược của các phần tử và sự thay đổi và chuyển động của nó. Các mối quan hệ
giữa lực dẫn động tác dụng lên áp điện và kết quả của chuyển động là tuyến tính,
như vậy hysteresis của điện trường (điện áp ) – sức căng (chuyển) cũng có thể được
coi như là kết quả của thành phần hysteresis của điện áp nội và lực dẫn động.

Đặc tính hysteresis trong phân cực

Đặc tính hysteresis trong co giãn cơ khí
Hysteresis của lực căng (biến dạng) - trường điện (điện áp ), chính là mối quan
hệ đầu vào - đầu ra. Quỹ đạo của hysteresis bao gồm 3 thành phần:
- Vịng chính là vịng lặp hysteresis kéo dài toàn bộ đầu vào (điện áp ).
- Vòng phụ là vòng chỉ kéo một phần đầu vào.
- Đường cong tăng dần.

Luận văn Thạc sĩ

23


Học viên: Đặng Hồng Chương

GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Hình 2.1: Mơ tả quỹ đạo của thành phần hysteresis
Hiện tượng hysteresis xảy ra ở cả điều kiện hoạt động tương đối tĩnh (tức là
với hằng số hoặc đầu vào thay đổi chậm) và điều kiện hoạt động (ví dụ với đầu vào
thay đổi nhanh). Nếu ảnh hưởng của sự thay đổi trong hysteresis được bỏ qua thì
được gọi là tỉ lệ độc lập, ngược lại là tỉ lệ phụ thuộc. Sau đó là thường cũng có thể

được coi như là một hiệu ứng kết hợp của hysteresis tỷ lệ độc lập và các động lực
rung.
Hysteresis trên áp điện là phi tuyến, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác vị trí và
kết quả điều khiển. Một số mơ hình tốn được đưa ra nhằm giải quyết thành phần
hysteresis. Đó là vấn đề chính trong mơ hình và điều khiển áp điện.
 Mơ hình Preisach:
Đây là mơ hình tốn xác định thành phần hysteresis của nhà vật lý học người
Đức F. Preisach. Ban đầu là để xác định thành phần hysteresis trong vật liệu sắt từ.
Vật liệu áp điện có tính chất hysteresis tương tự như vật sắt từ .
( )=
Hàm

( , )

( , , ( )) .

được mô tả như hàm bên dưới:

Luận văn Thạc sĩ

24