Çevremizde bulunan teknolojik bir çok alet de farkında olmasak bile piezoelektrik aktüatör bulunur. Farkında olmadan düzenli olarak piezoelektrik aktüatör kullanıyo olabiliriz bu sebeple piezoelektrik aktüatörün ne olduğunu merak edenler için hazırlamış olduğum bu yazıdan bilgi edinebilirsiniz.
Piezoelektrik Aktüatör Nedir?
Hayatımızı kolaylaştırma da piezoelektrik aktüatörün katkısı büyüktür. İlk piezoelektrik aktüatör ( bazı yerlerde piezo disk olarak da isimlendirilmektedir.) 1880 yılında Fransız Fizikçiler Pierre Curie ve Jacques tarafından yapılmıştır.
Piezoelektrik aktüatör; genellikle 3 katmandan oluşur. Bu katmanlar aşağıdan yukarıya doğru sıralanırsa en altta pirinç katman (geçiş katmanıdır, çapı en büyük katmandır, pirinç yerine başka malzemeden de üretilmesi mümkündür.), ortada epoksi (yapıştırıcı) katman çapı pirinç katmandan küçüktür fakat PZT katmanla aynıdır ve en üstte PZT katmandır (PZT, kurşun zirkonat titanat’ın kısaltmasadır.). Epoksi katmanın amacı pirinç ve PZT katmanı bir arada tutarak piezoelektrik aktüatörü oluşturmaktır.
Piezoelektrik aktüatörlerin en temel özelliği; deforme edildiklerinde elektrik enerjisi üretebilmeleri ya da elektrik enerjisi verildiğinde deforme olmalarıdır. Burada ki elektrik enerjisi ya da deforme miktarı mikron seviyelerindedir. Mekanik enerjiden voltaj üretmeye Piezo Olayı denir. Voltajdan mekanik enerji üretmeye ise Ters Piezo Olayı denir. Voltaj verildiğinde piezoelektrik aktüatör çapı en fazla %0.1’i kadar yukarı ya da aşağıya hareket edebilir. Piezoelektrik aktütatörde yukarıdaki şekile göre kırmızı kablo (PZT üzerindeki kablo) pozitif (+) yönü simgeler. Geçiş katmanında bulunan mavi kablo ise negatif (-) yönü simgeler. Deney sırasında bu yönler dikkate alınmalıdır.
Piezoelektrik Aktüatör Kullanım Alanları
Piezoelektrik aktüatör kullanım alanına göre üç ana başlıkta incelenebilir;
- Mekanik Enerji – Elektrik Enerjisi Dönüşümü;
Sigortalar, titreşim algılayıcılar, mikrofonlar, pikap kartuşları, gaz ateşleyiciler ve hız ölçerler bu dönüşüme örnek verilebilir.
- Elektrik Enerjisi – Mekanik Enerji Dönüşümü;
Kulaklıklar, valfler, mikro pompalar, sonik dönüştürücüler ve ultrasonik temizleyiciler bu dönüşüme örnek verilebilir.
- Elektrik Enerjisi – Mekanik Elektrik Enerjisi Dönüşümü;
Transformatörler, osilatörler, yüzey akustik dalga ölçerler ve sonarlar bu dönüşüme örnek verilebilir.
Mikro Pompa Nedir?
Elektrik enerjisi – mekanik enerji dönüşümü prensibine göre çalışan mikro pompalar son 40 yıldır büyük gelişime uğramıştır. Mikron boyutlarında ilk mikro pompa 1975 yılında Van Lintel ve arkadaşları tarafından üretilmiştir. Piezoelektrikli mikro pompanın diğer mikro pompalardan ana avantajları; düşük enerji ve düşük gürültülü bir şekilde çalışmasıdır. Piezoelektrik mikro pompaya uygulanan voltaj veya frekans piezoelektrik mikro pompalardaki akış hızını ayarlar. Son yıllarda sağlık sektöründe kullanımı her geçen gün daha da yaygınlaşan mikro pompaların akış hızının ayarlanabilir olması, kullanım alanını oldukça genişletmektedir.
Çalışma mekanizmasına göre mikro pompalar ikiye ayrılır; mekanik ve mekanik olmayan mikro pompalar. Mekanik bir mikro pompada akış kanal içindedir. Aktüatör sıvıyı girişten çıkışa iter. Piezoelektrik mikro pompalar mekanik mikro pompa sınıfına girer.
Mikro Pompa Üretimi
Mikro pompa üretimi oldukça basittir. İnternette herhangi bir siteden piezoelektrik aktüatör ( bazı yerlerde piezo disk olarak geçmektedir.) satın alınır. Satın alınan parçanın çapına göre herhangi bir CAD programından mikro pompa gövdesi çizilir. Çizilen gövde 3D yazıcıdan çıktı alınır. Piezoelektrik aktüatör gövdeye sabitlenir ve çeşitli voltajlarda elektrik verilerek sistem test edilebilir.
Piezoelektrik aktüatör çapının %0.1’inden fazla deforme olmayacağı için deformasyon gözle görülemeyecektir ancak çok hassas ölçüm cihazlarıyla ölçüm yapılabilir. Bu sebeple sadece ufak bir ses gelecektir. Ayrıca mikro pompaya verilen elektrik AC (alternatif akım) olmalıdır. DC (doğru akım) elektrik verilmesi halinde sürekli yön değişimi yapılmazsa sistem çalışmaz çünkü sistemin çalışması için sürekli yön değişimine ihtiyaç vardır. AC elektrik tipinde bu yön değişimi sürekli sağlanırken, DC tip elektrikte bu işlemi bizim gerçekleştirmemiz gerecektir yani pozitif ve negatif kısımlara verdiğimiz enerjiyi negatif ve pozitif olacak şekilde bu işlem sürekli tekrar edilmelidir.
Bu deney Ansys ortamında da yapılabilir. Ansys APDL komutları kullanılarak yapılan deney de istenilen voltajlar verilebilir. Ayrıca akış analizi yapılarak gerçek şartlara en yakın ortam sağlanıp hata payı minimize edilebilir. Sanal ortamlarda yapılan deneyler her geçen gün daha da gelişerek gerçeğe en yakın olacak biçime çevirilmeye çalışılsa da, gerçek ortamda olmadığı için çeşitli farklılıklar olacaktır bu sebeple yapılan analizler incelenip yorumlanırken bir mühendis yaklaşımıyla analiz edilerek sonuçların gerçek hayatta oluşup oluşamayacağı düşünülmelidir. Çok uzak çıkan sonuçlar tekrar analiz edilerek her adım mutlaka kontrol edilmelidir.