Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 8 · MATHEMATICAL MODELS IN RADIO ELECTRONICS PROBLEMS

Electroelasticity of piezoelectric film actuator with system of interacting interdigitated electrodes

A.A. Pan'kov1

1 Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.8.8 UDC 53.083.2 EDN FCZWTY

Abstract

An electromechanical mathematical model of functioning of a piezoelectric CDS-actuator in the form of a piezoelectric cylindrical shell with double spirals of interacting electrodes mounted on the surface of the shell has been developed. Disclosed is a method of making a piezoelectric CDS-actuator through preliminary creation of a CDS-actuator scan in form of a flexible planar rectangular piezoelectric actuator with arrangement of interacting rectilinear «interdigitated» electrodes at an angle to the base of the CDS-scan. Numerical modeling of deformation fields and modal analysis of the first three forms and resonance frequencies of oscillations for single-layer and double-layer CDS-actuators were performed.

  • piezoelectric CDS-actuator
  • double spiral of electrodes
  • electroelasticity
  • modal analysis
  • numerical modeling
Аннотация (на русском)

Электроупругость пьезоэлектрического пленочного актюатора с системой взаимодействующих встречно-гребенчатых электродов

Разработана электромеханическая математическая модель функционирования пьезоэлектрического CDS-актюатора в виде пьезоэлектрической цилиндрической оболочки с двойными спиралями взаимодействующих электродов, установленных на поверхности оболочки. Предложен способ изготовления пьезоэлектрического CDS-актюатора через предварительное создание развертки CDS-актюатора в виде гибкого планарного прямоугольного пьезоэлектрического актюатора с расположением взаимодействующих прямолинейных «встречно-гребенчатых» электродов под углом к основанию CDS-развертки. Осуществлено численное моделирование деформационных полей и модальный анализ первых трех форм и резонансных частот колебаний для однослойного и двухслойного CDS-актюаторов.

For citation

Pan'kov A.A. Electroelasticity of piezoelectric film actuator with system of interacting interdigitated electrodes // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.8.8

References

  1. 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.
  2. Williams C.B., Yates R.B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems // Sensors and Actuators A: Physical. 1996. V. 52. No. 1-3. P. 8-11.
  3. 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. No. 4. P. 041306. https://doi.org/10.1063/1.5074184
  4. 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. No. 6. P. 065102-1/065102-8. https://doi.org/10.1063/1.3142486
  5. 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. No. 2. P. 1064-1068.
  6. Патент РФ № 2099754. Йелстаун Корпорейшн Н.В. Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры. Дата заявки: 17.10.1996. Дата публикации: 20.12.1997. 7 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  7. Mouhli M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators. Virginia Commonwealth University Publ., 2005. 100 p.
  8. Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2008. V. 19. No. 1. P. 113-123. https://doi.org/10.1177/1045389X07083693
  9. El-Sayed A.M., Abo-Ismail A., El-Melegy M.T., Hamzaid N.A., Osman N.A.A. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs // Sensors. 2013. V. 13. P. 5826-5840. https://doi.org/10.3390/s130505826
  10. Zhou J., Dong L., Yang W.A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor // Actuators. 2021. No. 10(247). P. 1-15. https://doi.org/10.3390/act10100247
  11. 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
  12. Патент РФ № 2723567. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля / Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В. Дата заявки: 18.11.2019. Дата публикации: 16.06.2020. 5 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  13. 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.
  14. 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. No. 14(15). P. 4316.
  15. Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades // Smart Mater. Struct. 2005. No. 14. P. 745-753. doi:10.1088/0964-1726/14/4/033
  16. Патент RU № 2803015. Пьезоэлектрический MDS-актюатор / Паньков А.А., опубл.: 05.09.2023 Бюл. № 25, заявка № 2023109123 от 11.04.2023 г.
  17. Патент RU № 2801619. Пьезоэлектрический CDS-актюатор / Паньков А.А., опубл.: 11.08.2023 Бюл. № 23, заявка № 2023111440 от 03.05.2023 г.
  18. Патент RU № 2811420. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора / Паньков А.А., опубл.: 11.01.2024 Бюл. № 2, заявка № 2023127236 от 24.10.2023 г.
  19. Dong X.-J., Meng G. Dynamic analysis of structures with piezoelectric actuators based on thermal analogy method // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2006. V. 27. P. 841-844. doi:10.1007/s00170-004-2290-5