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
2025, № 10 · MATHEMATICAL MODELS IN RADIO ELECTRONICS PROBLEMS

Numerical simulation of disk film piezoelectric actuators with interdigital electrodes

A.A. Pan'Kov1

1 Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.10.4 UDC 53.083.2 EDN PQDLLU

Abstract

A schematic diagram is presented and an electro-mechanical mathematical model of the functioning of film piezoelectric actuators is developed, in particular: arc -comb (ArcCD) and chordo -comb (ChordCD) disk actuators with two interacting subsystems of interdigitated “tree” IDE-electrodes installed on surface of thin piezoelectric layer. In general, the curvilinear "branches" of both subsystems are interfaced by the type of interdigitated electrodes, for example, in the well-known piezoelectric MFC actuator. A significant increase in the deflection of the membrane with installed ArcCD-actuators was revealed in comparison with the use of traditional piezoelectric actuators for various conditions of membrane fixation, in particular, it's a hinged fixation along its circular perimeter or rigid fixation along its center. The results of modal analysis are presented: the first six natural frequencies and vibrational shapes of the membrane with ArcCD-actuators.

  • MFC-actuator
  • IDE-electrodes
  • bimorph
  • membrane bending
  • numerical modeling
Аннотация (на русском)

Численное моделирование дисковых пленочных пьезоэлектрических актюаторов со встречно-гребенчатыми электродами

Представлена принципиальная схема и разработана электро-механическая математическая модель функционирования пленочных пьезоэлектрических, в частности: дуго-гребенчатого (ArcCD) и хордо-гребенчатого (ChordCD) дисковых актюаторов с двумя взаимодействующими подсистемами встречно-гребенчатых «древовидных» электродов, установленными на верхней и/или нижней поверхностях тонкого пьезоэлектрического слоя. В общем случае, криволинейные «ветви» обеих подсистем сопряжены между собой по типу встречно-гребенчатых электродов, например, известного пьезоэлектрического MFC-актюатора. Неоднородная взаимообратная поляризация пьезоэлектрического слоя между взаимодействующими ветвями электродов осуществляется в результате подключения поляризующего значения электрического напряжения к выходам двух подсистем электродов. Результаты численного моделирования получены для круглой упругой мембраны с установленными по схеме «биморф» на ее верхней и нижней поверхностях пьезоэлектрическими пленочными ArcCD-актюаторами. Выявлено значительное увеличение прогиба мембраны с установленными ArcCD-актюаторами по сравнению с традиционными пьезоэлектрическими биморфами для случаев шарнирного закрепления мембраны по круговому периметру или жесткого закрепления по центру. Результаты модального анализа представлены найденными численными значениями первых шести собственных (резонансных) частот и геометрических форм колебаний круглой мембраны с установленными ArcCD-актюаторами.

For citation

Pan'Kov A.A. Numerical simulation of disk film piezoelectric actuators with interdigital electrodes // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.10.4

References

  1. Patent US 2003/0056351 A1. Wilkie W.K., et al. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same. Publication Date: 27.03.2003.
  2. 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. https://doi.org/10.3390/ma14154316
  3. 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
  4. Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor. Actuators. 2021. V. 247. № 10. P. 1-15. https://doi.org/10.3390/act10100247
  5. Патент RU № 2841110. Паньков А.А. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией аэродинамической поверхности. Дата заявки: 26.12.2024. Дата публикации: 02.06.2025.
  6. Патент RU № 2811420. Паньков А.А. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора. Дата заявки: 24.10.2023. Дата публикации: 11.01.2024.
  7. Патент RU № 2818079. Паньков А.А. Пьезоэлектрический актюатор. Дата заявки: 22.09.2023. Дата публикации: 24.04.2024.
  8. Патент RU № 2803015. Паньков А.А. Пьезоэлектрический MDS-актюатор. Дата заявки: 11.04.2023. Дата публикации: 05.09.2023.
  9. Wang Y., Ren T., Ren Y., Gu R., Liu Y. Analysis of the Radial Force of a Piezoelectric Actuator with Interdigitated Spiral Electrodes. Micromachines. 2024. № 15. P.1378. https://doi.org/10.3390/mi15111378
  10. Попов И.А., Лукин А.В., Пискун Н.В. Компактная аналитическая модель импульсного электродинамического дискового излучателя. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2024. № 1. С. 96-104. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.1.08