Interferometric analysis of the influence of piezoelectric actuators fixation holders on breadboard: modification of frequency response for nanometric displacement

Submitted by Guilherme Alves Martinez (gui-martinez@hotmail.com) on 2019-04-22T22:52:31Z No. of bitstreams: 1 Dissert_Martinez.pdf: 28316686 bytes, checksum: bd4f88d94dfc2e5e0f75178792349e60 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2019-04-23T11:45:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martinez_ga_me_ilha.pdf: 28316686 bytes, checksum: bd4f88d94dfc2e5e0f75178792349e60 (MD5) Made available in DSpace on 2019-04-23T11:45:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martinez_ga_me_ilha.pdf: 28316686 bytes, checksum: bd4f88d94dfc2e5e0f75178792349e60 (MD5) Previous issue date: 2018-09-10 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A manufatura de micro e nano dispositivos vem se tornado um mercado de grande representação na indústria moderna, onde destacam-se a indústria médica, eletrônica e mecatrônica, que necessitam de dispositivos capazes de movimentar ou manipular elementos de dimensões microscópicas, tais como micro-pipetas em cirurgias, posicionamento de máscaras de chips, de amostras em microscópios de força atômica, entre outros. Neste contexto, os atuadores piezoelétricos flextensionais são dispositivos consagrados quanto ao uso na micro e nano manipulação. A solução analítica destes atuadores normalmente é muito complexa ou até mesmo impossível e, diante disso, há a necessidade de efetuar a caracterização experimental do atuador após sua confecção. A interferometria óptica é uma técnica muito precisa de medição de pequenos deslocamentos. O interferômetro volumétrico é normalmente montado sobre uma mesa óptica (breadboard) por meio de estruturas comerciais para montagem de experimentos ópticos. Diante disso, o atuador é fixado ao breadboard por estruturas como postes, deslocadores cinemáticos de translação, rotação e tilt, etc. Dessa forma, neste trabalho, levantou-se a resposta em frequência de um protótipo de atuador piezoelétrico flextensional multi atuado que foi projetado e confeccionado no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécica da USP - EPUSP. Utilizou-se um interferômetro de Michelson em óptica volumétrica, e, posteriormente, um interferômetro de Michelson duplo, para a medida simultânea do deslocamento do atuador em nas direções X e Y. A resposta em frequência foi obtida por meio de gráficos em unidades de deslocamento mecânico por tensão elétrica aplicada (nm/V) para cada frequência analisada, e, por meio destes, obteve-se o valormédio da inclinação (ganho do atuador em nm/V) e o atraso do deslocamento de saída em relação a tensão de entrada (gráfico de fase). Verificou-se a existências de ressonâncias espúrias no espectro de deslocamento deste atuador, e, por meio do uso de uma estrutura de fixação adequada, observou-se os efeitos da estrutura de eliminou-se estas ressonâncias. Após a eliminação das ressonâncias espúrias foi possível utilizar o atuador multi atuado como motor piezoelétrico. Constitui objetivo de estudo desta dissertação, a investigação detalhada dessas ressonâncias espúrias, sua associação aos suportes de fixação do atuador ao breadboard e a proposição de formas de suprimi-las. The manufacture of micro and nano devices has become a market of great prominence in the modern industry, where the medical, electronic and mechatronic industries stand out that need devices capable of repositioning or manipulating elements of microscopic dimensions, such as micro-pipettes in surgeries, positioning of chip masks, adjusting of samples in atomic force microscopes, among others. In this context, flextentional piezoelectric actuators are appropriated devices for use in micro and nano manipulation. The analytical solution of these actuators is usually very complex or even impossible, and there is a need to characterize the actuator after its manufacturing. Optical interferometry is a very precise technique for measuring small displacements and consequently, primissing for the caracterization of these piezoelectric atuators. The bulk interferometer is usually mounted on an optical table (breadboard) by means of commercial precision kinematic optical mounts, such as posts, tilt platformors, translations and rotation stages, and others. In this work, the frequency response of a multi-actuated flextensional piezoelectric actuator prototype, designed and manufactured at the Department of Mechatronics and Mechanical Systems of the Polytechnic School of USP - EPUSP, was investigated. Both, a Michelson interferometer and a double Michelson interferometer were applied for the simultaneousmeasurement of the displacement of the actuator in the X and Y directions. The frequency response was obtained by means of the generated mechanical displacement (gain of the actuator in nm/V) and the delay between the output displacement and the input voltage (phase) both plotted as a function of the frequency. The existence of spurious resonances in the displacement spectrum of this actuator was verified, and the relationship with the mechanical devices used to hold the actuator to the breadborad in the experiment setup was concluded. By the use of a suitable fixation structure all these spurious ressonances were supressed from the frequency response. After elimination of the spurious resonances, the multi-actuator XY device could be adapted to work as piezoelectric motor. CAPES: Código de Financiamento 001