Elektrotehniški vestnik 86(5): 274-282, 2019 Izvirni znanstveni članek Vpliv asimetrije vzbujalnega signala na delovanje mikročrpalke Borut Pečar, Matej Možek in Danilo Vrtačnik Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: borut.pecar@fe. uni-lj. si Povzetek. Za cenovno ugodno izvedbo krmilnega modula piezoelektričnih mikročrpalk je primerna topologija z dvema medsebojno izključujočima se SMPS »boost« napajalnima pretvornikoma. Pomanjkljivost predlaganega modula je ustvarjanje napetostno asimetričnega krmilnega signala pri priklopu na piezoelektrični aktuator mikročrpalke, ki pomeni piezoelektrično breme. Da bi raziskali vzrok asimetrije, smo izvedli impedančne meritve polariziranih in depolariziranih aktuatorjev treh proizvajalcev. Rezultati meritev so potrdili, da je napetostna asimetrija ustvarjenega signala posledica polarizacije piezoelektričnega aktuatorja in da stopnja asimetrije pomembno vpliva na pretočne in tlačne karakteristike mikročrpalke. Ker je zmogljivost mikročrpalke največja pri krmiljenju z napetostno simetričnim vzbujevalnim signalom, predlagamo metodo za zagotavljanje napetostne simetrije z natančnim prilagajanjem obratovalnega cikla. Ključne besede: mikročrpalka, krmilnik, napetostno asimetričen vzbujalni signal, piezoelektrični aktuator The impact of the excitation-signal asymmetry on the micropump performance For a cost-efficient micropump driving module, a topology with two mutually exclusive SMPS boost converters is proposed. Its disadvantage is a synthesis of the voltage-asymmetric excitation signal when the module is connected to a piezoelectric load. To investigate the cause of the asymmetry, the impedance of polarized and depolarized piezoelectric actuators from three different vendors is measured. It is shown that the voltage asymmetry of a synthesized signal is a result of the piezoelectric actuator polarization and that the degree of the signal asymmetry significantly affects the micropump flowrate and backpressure performance characteristics. Since the micropump performance is maximized when driven by a voltage-symmetric signal, a solution by fine-tuning of signal duty cycle for providing voltage symmetry is proposed. Keywords: micropump, controller, voltage asymmetric excitation signal, piezoelectric actuator 1 Uvod Mikročrpalke so osnovne komponenete mikrofluidnih sistemov in so nepogrešljive povsod, kjer se zahteva natančna kontrola pretokov majhnih količin reagentov. Tipične aplikacije so uvajanje zdravil, mikrokemijske in biološke analize, hladilni in mazalni sistemi itd. [1]. Osnovni gradniki, ki omogočajo delovanje mikročrpalke, so piezoelektrični aktuatorji. Za pogon piezoelektričnih aktuatorjev so potrebna namenska krmilna vezja, sposobna ustvarjati visokonapetostne krmilne signale. Čeprav velja, da je delovanje mikročrpalk pogojeno tudi z obliko vzbujalnega signala, se za vzbujanje mikročrpalk najpogosteje uporabljajo sinusni ali pravokotni amplitudno-simetričnimi signali brez nadaljnje analize vpliva oblike ali celo asimetrije signala na zmogljivost mikročrpalk. [2-5]. Za cenovno ugodne mikročrpalne aplikacije z majhno porabo energije je primeren miniaturni krmilni modul, razvit v LMSE, ki vključuje dva medsebojno izključujoča se SMPS (Switched Mode Power Supply) napajalna boost pretvornika. Krmilnik vključuje piezoelektrični aktuator v funkcijo vezja, zato ne potrebuje lastnega izhodnega kondenzatorja [5]. Čeprav modul omogoča sintezo učinkovitega krmilnega signala, je ustvarjeni signal amplitudno-asimetričen. Amplitudna asimetrija je posledica piezoelektričnega bremena. V delu smo raziskali, zakaj razviti krmilnik ustvarja asimetrični vzbujalni signal pri priključitvi na piezoelektrično breme. V ta namen smo izvedli ciklične impedančne meritve na izbranih vzorcih piezoelektričnih aktuatorjev. Raziskali smo vpliv asimetrije vzbujalnega signala na karakteristike zmogljivosti mikročrpalk. Za kompenzacijo spremenljive impedance piezoelektričnega bremena bomo predlagali pristop za uravnoteženje krmilnega signala z natančnim nastavljanjem obratovalnega cikla. 2 Krmilno vezje za vzbujanje PIEZOELEKTRIČNIH MIKROČRPALK Razvoj sodobnih mikrofluidnih aplikacij poteka v smeri miniaturizacije, majhne porabe energije in prilagodljivosti. Krmilnik mikročrpalk mora poleg ustvarjanja visokonapetostnih signalov omogočati nastavljanje Prejet 19. avgust, 2019 Odobren 3. oktober, 2019 VPLIV ASIMETRIJE VZBUJALNEGA SIGNALA NA DELOVANJE MIKROČRPALKE 275 amplitude, frekvence in oblike signala za doseganje želenega odziva mikročrpalke v izbrani aplikaciji. Za stroškovno učinkovito izvedbo krmilnika je primerna topologija vezja, ki so jo predlagali na inštitutu Fraunhofer IZM [6]. Izvedba predvideva dva medsebojno izključujoča se SMPS »boost« napajalna pretvornika. Tadva vključujeta piezoelektrični aktuator v funkcijo vezja, zato ne potrebujeta lastnega izhodnega kondenzatorja. Prednosti predlaganega krmilnega sestava sta nizka cena gradnikov in prilagodljivost ustvarjenega signala v povezavi z digitalnim krmiljenjem. Slabosti sta občutljivost na presluhe ključnih elektronskih komponent v miniaturni izvedbi in ustvarjen napetostno asimetričen signal ob priključitvi na piezoelektrično breme. Tipične izmerjene vrednosti amplitud pozitivnega in negativnega napetostnega signala pri vzbujanju 200 ^m debelih diskastih piezoelektričnih aktuatorjev Sunnytec P-5H s premerom 10 mm so 130 oziroma -93 V [8]. Napetostna asimetrija je posledica neenake impedance piezoelektričnega bremena v pozitivni in negativni polperiodi vzbujalnega signala, saj pri predlagani izvedbi krmilnega modula impedanca bremena določa vršni vrednosti ustvarjenega signala. Da bi raziskali odvisnost impedance piezoelektričnega aktuatorja od smeri električnega polja v materialu, smo izvedli impedančne meritve na izbranih vzorcih piezoelektričnih aktuatorjev. 3 IMPEDANČNE MERITVE PIEZOELEKTRIČNIH AKTUATORJEV Največ objav impedančnih meritev piezoelektričnih aktuatorjev v odvisnosti od prednapetosti vzbujalnega signala (ang. DC bias) se nanaša na tankoplastne in večplastne nepolarizirane aktuatorje [9-13]. Po našem pregledu literature ni objav s področja impedančnih meritev polariziranih debeloplastnih piezoelektrikov. Impedančne meritve večplastnih Pb(Zr,Ti)Ü3 (PZT) aktuatorjev so opisane v [9] pri izbrani merilni frekvenci 100 kHz in vzbujalnem signalu amplitude 0,1 V pri prednapetosti Udc med -40 V in +40 V. Meritve so pokazale, da dielektrična konstanta pada eksponentno z naraščanjem enosmerne prednapetosti vzbujalnega signala, pri čemer je strmina upadanja največja pri enoplastnem aktuatorju. Manjšo asimetrijo karakteristike v povezavi s smerjo električnega polja pripišejo neenakim razmeram v območju zgornje in spodnje elektrode. Mejno območje naj bi vsebovalo vgrajeno električno polje in če mejni območji pod spodnjo in pod zgornjo elektrodo nista enaki, se vgrajeni električni polji med seboj ne odštejeta in lahko pride do asimetrije, ker mora zunanje električno polje najprej premagati vgrajeno električno polje. Pojasnijo, da je ta efekt še posebno izrazit, če sta materiala elektrod različna. V raziskavi skupine z univerze Pusan v Koreji [13] asimetrijo karakteristike razložijo enako, vendar dopuščajo možnost, da s kisikom nezasedena mesta v območju med elektrodo in piezoelektrikom vežejo nase proste elektrone, ko je na aktuator pritisnjena pozitivna napetost. Le v redkih primerih poročajo tudi o izmerjeni histerezi pri karakteristikah dielektrične konstante in izgubnega kota pri menjavi smeri električnega polja v piezoelektriku. Med raziskavo skupine z univerze Tver State v Rusiji [14] je bilo pokazano, da temperatura napuščanja tanke deponirane PZT plasti med 540 °C in 570 °C lahko vpliva na C-V karakteristiko in da se ob menjavi smeri električnega polja pojavi histereza v karakteristikah, vendar razlogi zanjo niso podani. Same spremembe v karakteristikah zaradi temperature napuščanja pa pripišejo spremembam v mikrostrukturi. Za merjenje impedance smo uporabili LCR meter HP 4284A z opcijo 001, ki v instrumentu združuje enosmerni napetostni vir ± (1 mV ~ 40 V), < 100 mA, točnosti 0,1%. Za testne vzorce smo izbrali piezoelektrične aktuatorje P-5H podjetja Sunneytec [8], PIC 151 podjetja PI ceramics [15] in LQS2 podjetja Choko ltd [16]. Osnovni deklarirani parametri piezoelektričnih aktuatorjev so podani v tabeli 1. Tabela 1: Osnovni deklarirani parametri za piezoelektrične aktuatorje treh izdelovalcev Tcurie [°C] d33 d31 P-5H 180 650 -290 PIC 151 250 500 -210 LQS2 250 570 -260 Vzorci so mehansko krhki, zato je potreben poseben pristop k izvedbi električnih kontaktov. Za kontaktiranje elektrod piezoelektričnega aktuatorja smo izdelali pripravo, sestavljeno iz bakrenega traku, na katerega se položi piezoelektrični aktuator in čezenj napne vzmetna zaponka. Za meritev histereze impedančnih karakteristik smo meritev nadgradili z večkratnim cikliranjem vgrajenega enosmernega generatorja Udc od -40 V do +40 V in nazaj do -40 V ter nazadnje celoten cikel še dvakrat ponovili, vse s korakom po 10 V. Frekvenco izmeničnega merilnega signala smo nastavili na vrednost 100 Hz, amplitudo vzbujalnega signala na 1V. Iz rezultatov impedančnih meritev smo izračunali dielektrično konstanto sr in izgubni kot S PZT aktuatorja. Prve meritve na polariziranih vzorcih aktuatorja P-5H so potrdile spremembo dielektrične konstante sr pri preletu prednapetosti Udc od -40 V do +40 V (slika 1, zgoraj, polarizirani vzorci). Z naraščanjem prednapetosti Udc dielektrična konstanta sr pada skoraj linearno s strmino 11.25 V-1. Ob upadanju prednapetosti se pojavi histereza v karakteristiki sr. Razlika sr pri menjavi smeri električnega polja (Udc pri prehodu skozi 0V) je 100, a se klub temu vrednosti sr pri napetosti -40V spet ujemajo s prvo izmerjeno vrednostjo, nov cikel variacije prednapetosti pa se odrazi v enakih 276 PEČAR, MOŽEK, VRTAČNIK vrednostih kot pri prvem preletu. Tudi vrednosti, izmerjene v tretjem ciklu, so identične, kar kaže na dobro ponovljivost meritev. 5000 to" <0 4500 C .2 00 d 4000 0 <0 C >0 3500 "l— £ » C »-»-2 4 3 2500 3.0 2.8 „ 2.6 O " 2.4 c-o "S 2.2 ' č 2.0 .Q OT 1.8 1.6 1.4 1.2 -40 -20 0 20 40 Udc [V] Sunnytec P-5H o 1 2 «depolarizirani vzorci 4 -^/2 3 3/4 polarizirani vzorci 3 1 4 2 -40 -20 0 20 40 Udc [V] Slika 1: Izmerjena dielektrična konstanta & in izgubni kot S v odvisnosti od prednapetosti UDc za polarizirane in depolarizirane vzorce P-5H Pri preletu enosmerne prednapetosti Udc od -40 V do +40 V se je kapacitivnost merjenega piezoelektričnega aktuatorja spremenila za 1 nF, kar je 25-odstotna sprememba. Zgornje meje prednapetosti Udc so omejene z zmogljivostjo strojne opreme. S pomočjo ekstrapolacije lahko privzamemo, da se pri vzbujanju mikročrpalke z izmeničnim signalom in amplitudo 240 Vpp kapacitivnost aktuatorja pri prehodu iz negativne v pozitivno polperiodo spremeni iz 12 nF na 9 nF. Procentualna razlika v kapacitivnosti (25%) je v korelaciji s procentualno razliko v amplitudah ustvarjenega signala (28%), kjer je amplituda prve polperiode 130 V, amplituda druge polperiode pa 93 V (glej poglavje 2). Variacija v izhodni impedanci bremena se odrazi v doseganju različnih napetostnih nivojev dveh medsebojno izključujočih se SMPS »boost« napajalnih pretvornikov. Sprememba izgubnega kota pri variaciji prednapetosti Udc je prikazana na sliki 1 (spodaj, polarizirani vzorci). Izgubni kot je največji pri vrednosti Udc = -40 V, z zmanjševanjem napetosti Udc proti 0V upada s trendom -0.005 °/V, nato pa pri napetosti +40 V spet naraste na vrednost, ki je nižja od začetne vrednosti Udc pri -40 V. Pri zmanjševanju prednapetosti Udc je opazna histereza, vendar le pri pozitivnih vrednostih napetosti, kjer je izgubni kot pri upadanju Udc manjši kot pri naraščanju. V ponovitvi merilnega cikla izmerjene vrednosti sledijo vrednostim prvega cikla. Če predpostavimo, da izgubni kot podaja izgube v piezoelektričnem aktuatorju, so te najmanjše pri zmanjševanju pozitivne enosmerne komponente električnega polja. Na podlagi rezultatov meritev sklepamo, da je to povezano z relaksacijo domen. Karakteristika dielektrične konstante v odvisnosti od smeri električnega polja je v nasprotju s primeri iz literature [10-13], kjer se dielektrična konstanta sicer spreminja v odvisnosti od velikosti enosmerne komponente električnega polja, ne pa od smeri polja. Po podrobnem pregledu znanstvenih objav je bilo ugotovljeno, da so bile vse objavljene meritve izvedene na nepolariziranih aktuatorjih. To nas je napeljalo na domnevo, da je za specifično nesimetrično karakteristiko dielektrične konstante (slika 1, zgoraj, polarizirani vzorci) morda ključna polarizacij a piezoelektrika. Za potrditev domneve so bile nujne meritve na nepolariziranih vzorcih. V ta namen smo izbrane polarizirane vzorce depolarizirali. 3.1 Polarizacija / Depolarizacija V večini neprevodnih (dielektričnih) materialov je električna polarizacija P, ki jo induciramo s pomočjo zunanjega električnega polja, majhna. Poznamo piezoelektrične snovi, kjer polarizacijo spremenimo z mehansko napetostjo, piroelektrike, kjer polarizacijo spremenimo s temperaturno spremembo in feroelektrike, kjer polarizacijo spremenimo z električnim poljem [17]. Feroelektrik je material, ki ima že po naravi spontano polarizacijo in mu jo lahko z nasprotnim zunanjim poljem, večjim od koercivnega polja Ec, obrnemo. Nad Curiejevo temperaturo feroelektrik preide v paraelektrično stanje. Vsi feroelektriki so tudi piezoelektriki. Prvi pogoj za feroelektričnost je prisotnost spontanega električnega dipolnega momenta, ki se lahko spreminja ob prisotnosti električnega polja [18]. Dipolni moment p definiramo kot p = ^p(r )rdV (1), kjer je p(r) gostota električnega naboja na določenem mestu v snovi. Če lahko ione v kristalu obravnavamo kot točkaste nabite delce, lahko zgornji integral preide v direktno vsoto po vseh ionih 1 2 VPLIV ASIMETRIJE VZBUJALNEGA SIGNALA NA DELOVANJE MIKROČRPALKE 277 p = Z (2), i kjer je q naboj i -tega iona in r razdalja do i -tega iona. Kristali s centrom inverzije ne morejo biti feroelektriki. Če ni centra inverzije, obstaja vsaj ena polarna os. Tisti, ki imajo ob odsotnosti zunanjega polja in zunanje sile na snov polarno os, so feroelektriki, preostali pa piezoelektriki, kjer elastična sila spreminja polarizacijo. Feroelektrična snov je sestavljena iz več takšnih molekul, skupni dipolni moment je vsota P ^ P molekula (3). molekule Polarizacija je definirana kot dipolni moment na enoto prostornine Y p P = (4). V Odziv polarizacije feroelektrika na zunanje električno polje opiše histerezna zanka. Dielektrična konstanta nam pove, kako se bo ob prisotnosti zunanjega električnega polja v snovi prerazporedil naboj. Večja ko je le-ta, močneje se bodo ločili pozitivni in negativni naboji v snovi [19]. Po depolarizaciji piezoelektričnega materiala ta izgubi piezoelektrične lastnosti in se ne uvršča več med piezoelektrike, temveč med dielektrike. Ob prisotnosti zunanjega električnega polja pa se naboj v snovi še vedno prerazporedi. Postopek depolarizacije smo izvedli tako, da smo vzorce za 10 minut pogreli na temperaturo, ki je bila za 40 °C višja od deklarirane Curiejeve temperature. Deklarirana Curiejeva temperatura za P-5H je 180 °C, za PIC 151 in LQS2 pa 250 °C. Impedančne meritve na vzorcih smo izvedli takoj po depolarizaciji in spet ponovili po 24 urah, s čimer smo želeli preveriti stabilnost depolariziranega materiala. Ujemanje rezultatov je potrdilo stabilnost, kar kaže na to, da je depolarizacija zaključen proces, pri katerem se ob ohlajanju piezoelektričnega materiala ohrani stanje domen. Meritve na istih vzorcih po depolarizaciji so dodane rezultatom meritev polariziranih vzorcev na sliki 1. Dielektrična konstanta materiala je po depolarizaciji 2950 in je neodvisna od prednapetosti Udc. V primerjavi s polariziranimi vzorci brez pritisnjenega enosmernega električnega polja je za 30 % manjša. O razliki med karakteristikami polariziranih in nepolariziranih tankoplastnih piezoelektrikov poročajo tudi z univerze Dallas Texas [20]. Avtorji opazijo premik karakteristik er po napetostni osi takoj po polarizaciji materiala. Na podlagi značilnega premika vpeljejo metodo za merjenje učinkovitosti polarizacije piezoelektrikov. Večji ko je premik po napetostni osi, učinkovitejša je polarizacija. Tipična karakteristika dielektrične konstante nepolariziranih tankoplastnih piezoelektrikov je podobna konkavni osnosimetrični funkciji s histerezo, polarizacija pa povzroči premik karakteristike v levo. Avtorji pojasnijo, da je polarizacija piezoelektričnih plasti sestavljena iz normalne feroelektrične polarizacije P in volumetrične porazdelitve poravnanih defektnih dipolnih kompresorjev Vpb"-V0++. Pokažejo, da so takšni defektni dipoli lahko orientirani oz. stabilizirani pod vplivom zunanjega električnega polja, kar povzroči vgrajena električna polja. Ta polja posledično povzročijo premik histerezne karakteristike po napetostni osi. Domnevajo, da je razlog za premik karakteristike njihovih vzorcev po polarizaciji stabilizacija defektnih dipolov v procesu polarizacije. Izgubni kot po depolarizaciji je prikazan na sliki 1. Ta se s povečevanjem ali zmanjševanjem prednapetosti Udc poveča za 8 % ne glede na smer polja. Ob menjavi smeri polja je opazno naglo zmanjšanje izgubnega kota, čemur sledi ponovni trend naraščanja. Vzroka za povečanje izgub materiala po depolarizaciji ne poznamo, dopuščamo pa možnost, da bi lahko bil vzrok v samem segrevanj u piezoelektričnega materiala med depolarizacijo in s tem spremembe v mikrostrukturi materiala. Podobno obliko karakteristike za debeloplastni nepolarizirani material najdemo v [21]. Avtorji jo opišejo kot »krivulja metulja« z dvema ekstremoma. Pojasnijo, da dielektrični materiali ne kažejo spremembe v impedanci zaradi pritisnjene napetosti, saj je kapacitivnost funkcija geometrijskih parametrov (debelina in površina dielektrika). V piezoelektričnih materialih pa sprememba enosmerne komponente pritisnjene napetosti povzroči spremembo v električni impedanci, volumnu materiala in posledično v kapacitivnosti. Natančnejše razlage za obliko karakteristike v obliki metulja ne podajo. Da bi preverili verodostojnost meritev, smo identično karakterizacijo izvedli še za vzorca PIC 151 in LQS2. Izmerjena dielektrična konstanta in izgubni kot v odvisnosti od prednapetosti Udc sta prikazana na sliki 2. V primerjavi s piezoelektričnem aktuatorjem P-5H (slika 1) so poteki karakteristik er in d podobni. Polarizirani vzorci imajo tipično histerezo v karakteristiki dielektrične konstante. Ta je 3,4 % za P-5H, 1,7 % za LQS2 in 1,3 % za PIC 151. Stopnja histereze pri prehodu prednapetosti Udc skozi nič je v korelaciji s piezoelektričnimi parametri d33 (650, 570 in 500). Prav tako je v korelaciji s piezoelektričnim parametrom d33 strmina karakteristik er, ki je -11,25 -4,375 in -3,375 V-1 za aktuatorje P-5H, LQS2 oziroma PIC 151. Karakteristika relativne dielektričnosti za aktuator LQS2 je podobna zlepku dveh linearnih funkcij s strminama -4.375 V-1 za Udc < 0 V in -1.25 V-1 za Udc > 0V. Vzroka zmanjšanja strmine karakteristične krivulje pri pozitivni enosmerni komponenti električnega polja v aktuatorju ne poznamo. Po depolarizaciji je karakteristika dielektrične konstante podobna konstantni linearni funkciji, ki je značilna za nepiezoelektrične dielektrike. Vrednosti karakteristik izgubnega kota polariziranih vzorcev so ponovno v korelaciji s piezoelektrično konstanto d33. Izgubni kot je 278 PEČAR, MOŽEK, VRTAČNIK največji za piezoelektričen aktuator P-5H in najmanjši za PIC 151. Karakteristike izgubnega kota depolariziranih vzorcev so spet podobne krivulji metulja [21]. to (O 2600 2400 (O w 2200 O ro a »o Si ju