Método de detecção interferométrica de fase, com baixa profundidade de modulação, aplicado à medição de deslocamentos nanométricos em atuadores e mini-manipuladores piezoelétricos

Abstract

Atuadores piezelétricos flextensionais consistem de uma estrutura metálica flexível acoplada a uma piezocerâmica. A estrutura flexível deve amplificar os pequenos deslocamentos e/ou forças da piezocerâmica, e gerar grandes deslocamentos e/ou forças em diferentes pontos específicos de sua estrutura. Esses dispositivos constituem um mecanismo a estado sólido, sem partes móveis (como pinos ou juntas), sendo que seus deslocamentos/forças estão associados à flexibilidade/rigidez mecânica da estrutura metálica conectada à piezocerâmica. Outra classe de atuadores, mais geral, são os manipuladores multi-atuados, que constituem de uma estrutura multi-flexível acoplada a duas ou mais piezocerâmicas. Novamente, a estrutura multi-flexível atua como um transformador mecânico, amplificando e mudando a direção dos deslocamentos das piezocerâmicas. Tais dispositivos podem apresentar dois ou mais graus de liberdade, como o nano-posicionador XY (com dois graus de liberdade), a micro-garra (quatro graus de liberdade) e outros. Os atuadores piezoelétricos flextensionais e os manipuladores multi-atuados podem ser utilizados em manipulação celular, na manufatura de CIs, em micro-cirurgias, e em muitas outras aplicações. Atualmente, ambos os tipos de atuadores são projetados pela moderna técnica de otimização tipológica, um método computacional que combina algoritmos de otimização com o método de elementos finitos. A interferometria laser constitui uma técnica adequada para caracterizar ambos os tipos de atuadores, permitindo-se a medição de deslocamentos na faixa de poucos nanômetros à vários micrometros. Neste trabalho, utiliza-se um interferômetro de Michelson de baixo custo para medir o fator de calibração e a amplificação de deslocamentos de atuadores piezoelétricos flextensionais, bem como, a relação entre o deslocamento direto e cruzado...

Piezoelectric flextensional actuators consist of a flexible metal frame attached to a piezoceramic. The flexible frames must amplify the small displacements and/or forces at different specific points of their structures. These are solid state type devices, without moving parts (such as pins or joints) and their displacements/forces are associated to the mechanical flexibility/stiffness of the metal structure connected to the piezoceramic. A more generic class of actuators, are the multi-actuated manipulators, which are compose of a multi-flexible structure attached to two or more piezoceramics. Similarly, the multi-flexible structure acts as a mechanical transformer amplifying and changing the direction of the piezoceramic displacements. Such devices may have two or more degrees of freedom, as the XY nano-positioner (with two degrees of freedom), the micro-jaw (four degrees of freedom) and others. Piezoelectric flextensional actuators and multi-actuated manipulators can be used in cell manipulation, manufacture of CIs, micro-surgery and many other applications. Currently, both types of actuators are designed by the modern topology optimization technique, a computational method that combines optimization algorithms with the finite element method. The laser interferometry is a suitable technique to characterize both types of actuators, enabling the measurement of displacements ranging from few nanometers to several micrometers. In this work, it was used a low cost Michelson interferometer to measure the calibration factor and the displacement amplification of flextensional piezoelectric actuators, as well as the relationship between the direct and the coupled displacements in multi-actuated manipulators. A new interferometric method, highly sensitive and suitable to operate under optical narrow band phase modulation is presented. In this method, the actuators are drive by a triangular... (Complete abstract click electronic access below)