Piezoelektrik tahrikli doğrusal hareket mekanizma tasarımı
Design of linear movement mechanisms with piezoelectric actuator
Yazar: SEZGİN KOCAER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜNVER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Piezoelektrik = Piezoelectric

Özet:
Tezde nanometre mertebesinde hareket edebilen doğrusal motor geliştirilmesi hedeflenmiştir. Piezoelektrik malzemeler kullanılarak yapılan doğrusal motor kaydır taşı prensibi ile çalışmaktadır. Tez çalışmasında geliştirilen piezoelektrik motorların besleme voltajı, sıcaklık ve yüke karşı performansları incelenmiştir. Tezde iki farklı mekanik kaydır-taşı motoru çalışılmıştır.
Çalışmalar neticesinde imal edilen tek eksende hareket kabiliyetindeki motorun atmosfer koşullarında, farklı şiddette besleme sinyalleri ile iki yönlü hareketi dijital optik kamera ile resimlendirilmiştir. Bu işlemler genliği 150V, 200V, 250V ve 300V olan sinyaller için motorun 25, 50, 75,100 ve 250 adımlık ilerleme miktarlarında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca ağırlığı 10g, 20g, 30g, 40g, 50g ve 100g olan yükler altında 300V'luk besleme sinyali ile 100 adımlık ilerlemeler uygulanarak ölçümler yapılmıştır. Resimlendirilmiş olan bu hareketlerin ardışık hareketler sonucu yer değiştirme miktarları ölçülüp mekanizmanın atma başına ortalama haraket miktarı hesaplanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda atmosfer koşullarında gerçekleştirilen bu çalışmada tek eksen kaydır taşı piezoelektrik motorun 400nm ile 1350nm arasında adım büyüklükleri ile ilerlediği görülmüştür.
Gerçekleştirilen ortogonal iki eksende hareket kabiliyetindeki piezoelektrik motor çalışmasında kriyojenik sıcaklık koşulunda piezoelektrik motor performansının incelenmesi hedeflenmiştir. İmal edilen motorun hareketi öncelikle atmosfer koşullarında dijital optik kamera yardımı ile gözlenmiştir. Sonrasında hedeflenen ölçümler için motor düşük sıcaklık taramalı uc mikroskobuna monte edilerek 77 kelvin sıcaklığına soğutulmuştur. Ölçümler; motorun hareketli tablası üzerine yerleştirilen kare örgü desenli galyum arsenit örnek üzerinden görüntü alınarak yapılmıştır. Motor belirli sayılarda ilerlemeler gerçekleştirdikten sonra örnek yüzeyi taranarak görüntü alınmıştır. Sonrasında alınan görüntüler üzerinde belirgin olan noktalar referans alınarak örneğin ne kadar yer değiştirdiği görüntüler üzerinden hesaplanmıştır. Motorun 77 kelvinde hareket edebilirliği test edildikten sonra motor sıcaklığı 4 kelvine indirilerek görüntüleme ve analiz işlemleri tekrarlanmıştır. Kriyojenik sıcaklık ortamında yapılan bu çalışmada piezoelektrik motorun 77 kevin sıcaklığında adım büyüklüğü 1500-2000 nm civarlarında ölçülmüştür. 4 kelvin sıcaklığında ise adım büyüklüğü 160 ile 450 nanometre civarında ölçülmüştür.

Abstract:
This thesis aims to design a linear motor which can move at nanometer range. The linear motor that is made up of piezoelectrical materials works according to the principal of slip-stick. This thesis examines performance of motors against supply voltage of the piezoelectrics, temperature and mechanical load. In this research two different mechanical slip-stick motors are studied. 
The motor that has been made as an outcome of this research has the ability of moving on a single axis. The supply signals of the motor at different intensity levels under atmospheric conditions and its movement to both sides have been recorded by a digital optic camera. During the process, for the 25, 50, 75,100 and 250 steps of the motor moving forwards and backwards, the intensity of the signals are 150V, 200V, 250V and 300V. The measurement is repeated under the loads of 10g, 20g, 30g, 40g, 50g and 100g at the 300V signal intensity with 100 steps moving forwards and backwards. The distance between sequential movements that have been drawn is measured and the average step size is calculated. This research is studied under atmospheric conditions and observes that the step size of the piezo-electrical motor, which has a slip-stick system and a single axis, is measured between 400nm and 1350nm. 
 The second research that focuses on a piezo-electrical motor which has the ability of moving on two orthogonal axes aims to examine the performance of piezo-electrical motors at cryogenic temperature. The movement of the motor is first observed at atmospheric conditions by a digital optic camera. Afterwards, the motor is mounted on a low temperature probe microscope and the temperature of the atmosphere is decreased to 77 Kelvin for the experiment. The experiment is done by scanning the square patterned gallium arsenide that is put on the moveable table of the motor. After the motor practices a certain amount of movements, its surface is scanned. Then, with reference to the points which can be observed clearly, the distance between movements is measured based on these images. After the ability of the motor whether it can move at 77 Kelvin is tested, its temperature is decreased to 4 Kelvin and the same tests and scanning procedure are repeated. This research is studied at cryogenic temperature and the step size of the piezo-electrical motor at 77 Kelvin is measured around 1500-2000 nm, whereas it is measured around 160-450 nm at 4 Kelvin.