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壓電振動(dòng)模式控制及其在無(wú)鉛壓電陶瓷中的應(yīng)用研究

壓電陶瓷廣泛用于諧振裝置應(yīng)用,例如信號(hào)處理【】濾波器和諧振器,致動(dòng)器和發(fā)聲器應(yīng)用,其中電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移,振動(dòng)或聲音,以及傳感器應(yīng)用,其中機(jī)械沖擊或應(yīng)力被轉(zhuǎn)換成電信號(hào).控制在壓電體內(nèi)部傳播的彈性振動(dòng)波的行為對(duì)于電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的這種轉(zhuǎn)換是重要的.

壓電陶瓷的極化結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)的某些設(shè)計(jì)使得能夠獲得以前不可能的獨(dú)特特征.本文基于陶瓷雙層技術(shù)的壓電陶瓷極化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提出了一種能量俘獲現(xiàn)象(彈性振動(dòng)集中在電極區(qū)域的現(xiàn)象).

Poling結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)厚度延伸模式的能量俘獲

厚度延伸振動(dòng)的基本振動(dòng)模式和奇數(shù)次諧波模式與厚度剪切振動(dòng)的偶數(shù)次諧波模式耦合.厚度延伸振動(dòng)的基波模式(TE1模式)與厚度剪切振動(dòng)(TS2模式)的二階諧波模式耦合.因?yàn)?/span>TE1模式和TS2模式的共振頻率彼此接近,所以波數(shù)和【】晶振頻率具有這樣的關(guān)系(色散關(guān)系),其中由于材料的彈性特性的不同,它們彼此施加強(qiáng)烈的影響.如果各向同性介質(zhì)中的泊松比小于1/3,則TE1模式的共振頻率將小于TS2模式的共振頻率.

具有熱穩(wěn)定特性的壓電【】陶瓷晶振如鈦酸鉛顯示出這種分散關(guān)系.圖1中的虛線表示形成電極的區(qū)域的頻率變化.另外,在圖1中,縱軸右側(cè)的波數(shù)是實(shí)數(shù),左側(cè)的波數(shù)是虛數(shù).波數(shù)的虛數(shù)值意味著不傳播振動(dòng)波.看一下TE1模式的電極區(qū)域(虛線)和非電極區(qū)域(實(shí)線)的色散關(guān)系,沒(méi)有電極區(qū)域是實(shí)數(shù)的頻率,非電極區(qū)域變成虛數(shù)的頻率數(shù).

圖1 TE1模式(a)和TE2模式(b)中振動(dòng)波的色散關(guān)系

歸一化頻率由下式給出計(jì)算式,并且總諧振器厚度的一半表示為h.實(shí)線和虛線分別表示傳播非電極區(qū)域的振動(dòng)波和傳播電極區(qū)域的振動(dòng)波的色散關(guān)系.

換句話說(shuō),對(duì)于TE1模式振動(dòng)波沒(méi)有頻率區(qū)域,其中電極區(qū)域僅傳播,并且非電極區(qū)域不傳播.如圖2所示制造TE1模式諧【】振器,并測(cè)量阻抗諧振特性(圖3(a)).這表明通過(guò)非電極區(qū)域傳播并在元件端反射的多個(gè)波疊加在電極上.

圖2單板TE1模式諧振器的示意圖

橫截面視圖中的箭頭表示壓電陶瓷的極化方向.電極直徑d為1mm,諧振器的總厚度為0.2mm.

另一方面,由于圖4所示的雙層結(jié)構(gòu)而發(fā)生激勵(lì)的厚度延伸振動(dòng)的二次諧波模式(TE2模式)與奇數(shù)階厚度剪切模式耦合,并且它不耦合偶數(shù)階厚度剪切模式.因此,TE2模式的色散關(guān)系不與具有最接近共振頻率的厚度剪切模式TS4模式耦合.結(jié)果,這表現(xiàn)出彈性波與TE2模式的固有色散關(guān)系,即,隨著頻率增加波數(shù)增加的色散關(guān)系.

圖3 TE1模式諧振器(a)和TE2模式諧振器(b)的阻抗諧振特性

圖1(b)顯示了鈦酸鉛壓電陶瓷的TE2模式的色散關(guān)系.在這種情況下,耦合TE2模式和TS3模式.這表明TE2模式的【】村田陶瓷晶振頻率隨著波數(shù)的增加而增加.在TE2模式中,存在電極區(qū)域的波數(shù)是實(shí)數(shù)的頻率區(qū)域,并且非電極區(qū)域的波數(shù)是虛數(shù)(箭頭圖1(b)中所示的頻率區(qū)域).

換句話說(shuō),振動(dòng)波僅在該頻率區(qū)域中在電極區(qū)域中傳播.振動(dòng)波僅在特定區(qū)域中傳播的這種現(xiàn)象稱為能量捕獲現(xiàn)象.TE2模式的阻抗頻率響應(yīng)如圖3(b)所示,這表明獲得了單模諧振的優(yōu)異阻抗諧振特性.

圖4使用雙層結(jié)構(gòu)的TE2模式諧振器的示意圖

橫截面視圖中的箭頭表示壓電陶瓷的極化方向.電極直徑d為1mm,諧振器的總厚度為0.2mm.

用于具有低損耗(高Q值)和高熱穩(wěn)定性的厚度延伸振動(dòng)模式的【】陶瓷諧振器的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為問(wèn)題多年,但是可以通過(guò)使用基于極化結(jié)構(gòu)的能量捕獲現(xiàn)象來(lái)解決該問(wèn)題.