d31模式懸臂梁壓電換能器致動和俘能性能的理論分析.pdf

1、由于微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的壓電換能器向著微型化、集成化方向發(fā)展,其應(yīng)用有高速原子力顯微鏡、納米機(jī)電開關(guān)、諧振器、射頻濾波器、生物傳感器、俘能器等。因此,利用MEMS技術(shù)制作壓電換能器受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。在眾多壓電換能器中,由于1-3型結(jié)構(gòu)換能器制作相對簡單且致動和俘能性能優(yōu)異,因而成為大家研究的熱點(diǎn)。雖然許多針對1-3型壓電換能器的理論模型被建立,但是對多層微懸臂梁結(jié)構(gòu)的建模還很少被報道。本文以1-3型懸

2、臂梁壓電換能器為研究對象,結(jié)合壓電本構(gòu)方程和歐拉伯努利粱理論建立了一個多層微懸臂梁壓電致動器的動態(tài)模型,同時基于鐵木辛柯梁理論推導(dǎo)出簡諧振動下懸臂梁壓電雙晶片的撓度和輸出電壓解析表達(dá)式。通過與實(shí)驗和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比,驗證提出模型的正確性。本論文的主要內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　1.基于歐拉伯努利粱,不考慮殘余應(yīng)力的影響,一個考慮緩沖層和電極層的多層微懸臂梁壓電致動器模型被建立。與傳統(tǒng)模型相比,提出模型的第一模態(tài)諧振頻率–梁長、自由

3、端撓度–電壓和諧響應(yīng)曲線更接近于實(shí)驗和有限元模擬結(jié)果。結(jié)果表明提出的模型可以有效地預(yù)測微懸臂梁壓電致動器的致動性能。同時機(jī)械阻尼和彎曲剛度對微懸臂梁壓電致動器的影響也被討論了。利用提出的模型,微懸臂梁壓電致動器的第一模態(tài)諧振頻率和自由端撓度對非壓電層厚度的依賴關(guān)系也被討論了。
　　2.結(jié)合壓電本構(gòu)方程和鐵木辛柯梁理論,一個串聯(lián)懸臂梁雙晶片壓電俘能器的機(jī)電模型被建立。提出模型計算得到的輸出電壓–振動頻率和輸出功率–振動頻率曲線與實(shí)驗

4、測量結(jié)果比較接近,結(jié)果證明提出模型可以精確地評估串聯(lián)懸臂梁壓電雙晶片的輸出響應(yīng)以及負(fù)載電阻增大所引起諧振頻率的漂移。更進(jìn)一步我們將模擬得到的輸出峰值電壓–負(fù)載電阻和輸出峰值功率–負(fù)載電阻曲線與實(shí)驗進(jìn)行對比,結(jié)果再次證明提出模型可以正確地評估串聯(lián)懸臂梁壓電雙晶片的俘能性能。
　　3.利用鈦酸鉍鈉鉀鐵電薄膜作為壓電層的分段電極微懸臂梁壓電致動器被設(shè)計。根據(jù)第2章中建立的多層懸臂梁壓電致動器模型,交流驅(qū)動電壓下分段和未分段電極微懸臂梁壓