d31模式懸臂梁壓電換能器致動(dòng)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(guó)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(duì)簡(jiǎn)單且致動(dòng)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(duì)1-3型壓電換能器的理論模型被建立,但是對(duì)多層微懸臂梁結(jié)構(gòu)的建模還很少被報(bào)道。本文以1-3型懸

2、臂梁壓電換能器為研究對(duì)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(gè)多層微懸臂梁壓電致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)模型,同時(shí)基于鐵木辛柯梁理論推導(dǎo)出簡(jiǎn)諧振動(dòng)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(yàn)和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)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(gè)考慮緩沖層和電極層的多層微懸臂梁壓電致動(dòng)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(zhǎng)、自由

3、端撓度–電壓和諧響應(yīng)曲線更接近于實(shí)驗(yàn)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(cè)微懸臂梁壓電致動(dòng)器的致動(dòng)性能。同時(shí)機(jī)械阻尼和彎曲剛度對(duì)微懸臂梁壓電致動(dòng)器的影響也被討論了。利用提出的模型,微懸臂梁壓電致動(dòng)器的第一模態(tài)諧振頻率和自由端撓度對(duì)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(gè)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(jì)算得到的輸出電壓–振動(dòng)頻率和輸出功率–振動(dòng)頻率曲線與實(shí)驗(yàn)

4、測(cè)量結(jié)果比較接近,結(jié)果證明提出模型可以精確地評(píng)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(yàn)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果再次證明提出模型可以正確地評(píng)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(dòng)器被設(shè)計(jì)。根據(jù)第2章中建立的多層懸臂梁壓電致動(dòng)器模型,交流驅(qū)動(dòng)電壓下分段和未分段電極微懸臂梁壓