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具有周期性电极的各向同性有限弹性体中声表面波的二维分析

具有周期性电极的各向同性有限弹性体中声表面波的二维分析

引用

第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：王骥李展杜建科宁波大学工学院压电器件技术实验室

在声表面波谐振器分析和设计中,波速是一个非常重要的性能参数。Rayleigh最早求得了声表面波在半无限大各向同性材料中传播的波速,以后的研究则大多沿用这样一个简化的半空间模型。我们知道,实际的声表面波谐振器是覆盖有周期性电极(IDT... 详细信息

在声表面波谐振器分析和设计中,波速是一个非常重要的性能参数。Rayleigh最早求得了声表面波在半无限大各向同性材料中传播的波速,以后的研究则大多沿用这样一个简化的半空间模型。我们知道,实际的声表面波谐振器是覆盖有周期性电极(IDT)的有限大尺寸的压电弹性体,因此用传统的半空间模型来研究声表面波在这样一种复杂结构中的传播特性是不够精确的。本文运用有限弹性体中声表面波二维理论来精确分析声表面波在覆盖周期性电极层的各向同性基体中的传播问题。我们取结构的一个周期作为计算单元,运用声表面波二维理论对覆盖电极层区域以及未覆盖电极层区域分别求解,并引入连续性边界条件以及周期性边界条件。这样我们就可以得到声表面波在覆盖周期性电极层的弹性体中的传播特性。通过对不同电极层厚度下各向同性基体中的声表面波波速的计算,我们发现声表面波波速随着电极层厚度的增加具有减小的趋势。当电极层厚度为零时所求得的波速与未覆盖电极层相应半无限大基体中的声表面波波速相同,这就验证了我们分析的正确性。本文的研究也为继续分析基体为各向异性材料时的声表面波传播特性打下了基础。

关键词：声表面波谐振器周期性电极各向同性有限弹性体

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实验研究1-3型压电复合材料结构参数对其性能的影响

实验研究1-3型压电复合材料结构参数对其性能的影响

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第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：李莉秦雷王丽坤万媛媛杜宏亮孙百生北京市海淀区西土城路10号北京邮电大学自动化学院 100876 北京市朝阳区北四环中路35号北京信息工程学院传感技术研究中心 100101

本文通过实验研究了水声换能器用的1-3和1-3-2两种压电复合材料的结构参数(陶瓷体积百分比和外形尺寸)对其性能的影响。利用切割-浇注方法分别制备了陶瓷体积百分比不同的1-3型和1-3-2型两种压电复合材料，分析并比较了1-3与1-3-2复合... 详细信息

本文通过实验研究了水声换能器用的1-3和1-3-2两种压电复合材料的结构参数(陶瓷体积百分比和外形尺寸)对其性能的影响。利用切割-浇注方法分别制备了陶瓷体积百分比不同的1-3型和1-3-2型两种压电复合材料，分析并比较了1-3与1-3-2复合材料的性能。结果表明，当1-3-2型复合材料中陶瓷基底的体积百分比小于30％时，其性能与1-3复合材料基本相同。另外，实验还通过磨片改变复合材料的厚度，制备了不同宽厚比的材料样品，并对样品进行了各项性能测试(包括谐振频率，机电耦合系数等)，分析了样品外形尺寸变化对其振动形式的影响，给出了可以得到较纯的厚度振动和较大的厚度机电耦合系数的最佳的高宽比范围：h/w＜0.2或0.35＜h/w＜0.44，其厚度谐振在170～210KHz和大于250KHz的频率范围内。

关键词：压电复合材料水声换能器谐振频率机电耦合系数材料性能

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基于双口网络参数的压电变压器联接输出特性分析

基于双口网络参数的压电变压器联接输出特性分析

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第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：董维杰白凤仙肖磊大连理工大学电子与信息工程学院

随着信息处理和通讯设备日益小型化、轻型化,对电源设备小型化的需求越来越高,压电变压器(Piezoelectric Transformer,PT)实现了电子元器件行业所关注的变压器片式薄型化,越来越受到业界的关注。压电变压器是继电磁变压器、脉冲式变压... 详细信息

随着信息处理和通讯设备日益小型化、轻型化,对电源设备小型化的需求越来越高,压电变压器(Piezoelectric Transformer,PT)实现了电子元器件行业所关注的变压器片式薄型化,越来越受到业界的关注。压电变压器是继电磁变压器、脉冲式变压器后的第三代变压器,具有能量密度高(>30W/cm3)、无绕组、不引起电磁干扰、片式化、体积小等优点。大屏幕液晶等应用场合要求高压、大功率,这与目前商用压电变压器输出高压小功率(<几瓦)成为矛盾;即使低压应用场合同样存在功率扩展、电压扩展问题,以便灵活方便地适应不同的应用需求。要获得所需要的功率,若干压电变压器串、并联是必须的。压电变压器的机电模型是含理想变压器的双口网络,有四种可能的联接方式,即并联输入-并联输出;串联输入-串联输出;串联输入-并联输出;并联输入-串联输出。采用PSPICE软件仿真受原副边共地要求,无法分析后面三种联接情况。本文介绍了用双口网络的Y参数矩阵求解压电变压器的升压比、输出功率及效率的方法,用导纳矩阵参数Y分析了2个以上压电变压器并-并联后升压比、功率和效率的频率特性及负载特性。对于串-并、并-串联接和串-串联接压电变压器,分别采用混合参数矩阵G、H和阻抗参数矩阵Z得到联接后的矩阵参数,最终全部转化成Y参数矩阵,进而分析联接后升压比、功率和效率的改变。采用双口网络参数的好处是可以从理论上预测压电变压器四种联接后的矩阵参数,利用MATLAB容易分析计算联接后的输出特性。文中给出了并-并联接压电变压器的实验测量结果,总结了要提高压电变压器的升压比和输出功率适合采用的串并联联接方式和负载匹配问题。

关键词：压电压电变压器串并联双口网络

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理想流体覆盖薄层对无限大弹性板中的声表面波影响的分析

理想流体覆盖薄层对无限大弹性板中的声表面波影响的分析

引用

第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：王骥吴荣兴杜建科宁波大学工学院压电器件技术实验室

利用声表面波的传播特性进行流体性质测定早已引起人们的极大兴趣。一般说来,声表面波流体传感器具有频率高、体积小、测量速度快、结构简单和精度高等优点。随着检测技术的发展,声表面波流体传感器在石油、化工、医学和国家安全等领域... 详细信息

利用声表面波的传播特性进行流体性质测定早已引起人们的极大兴趣。一般说来,声表面波流体传感器具有频率高、体积小、测量速度快、结构简单和精度高等优点。随着检测技术的发展,声表面波流体传感器在石油、化工、医学和国家安全等领域发挥着巨大作用。因此,对声表面波流体传感器的精确和详细的理论分析是一项十分重要的工作。我们用一个包含流体的双层结构模型来简化典型的声表面波流体传感器,并用声表面波理论和理想流体模型来精确分析声表面波在弹性板和理想流体层中的传播。我们的研究工作先从覆盖理想流体的各向同性半无限大弹性体中的声表面波分析开始,得到了声表面波速度和流体层厚度之间的关系。我们的研究结果与早期的研究和实验结果非常接近。在此基础上,我们分析了基体是各向同性无限大弹性板的情况,发现随着流体厚度的不断减小,弹性板的振动开始表现为对称和反对称模态,这个结果与没有流体覆盖层的弹性板振动研究结果相吻合。因为实际传感器的基体都是由各向异性压电材料制造的,本文接着分析了基体是ST切石英晶体的半无限大弹性体和无限大弹性板的情况。我们发现,由于弹性体或弹性板与流体层的相互作用,实际振动会出现多个声表面波波速。本文得到的结果能够为声表面波流体传感器的设计提供坚实的理论基础。

关键词：声表面波理想流体传感器波速振动

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Rosen型压电变压器并联联接的电气特性分析

Rosen型压电变压器并联联接的电气特性分析

引用

第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：白凤仙董维杰大连理工大学电信学院电子系

Rosen型压电变压器(piezoelectric transformer,简称PT)具有厚度小、成本低和高升压比的特点,使它在便携式高压应用方面有其独特的优点。目前商用压电变压器的功率一般只有几瓦。随着液晶屏幕越来越大,功率需求也越来越高,低输出功率正... 详细信息

Rosen型压电变压器(piezoelectric transformer,简称PT)具有厚度小、成本低和高升压比的特点,使它在便携式高压应用方面有其独特的优点。目前商用压电变压器的功率一般只有几瓦。随着液晶屏幕越来越大,功率需求也越来越高,低输出功率正成为压电变压器发展的最大障碍。多层压电变压器是解决这一问题的一种方法,但其制造技术非常复杂,成本很高。要获得所需要的功率,若干压电变压器串、并联联接是必须的。通常,PT可视为一个二端口网络,有四种可能的联接方式,即并联输入-并联输出;串联输入-串联输出;串联输入-并联输出;并联输入-串联输出。可是,由于Rosen压电变压器的原边和副边有一个公共端,无论输入端还是输出端都不允许它们简单地串联联接,在此本文只讨论了Rosen压电变压器的并联输入-并联输出联接。目前,压电变压器的特性研究一般采用仿真和实验研究两类方法。其中,仿真方法通常采用PSpice或Matlab软件的电学仿真。而PSpice或Matlab仿真虽然能得出直观的特性曲线,但一般不能给出压电变压器等效参数与其电气特性的直接关系。本文采用经典集总参数等效电路模型,利用双口网络导纳矩阵参数Y参数的特点对Rosen压电变压器并-并联联接的电压增益、输出功率。功率传输效率等电气特性作了详细的理论分析;并利用Pspice仿真软件仿真分析了模型参数完全相同时并联压电变压器的个数对电压增益、输出功率、功率传输效率的影响。理论分析和仿真结果表明,压电变压器的并联联接是提高输出功率的一种有效的解决方法。与单片压电变压器相比,并联联接不仅能够提供更高的输出功率,而且能提升电压增益。

关键词： Rosen压电变压器等效电路 Y参数电气特性

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硅基PZT压电薄膜微力传感器的测试和优化

硅基PZT压电薄膜微力传感器的测试和优化

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第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：孟汉柏崔岩大连理工大学微系统研究中心

采用MEMS体硅加工工艺制作了三种不同尺寸的硅基PZT压电薄膜微悬臂梁式结构。这种结构被用来作为测量毫克级微小力的微力传感器。PZT压电薄膜在基体Pt/Ti/SiO/Si上用溶胶--凝胶（Sol-Gel）方法制备,然后在600℃下采用分层退火的方式进... 详细信息

采用MEMS体硅加工工艺制作了三种不同尺寸的硅基PZT压电薄膜微悬臂梁式结构。这种结构被用来作为测量毫克级微小力的微力传感器。PZT压电薄膜在基体Pt/Ti/SiO/Si<100>上用溶胶--凝胶（Sol-Gel）方法制备,然后在600℃下采用分层退火的方式进行退火,薄膜表面均匀,无裂纹。运用自行研制的基于微探针式双晶片测试系统对微力传感器进行了静态和准静态测试,得到了其在静态和准静态下的各项性能指标。经过对实验数据的分析和比较,得出了三种尺寸的微悬臂梁结构里各项性能指标较好的一种几何尺寸。最后,基于压电原理和材料力学理论,采用简化的等效微器件结构建立了数学分析模型,运用有限元分析软件ANSYS对三种不同尺寸的PZT压电复合多层薄膜微悬臂梁结构在静态和准静态下的各项性能指标进行了模拟,同时考虑了微悬臂梁式微力传感器在制作和对其测量过程中多种因素的影响,发现模拟结果与实际结果基本吻合,对其中出现的误差进行了分析和总结,并且模拟了微悬臂梁结构的几何参数对其在静态和准静态下的各项性能指标的影响,得到若干规律性的结果,给出了一组优化的微悬臂梁结构的几何参数,为提高微悬臂梁式的微力传感器的各项性能指标提供了一定的依据,因此更具有参考价值。

关键词： MEMS PZT薄膜微力传感器微探针式双晶片测试系统静态和准静态有限元法

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压电式微加速度计的研究

压电式微加速度计的研究

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第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：杨慧郭航厦门大学萨本栋微机电研究中心

加速度计是惯性测量和导航系统的主要元件之一,随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,微硅加速度计作为一种新型惯性传感器,由于采用微机械加工技术制作,它在体积、重量、成本、功耗、可靠性、及寿命等方面,都具有传统加速度计无可比拟... 详细信息

加速度计是惯性测量和导航系统的主要元件之一,随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,微硅加速度计作为一种新型惯性传感器,由于采用微机械加工技术制作,它在体积、重量、成本、功耗、可靠性、及寿命等方面,都具有传统加速度计无可比拟的优势,在航空航天、汽车工业、工业自动化、机器人及医药等领域具有广阔的应用前景,因而成为目前MEMS产品化的研究热点之一。本文研究了一种在硅基上的具有集中质量,采用悬臂梁结构,梁上铺设单层ZnO压电薄膜的微加速度计的结构。由于ZnO材料具有很高的机电耦合系数及较低的介电常数,因此采用ZnO作为敏感单元来制作压电式微硅加速度计,可以使微加速度计具有简单的结构和较高的灵敏度。本文详细讨论了采用铺设单层ZnO压电薄膜的悬臂梁结构的压电式微加速度计的力学原理及结构参数设计,建立了该传感器的数学模型,利用有限元方法在ANSYS软件中对微加速度计的悬臂结构进行了分析,得到了整个微加速度计结构的模态,静态及动态响应等结果,进而研究了压电层厚度、悬臂厚度、长度及宽度对微加速度计灵敏度的影响,兼顾到量程、刚性条件和弹性条件的综合要求,对质量块及悬臂的结构进行了优化设计。研究表明,这种简单的压电式微加速度计结构便于制造,可靠性强,可以承受比较大的加速度g,并具有较高的灵敏度。

关键词：压电式微加速度计悬臂梁结构压电薄膜

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声表面波在功能梯度平板中的传播

声表面波在功能梯度平板中的传播

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第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：高立名王骥仲政杜建科同济大学航空航天与力学学院宁波大学工学院压电器件实验室

在均质弹性板中,对于不同的相速度,瑞利波有关于平板中面对称和反对称的两种模态。如果平板的材料属性沿厚度方向呈梯度变化,模态的对称性将会有所改变。即材料的梯度变化将会增大或减小平板表面的位移。对于功能梯度材料平板中瑞利波... 详细信息

在均质弹性板中,对于不同的相速度,瑞利波有关于平板中面对称和反对称的两种模态。如果平板的材料属性沿厚度方向呈梯度变化,模态的对称性将会有所改变。即材料的梯度变化将会增大或减小平板表面的位移。对于功能梯度材料平板中瑞利波的传播,该问题的控制方程是一个变系数常微分方程组,很难得到其解析解。本文采用Frobenius级数方法对材料属性沿厚度方向呈线性变化的平板中瑞利波的传播进行了研究。将该问题的解展开成级数形式,并利用控制方程得到该级数的递推公式,再将该级数解带入上下表面的应力边界条件中,得到级数解中各项系数。利用Frobenius级数方法得到的相速度解与层合板模型解是一致的。很容易看到,当材料属性从上表面到下表面线性增加时,第一阶模态(较小的相速度)对应的下表面位移将会增加,上表面对应的位移将会减小;第二阶模态(较大的相速度)对应的位移恰好相反。当材料属性从上表面到下表面线性减小时,第一模态对应得下表面位移将会减小,上表面对应得位移将会增加;第二模态对应的位移与第一模态相反。本文采用的Frobenius法可以推广到其他形式的材料性能变化模式。材料性能呈线性规律变化的结果,可能在声表面波器件中得到应用。例如,在换能器中,可以将功能梯度材料应用到基体中,从而将电信号转化成更大的机械变形以改善其性能。

关键词：表面声波功能梯度材料 Frobenius 振动瑞利波

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具有周期性电极的各向异性有限弹性体中声表面波的二维分析

具有周期性电极的各向异性有限弹性体中声表面波的二维分析

引用

第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：王骥李展杜建科宁波大学工学院压电器件技术实验室

声表面波谐振器实际上是覆盖有周期性电极的有限大压电弹性体。对于这样一个复杂结构,虽然从理论上讲可以利用三维运动方程加上边界条件来精确地描述声表面波在其中的传播特性,但是由于运动方程及边界条件的复杂性,求解三维运动方程的... 详细信息

声表面波谐振器实际上是覆盖有周期性电极的有限大压电弹性体。对于这样一个复杂结构,虽然从理论上讲可以利用三维运动方程加上边界条件来精确地描述声表面波在其中的传播特性,但是由于运动方程及边界条件的复杂性,求解三维运动方程的解析解几乎是不可能的。理论上也可以利用有限元法来求解三维运动方程,但是庞大的矩阵运算对计算机的运算速度及内存有很高的要求,其求解结果的后处理也非常复杂。因此截止目前,对于声表面波的传播特性研究大多以简化的半无限空间模型为主。本文运用有限弹性体中声表面波二维理论来精确分析覆盖有周期性电极层的各向异性弹性体中的声表面波传播问题。取结构的一个周期作为计算单元,运用声表面波二维理论对覆盖电极层区域以及未覆盖电极层区域分别求解,并引入连续性边界条件以及周期性边界条件。通过对不同电极层厚度下各向异性基体中的声表面波波速的计算,我们发现声表面波波速随着电极层厚度的增加具有减小的趋势。当电极层厚度为零时所求得的波速与未覆盖电极层相应半无限大弹性基体中的声表面波波速相同,这就验证了我们分析的正确性。由于本文研究模型接近实际的声表面波谐振器,并且充分考虑了周期性电极的分布、尺寸效应以及材料属性,因此本文的研究方法以及得到的结论对于声表面波谐振器的分析和设计具有重要的实用价值。

关键词：声表面波谐振器周期性电极各向异性有限弹性体

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磁电弹性介质中圆形裂纹诱导的完全场

磁电弹性介质中圆形裂纹诱导的完全场

引用

第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：钟献词李显方中南大学土木建筑学院力学与传感技术研究所

本文考虑无限大磁电介质中含有一圆形裂纹,假设裂纹面与磁电介质的极化方向垂直。考虑在受到外加荷载作用张开时的Ⅰ型裂纹问题,在裂纹表面采用一种与裂纹张开位移有关的非线性约束磁电边界条件,基于线性磁电弹性本构方程,该问题转化为... 详细信息

本文考虑无限大磁电介质中含有一圆形裂纹,假设裂纹面与磁电介质的极化方向垂直。考虑在受到外加荷载作用张开时的Ⅰ型裂纹问题,在裂纹表面采用一种与裂纹张开位移有关的非线性约束磁电边界条件,基于线性磁电弹性本构方程,该问题转化为在复杂边界条件下圆柱坐标的偏微分方程组的求解。利用Hankel积分变换,问题转化为对偶积分方程的求解,采用已有的公式,获得了磁电弹性场的封闭形式解,进一步获得了裂纹尖端的应力、电位移和磁感应强度的强度因子及能量释放率。当今张开裂纹内部的磁导率和介电常数为特定值时,分别得到磁电渗透型,磁电非渗透型,磁渗透和电非渗透,磁非渗透和电渗透等为其四种特殊情形下的结果。结果表明,对于磁电非渗透型裂纹和真空型裂纹模型,外加电场和磁场总是使得能量释放率减少,而应变强度因子和张开位移强度因子,正的电场和磁场促使其增加,而负的电场和磁场促使其减少。对于磁电渗透型裂纹,能量释放率和应变强度因子不受外加磁电荷载的影响,进而表明,裂纹内部介质的电容率和磁导率对裂纹的扩展有重要影响。

关键词：磁电弹性介质圆盘状裂纹非线性约束条件精确解

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