一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，属于调控压电器件频率及电势分布的技术领域，具体为：在压电层上附加一层挠曲电材料层，以使在简谐波动下，通过压电效应将厚度拉伸模态的声能转化为电能，通过挠曲电效应将弯曲模态的声能转化为电能；声能转化为电能中，改变挠曲电材料层的厚度，通过挠曲电效应独有的尺度依赖性调节非局部弹性刚度的大小，从而调控频率；并通过尺度依赖性调节挠曲电系数的大小来改变简谐波动中弯曲模态声能转换为电能的效率。本发明专利技术通过利用压电效应同时耦合挠曲电效应，在相同尺度下，进一步增强机电耦合的谐振频率，并调控电压分布，提高器件的性能。提高器件的性能。提高器件的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法


[0001]本专利技术涉及调控压电器件频率及电势分布的
，尤其是涉及一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法。

技术介绍

[0002]机电耦合效应因具有因机械变形产生电压和因电压产生机械变形的特性，越来越多地应用于现代工业系统的各个方面，发挥广泛且基本的功能。压电效应是一种常见的机电耦合效应，利用该效应可以制成多种器件，如压电传感器、激振器和谐振器。
[0003]随着时代的不断发展，器件的微型化是一大趋势，器件的尺寸越小，机电耦合产生的谐振频率越高，因而应用范围更加广阔，如在5G通信领域中，射频信号频率达到了厘米波乃至毫米波，这要求谐振器的工作频率更高。又如质量微天平传感器，频率越高其测量精度也越高。压电效应中，谐振频率与结构尺寸成反比，现代MEMS技术制造的各种器件尺寸已达到微纳米量级，压电器件工作频率已达到瓶颈，且随着尺寸的降低，器件的功率承载下降，过高的电压负载会击穿器件，这些均限制了更高频和更灵敏的器件设计。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，通过利用压电效应同时耦合挠曲电效应，在相同尺度下，进一步增强机电耦合的谐振频率，并调控电压分布，提高器件的性能。
[0005]本说明书实施例公开了一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，在压电层上附加一层挠曲电材料层，以使在简谐波动下，通过压电效应将厚度拉伸模态的声能转化为电能，通过挠曲电效应将弯曲模态的声能转化为电能；所述声能转化为电能中，改变挠曲电材料层的厚度，通过挠曲电效应独有的尺度依赖性调节非局部弹性刚度的大小，从而调控频率；并通过尺度依赖性调节挠曲电系数的大小来改变简谐波动中弯曲模态声能转换为电能的效率，进而改变挠曲电效应产生的电势大小，从而调控两种不同效应产生的总电势的分布。
[0006]在一些实施例中，在压电层上附加一层挠曲电材料层后，即在单一的压电效应中引入了挠曲电效应，即同时引入挠曲和拉伸耦合变形，形成压电
‑
挠曲电耦合，产生挠曲电、压电双重电势；其中，单一压电层的应力和电位移满足如下的方程：；其中，.表示点积，：表示双重点积，σ是二阶应力张量，c为弹性张量，S为二阶应变张量；e为压电系数张量；E为电场向量； D是电位移向量；ε为介电矩阵。
[0007]在一些实施例中，单一挠曲电材料层的高阶应力和电位移满足如下的方程：
；其中，表示三重点积，τ为高阶应力；g为非局部弹性张量，进一步表示为，l为挠曲电材料特征长度参数；η为应变梯度张量；f为四阶挠曲电张量。
[0008]在一些实施例中，所述压电
‑
挠曲电耦合的应力、高阶应力、电位移方程为：；所述压电
‑
挠曲电结构满足如下的运动方程：；其中σ
ij
是二阶应力张量σ的分量，τ
ijk
是高阶应力τ的分量，D
i
是电位移向量D的分量，u
i
是位移向量的分量，t是时间，ρ是质量密度，逗号紧跟一个下标i表示对这个下标坐标x
i
的求导，。
[0009]在一些实施例中，将所述压电
‑
挠曲电耦合的应力、高阶应力、电位移方程中的参数无量纲化：；式中C、e
’
、ε
’
、F、K1、Ω、H、L和ρ
’
为无量纲参数，c
11
为弹性张量c的第一个分量，ε
11
为介电矩阵ε的第一个分量，k1为波数，ω为频率，h为厚度；改变挠曲电材料层的厚度h，通过无量纲特征长度L调节非局部弹性刚度的大小G=L2C，从而调控频率；改变挠曲电材料层的厚度h，通过尺度依赖性调节挠曲电系数的大小F来改变简谐波动中弯曲模态声能转换为电能的效率，进而改变挠曲电效应产生的电势大小，从而调控两种不同效应产生的总电势的分布。
[0010]综上所述，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术可以在相同尺寸下，利用挠曲电效应提高压电器件谐振频率，同时电势分布叠加，降低了器件的负载，使得在保护器件不被击穿的前提下，提高了器件的工作频率。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1为本专利技术利用挠曲电效应调控压电声波器件频率及电势分布的一个实施例结构示意图。
[0013]图2为本专利技术实施例提供的纯压电效应（P）的Lamb波色散曲线，以及不同尺寸时挠曲电和压电效应耦合情况下（P和F）的Lamb波色散曲线。
[0014]图3a为本专利技术实施例提供的h=15l时纯压电效应下P点波模态振型。
[0015]图3b为本专利技术实施例提供的h=10l时纯压电效应下P点波模态振型。
[0016]图3c为本专利技术实施例提供的h=5l时纯压电效应下P点波模态振型。
[0017]图4a为本专利技术实施例提供的h=15l时压电和挠曲电效应耦合下（P&F）点PF15、PF10、PF5的波模态振型。
[0018]图4b为本专利技术实施例提供的h=10l时压电和挠曲电效应耦合下（P&F）点PF15、PF10、PF5的波模态振型。
[0019]图4c为本专利技术实施例提供的h=5l时压电和挠曲电效应耦合下（P&F）点PF15、PF10、PF5的波模态振型。
具体实施方式
[0020]在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本专利技术实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0021]下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本专利技术实施例的不同结构。为了简化本专利技术实施例的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本专利技术实施例。此外，本专利技术实施例可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0022]下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。
[0023]本说明书实施例公开了一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，在压电层上附加一层挠曲电材料层（如图1所示），以使在简谐波动下，通过压电效应将厚度拉伸模态的声能转化为电能，通过挠曲电效应将弯曲模态的声能转化为电能；声能转化为电能中，改变挠曲电材料层的厚度，通过挠曲电效应独有的尺度依赖性调节非局部弹性刚度的大小，从而调控频率；并通过尺度依赖性调节挠曲电系数的大小来改变简谐波动中弯曲模态声能转换为电能的效率，进而改变挠曲电效应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，其特征在于：在压电层上附加一层挠曲电材料层，以使在简谐波动下，通过压电效应将厚度拉伸模态的声能转化为电能，通过挠曲电效应将弯曲模态的声能转化为电能；所述声能转化为电能中，改变挠曲电材料层的厚度，通过挠曲电效应独有的尺度依赖性调节非局部弹性刚度的大小，从而调控频率；并通过尺度依赖性调节挠曲电系数的大小来改变简谐波动中弯曲模态声能转换为电能的效率，进而改变挠曲电效应产生的电势大小，从而调控两种不同效应产生的总电势的分布。2.根据权利要求1所述的利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，其特征在于，在压电层上附加一层挠曲电材料层后，即在单一的压电效应中引入了挠曲电效应，即同时引入挠曲和拉伸耦合变形，形成压电
‑
挠曲电耦合，产生挠曲电、压电双重电势；其中，单一压电层的应力和电位移满足如下的方程：；其中，.表示点积，：表示双重点积，σ是二阶应力张量，c为弹性张量，S为二阶应变张量；e为压电系数张量；E为电场向量； D是电位移向量；ε为介电矩阵。3.根据权利要求2所述的利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法，其特征在于，单一挠曲电材料层的高阶应力和电位移满足如下的方程：；其中，表示三重点积，τ为高阶应力；g为非局部弹性张量，进一步表示为，l为挠曲电材料特征长度参数；η为应变梯度张量；f为四阶挠曲电张量。4.根据权利要求3所述的利用挠曲电效应调控压电器件频率及电势分布的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱峰，李念，屈毅林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：