PZT壓電材料d31模式串聯(lián)結(jié)構(gòu)懸臂梁俘能性能研究.pdf

1、PZT壓電陶瓷具有壓電性強(qiáng)、易摻雜改性、居里溫度高、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于壓電器件中。由PZT壓電陶瓷制成的壓電俘能器具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染、易于加工制作和能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的微小化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，研究者們對其產(chǎn)生了濃厚的興趣，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并且提出了各類數(shù)學(xué)模型。目前提出的上下電極結(jié)構(gòu)d31模式懸臂梁壓電俘能器模型大多數(shù)均局限在的Euler-Bernoulli梁理論，此理論忽略了梁的剪切應(yīng)變。但是對于上下電極結(jié)構(gòu)d31模式

2、的粗短懸臂梁壓電俘能器，剪切應(yīng)變對梁的總應(yīng)變貢獻(xiàn)比較大，不能忽略。關(guān)于上下電極結(jié)構(gòu)d31模式粗短懸臂梁壓電俘能器的分析模型還鮮有報(bào)道。其次，隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)壓電換能器都向著微型化、集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的上下電極結(jié)構(gòu)在微型電子設(shè)備應(yīng)用中存在一些無法工作的問題，如俘能裝置的壓電材料只有頂電極情況，當(dāng)俘能器壓電層只存在頂電極時(shí)，俘能器在垂直方向是無法收集電能。因此，設(shè)計(jì)并制作共面電極結(jié)構(gòu)d31模式壓電俘能器能。本論文的主要內(nèi)容

3、如下：
　　(1)本文結(jié)合壓電本構(gòu)方程和Timoshenko梁理論推導(dǎo)出簡諧振動(dòng)下上下電極結(jié)構(gòu)d31模式懸臂梁壓電雙晶片俘能器的機(jī)電模型。同時(shí)用有限元軟件分別對上下電極結(jié)構(gòu)d31模式末端有質(zhì)量塊和無質(zhì)量塊懸臂梁俘能器模擬。提出模型計(jì)算得到的輸出電性能結(jié)果還與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，Euler-Bernoulli梁理論結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)提出模型與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)的誤差值小于Euler-Bernoulli梁理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差值。說明粗短

4、梁懸臂梁俘能器不能忽略剪切應(yīng)變。具體分析了影響上下電極結(jié)構(gòu)d31模式懸臂梁壓電俘能器俘能性能的不同因素以及提高d31模式雙晶片壓電俘能器俘能性能的不同參數(shù)要求。說明加質(zhì)量塊的d31模式粗短懸臂梁能夠俘獲低頻環(huán)境中振動(dòng)能。
　　(2)設(shè)計(jì)并制作了共面電極結(jié)構(gòu)d31模式PZT-51壓電俘能器。測量了共面電極結(jié)構(gòu)壓電俘能器在不同負(fù)載下的輸出電性能，以及在負(fù)載為4.7MΩ時(shí)的瞬時(shí)電壓和振動(dòng)激勵(lì)電壓與輸出峰-峰值電壓關(guān)系曲線。結(jié)果說明：輸出