[發明專利]基于剪切振動和彎張振動的壓電振子、換能器及制作方法

有效

• 申請號: 201810084952.4
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108493328B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 秦雷;賈俊博;仲超;谷傳欣;廖擎瑋;王麗坤
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: H01L41/08
• 分類號: H01L41/08;H01L41/04;H01L41/23;H01L41/053;H01L41/113
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 邱曉鋒

本發明涉及一種基于剪切振動和彎張振動的壓電振子、彎張換能器及其制作方法。本發明突破傳統1?3型壓電復合材料換能器應用d₃₃模態的限制，選用具有更高壓電常數和機電耦合系數的d₁₅模態來充當振動元，同時克服d₁₅模態產生剪切振動的弱點，將其剪切振動通過特殊的結構設計轉化為彎張外殼上下表面的彎張振動，以此來達到應用剪切振動模態產生橫波的目的，并制作低頻高功率小尺寸換能器，滿足水下遠距離通信、探測等需求。在水聲領域，該基于剪切振動和彎張振動的壓電振子能夠提高聲吶系統的作用距離以及探測精度，為軍事探測、預警、民用航海、捕魚等提供有效幫助。

技術領域

本發明屬于壓電換能器技術領域，具體涉及一種基于剪切振動和彎張振動的壓電振子、彎張換能器及其制作方法。

背景技術

壓電復合材料作為換能器的核心敏感材料經過近半個世紀的快速發展。因其既具有壓電相材料的性能又可以通過添加聚合物相來提高材料的綜合性能，故在超聲無損檢測、地質探測、水下聲吶等方面有著無可替代的作用。

壓電陶瓷的剪切振動模態作為典型振動模態的一種，其極化方向和電場方向垂直分布，在極化方向和電場方向組成的平面內產生剪切形變。對于大多數壓電元件，壓電陶瓷剪切振動模態的壓電系數d₁₅比d₃₃系數高出50-70％，且其頻率常數、介電常數都較低。

目前，國內外對于壓電材料d₁₅模態有了一部分研究，大部分都是通過結構設計來利用d₁₅獨特的剪切形變，且多用于能量收集領域。如美國新澤西州立大學的Ahmad等人設計了一種應用d₁₅模式的壓電復合材料，壓電陶瓷柱以45度角放置于聚合物中。然而由于其工藝復雜，性能提升不明顯，沒能得到廣泛應用。上海硅酸鹽研究所羅豪甦項目組將工作于d₁₅模態的PMNPT單晶應用于俘能器上，通過質量塊和懸臂梁的作用，將外界振動轉化為壓電單晶的切向形變，取得了較高的輸出電功率。湘潭大學的鄭學軍等人將兩塊工作于d₁₅模態的PZT壓電陶瓷串聯應用于壓電俘能器上，性能得到了進一步提高。巴西圣保羅大學的Trindade等人應用d₁₅模態設計了一種復合材料。該壓電材料的壓電應變常數d₁₅和介電常數并沒有減小，而壓電電壓常數e₁₅和剪切模量卻降低了90％。北京航空航天大學的梁艷等人提出基于d₁₅剪切機電耦合的接觸型行波壓電微電機，采用單體PZT作為定子，定子在交變電場的作用下產生一階和二階的彎曲振動模態，擺動的定子表面產生行波并以順時針或逆時針的方向摩擦轉子使其轉動。該結構較同類型產品優勢在于小型化，轉速高，扭矩大。清華大學的胡軍等人應用壓電陶瓷的d₁₅模態構成壓電圓管，通過剪切振動帶動磁性材料旋轉形成磁電耦合，較非d₁₅模態的剪切換能器相比能量密度大幅提高，證明其在磁傳感器，換能器以及俘能器等方面有較好的應用前景。中南大學冶金國家重點實驗室的張竇教授提出剪切壓電纖維復合材料(SPFC)的新穎結構，其極化方向是厚度方向，在水平方向交替施加電場。在驅動條件下，SPFC顯示出較大的剪切應變。至此，越來越多的科研學者青睞于d₁₅的優良特性，可見，d₁₅剪切振動模態還有著極大的研究價值和廣闊的應用前景。

發明內容

為了突破傳統1-3型壓電復合材料換能器應用d₃₃模態的限制，本發明提供一種基于剪切振動(d₁₅模態)和彎張振動的低頻大功率小尺寸換能器及其制作方法，創新性地選用具有更高壓電常數和機電耦合系數的d₁₅模態來充當振動元，同時克服d₁₅模態產生剪切振動的弱點，將其剪切振動通過特殊的結構設計轉化為彎張外殼上下表面的彎張振動，以此來達到應用剪切振動模態產生橫波的目的，并制作低頻高功率小尺寸換能器，以滿足水下遠距離通信、探測等需求。

本發明采用的技術方案如下：