尺度效应下微压电超声换能器静动态非线性特性研究

摘要

基于应变梯度弹性理论和瑞利-里兹方法对微压电超声换能器的静、动态非线性特性进行了研究。微机械压电超声换能器单元包括压电层、被动(弹性)层和两层电极层。由于压电层的厚度在微米量级,所以换能器的静、动态特性存在变形尺度效应。另外,为了使换能器有较大的输出,换能器常常工作在强电场下。在强电场下,由于压电层存在电致伸缩效应,所以换能器的静、动态特性表现出非线性。分析结果表明:上电极层和换能器单元直径比值的最优值约为0.674,换能器的非线性随着外加电场强度的增大而增大。另外,由于存在尺度效应,换能器被动层和压电层厚度比的最优值不是通常人们所采用的1.0。在微尺度下,该厚度比的最优值应比1.0大。