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

本发明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。

背景技术：

1、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。

2、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

1、本发明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。

2、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；

3、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。

4、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；

5、其中，单一压电层的应力和电位移满足如下的方程：

6、；

7、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。

8、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：

9、；

10、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。

11、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：

12、；

13、所述压电-挠曲电结构满足如下的运动方程：

14、；

15、其中σij是二阶应力张量σ的分量，τijk是高阶应力τ的分量，di是电位移向量d的分量，ui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xi的求导，。

16、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：

17、；

18、式中c、e’、ε’、f、k1、ω、h、l和ρ’为无量纲参数，c11为弹性张量c的第一个分量，ε11为介电矩阵ε的第一个分量，k1为波数，ω为频率，h为厚度；

19、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；

20、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。

21、综上所述，本发明至少具有以下有益效果：本发明可以在相同尺寸下，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。

技术特征：

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；

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；

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：

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，其特征在于，所述压电-挠曲电耦合的应力、高阶应力、电位移方程为：

5.根据权利要求4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，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：

技术总结
本发明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。

技术研发人员：朱峰,李念,屈毅林
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13