村田陶瓷谐振器压电振动模式控制应用研究

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压电振动模式控制及其在无铅压电陶瓷中的应用研究

压电陶瓷广泛用于谐振装置应用,例如信号处理【】滤波器和谐振器,致动器和发声器应用,其中电信号被转换成机械位移,振动或声音,以及传感器应用,其中机械冲击或应力被转换成电信号.控制在压电体内部传播的弹性振动波的行为对于电信号和机械信号的这种转换是重要的.

压电陶瓷的极化结构和晶粒结构的某些设计使得能够获得以前不可能的独特特征.本文基于陶瓷双层技术的压电陶瓷极化结构设计,提出了一种能量俘获现象(弹性振动集中在电极区域的现象).

Poling结构设计对厚度延伸模式的能量俘获

厚度延伸振动的基本振动模式和奇数次谐波模式与厚度剪切振动的偶数次谐波模式耦合.厚度延伸振动的基波模式(TE1模式)与厚度剪切振动(TS2模式)的二阶谐波模式耦合.因为TE1模式和TS2模式的共振频率彼此接近,所以波数和【】晶振频率具有这样的关系(色散关系),其中由于材料的弹性特性的不同,它们彼此施加强烈的影响.如果各向同性介质中的泊松比小于1/3,则TE1模式的共振频率将小于TS2模式的共振频率.

具有热稳定特性的压电【】陶瓷晶振如钛酸铅显示出这种分散关系.图1中的虚线表示形成电极的区域的频率变化.另外,在图1中,纵轴右侧的波数是实数,左侧的波数是虚数.波数的虚数值意味着不传播振动波.看一下TE1模式的电极区域(虚线)和非电极区域(实线)的色散关系,没有电极区域是实数的频率,非电极区域变成虚数的频率数.

图1 TE1模式(a)和TE2模式(b)中振动波的色散关系

归一化频率由下式给出计算式,并且总谐振器厚度的一半表示为h.实线和虚线分别表示传播非电极区域的振动波和传播电极区域的振动波的色散关系.

换句话说,对于TE1模式振动波没有频率区域,其中电极区域仅传播,并且非电极区域不传播.如图2所示制造TE1模式谐【】振器,并测量阻抗谐振特性(图3(a)).这表明通过非电极区域传播并在元件端反射的多个波叠加在电极上.

图2单板TE1模式谐振器的示意图

横截面视图中的箭头表示压电陶瓷的极化方向.电极直径d为1mm,谐振器的总厚度为0.2mm.

另一方面,由于图4所示的双层结构而发生激励的厚度延伸振动的二次谐波模式(TE2模式)与奇数阶厚度剪切模式耦合,并且它不耦合偶数阶厚度剪切模式.因此,TE2模式的色散关系不与具有最接近共振频率的厚度剪切模式TS4模式耦合.结果,这表现出弹性波与TE2模式的固有色散关系,即,随着频率增加波数增加的色散关系.