压电晶体材料尺寸效应对宏观电机性能的影响

论文摘要

压电晶体材料在工业、民用、军事等领域的应用非常普遍,尤其以压电陶瓷Pb（ZrxTi1-x）O3（PZT）的应用最为广泛,原因在于其电机性能十分优异,材料的居里温度以及压电性能的温度稳定性也优于其他种类的压电陶瓷。弛豫铁电单晶（1-x）Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-xPbTiO3（简称为PMN-PT或PMNT）具有优良的电机性能,其电机耦合系数k33可达94%,并且大尺寸、高质量PMNT铁电单晶的生长已经获得成功,使得这种铁电单晶成为一种很有潜力的压电晶体材料。基于模式耦合理论和基本能量比率定义的电机耦合系数,计算任意纵横比0.70Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.30PbTiO3（PMN-30%PT）铁电单晶谐振器的有效电机耦合系数keff的统一公式已被推导出来。PMN-30%PT单晶展示出其有效电机耦合系数keff依赖于谐振器纵横比的特点与传统的Pb（ZrxTi1-x）O3（PZT）压电陶瓷十分相似。然而,与PZT-5陶瓷相比,在有效电机耦合系数keff急剧变化之处,PMN-30%PT单晶有一个更小的纵横比,并且在厚度和径向模式之间存在一个更强的耦合,引起更大的模式分裂。由压电振子的电路状态方程和共振时压电振子振动的特点,从理论上解释测量压电振子的电容为何需要远离其共振峰的位置。研究发现当压电振子在几个方向上的尺寸十分接近时,各振动模式之间的耦合将会更加强烈。这种模式耦合将会影响压电振子在不同振动模中的机械能分配。强烈的模式耦合也能影响压电振子的带宽。在没有模式耦合的时候,厚度振动模式中压电振子的带宽随着厚度的减小而增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 压电晶体材料概述
• 1.1.2 压电陶瓷与压电单晶简介
• 1.1.3 压电晶体材料的极化
• 1.2 研究现状及分析
• 1.3 研究的主要内容和意义
• 第2章 基本概念及研究理论简介
• 2.1 压电晶体的尺寸效应
• 2.2 压电材料的电机耦合系数
• 2.3 压电振子的振动模式
• 2.4 压电晶体的弹性与介电性概述
• 2.4.1 维纳（Verner）方程
• 2.4.2 压电晶体材料的广义虎克定律
• 2.4.3 压电晶体的内能
• 2.4.4 各向异性压电晶体中P、D与E的关系
• 2.4.5 克利斯托夫（Christoffel）方程
• 2.5 压电效应与压电方程
• 2.5.1 压电效应
• 2.5.2 压电方程
• 2.6 本章小节
• 第3章 任意纵横比晶体振子的电机性能研究
• 3.1 薄圆片振子的厚度振动模式
• 3.2 薄圆片振子的径向振动模式
• 3.3 长圆柱振子的厚度振动模式
• 3.4 长圆柱振子的径向振动模式
• 3.5 任意纵横比柱形晶体振子的电机耦合系数
• 3.6 本章小结
• 第4章 压电晶体尺寸效应的实验研究
• 4.1 晶体振子的制作过程
• 4.2 厚度振动模式电机耦合系数的共振测量计算公式
• 4.3 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢