[发明专利]一种基于剪切压电模式的弯张换能器

说明书

本发明提供的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，能够实现高效地把机械能转化为电能。该结构换能器中的压电单元处于剪切应力作用下，克服了在传统悬臂梁型换能器压电单元的拉伸受力中短寿命的问题，同时由于压电单元的剪切压电模式d₁₅或d₂₄或d₃₆压电系数远高于d₃₃和d₃₁压电系数，可以实现换能器更大的电学信号输出；本发明的剪切压电模式换能器还具有结构简单、小型化、易集成、制造成本低的优势。

技术领域

本发明属于压电器件领域，具体涉及一种基于剪切压电模式的弯张换能器。

背景技术

压电材料由于其独特的机电耦合特性具有换能器的属性，可以实现机械能与电能的相互转化，在加速度计、传感器、水下声呐、无损检测等领域有着重要作用。压电弯张换能器是利用钹式结构实现对压电材料输入应力的放大，可以有效地提高换能器的电学输出情况。

现在研究者所设计的弯张换能器主要是利用压电材料的d₃₃或d₃₁压电模式，当材料发生伸缩变形时产生电荷输出。而剪切压电模式是指由剪切应力引起的电荷输出的情况，具体包括d₃₆、d₂₄与d₁₅剪切压电模式。与传统的压电陶瓷d₃₃或d₃₁压电模式(压电系数约500pC/N～700pC/N)相比，压电陶瓷的d₁₅压电模式的压电系数约900pC/N、压电单晶的d₂₄、d₃₆与d₁₅压电模式的压电系数可达2500pC/N，因而在换能器领域具有显著优势。

但是目前针对剪切压电模式换能器的研究主要是基于悬臂梁式结构提出的，例如一种典型的剪切压电模式悬臂梁式换能器的结构如下：把d₁₅型压电材料的下表面直接附着于金属悬臂梁上、上表面处于自由状态，依靠梁的上下振动给压电材料下表面施加剪切应力，利用其d15压电模式实现电荷输出，但是在该结构中由于压电材料上表面处于悬空状态无法充分实现剪切应力的传递。此外，根据宾州州立大学Kenji Uchino教授的理论推导，弯张结构的机电耦合系数约30％，远高于悬臂梁结构(10％)。

基于以上剪切压电模式和弯张结构在换能器中的优势，我们提出了该基于剪切压电模式的弯张换能器来实现换能器的更优异的输出性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于剪切压电模式的弯张换能器，解决了现有压电换能器的问题：(1)在现有的基于d₃₃或d₃₁模式压电弯张换能器中，压电材料性能低于剪切模式压电材料；(2)在现有的悬臂梁式剪切压电模式换能器中，受限于压电材料的力学边界状态，剪切应力无法充分传递压电材料上。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，包括质量块、弹性元件、一对压电单元和基板，其中，所述压电单元固定在基板上；所述弹性元件固定在压电单元的上表面；所述质量块固定在弹性元件的中间位置；所述压电元件为d₁₅、d₃₆或d₂₄剪切压电模式的压电材料。

优选地，所述采用d₁₅剪切压电模式和d₂₄剪切压电模式的压电材料结构相同，其中，其极化方向沿x轴方向，其电极面沿z轴方向。

优选地，所述采用d₃₆剪切压电模式的压电材料的极化方向沿y轴方向，其电极面沿y轴方向。

优选地，所述压电元件由单片压电陶瓷或压电单晶制备而成。

优选地，所述压电元件由多个压电陶瓷或压电单晶堆叠构成；且多个压电陶瓷或单晶采用串联或并联方式连接。