压电换能器(Piezoelectric transducer)

2021-08-23 09:56:26 浏览:1303

定义

压电换能器是利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。因其电声效率高、功率容量大以及结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计,在功率超声领域应用广泛。

物理原理

压电效应:某些单晶材料的结构具有非对称特性,当这些材料受到外加应力作用而产生应变时,其内部晶格结构的变化(形变)会破坏原来宏观表现为电中性的状态,产生极化电场(电极化),所产生的电场(电极化强度)与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应,它是由居里兄弟于1880年发现的。随后,在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应,即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时,会有应力和应变产生,其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性,它与晶体结构的非对称性有关,而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多,最常用的如天然石英晶体,以及人工单晶材料如硫酸锂、铌酸锂等等。  

电致伸缩效应:某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团,即所谓“电畴”,它具有一定的极化,并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时,电畴会发生转动,使其极化方向与外加电场方向趋于一致,从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化,表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。电致伸缩效应也有逆效应,即具有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时,其总的极化强度将会发生变化,即表现为电极化(产生电场)。因此,电致伸缩效应可以说与电极化现象有关(自极化)。

发展方向

压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。

1、大功率换能器
在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域,铌镁酸铅(PMN)陶瓷是有发展前途的材料。PMN的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变,迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的,相应的物理常数取决于温度和频率,且需直流偏压,这就需要研究如何处理这些问题。在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器, 在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。

2、换能器的微型化
装置的微型化离不开动力元件的微型化,在动力微元件中,压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的研究起始于美国,1992 年麻省理工学院的Antia.M.Flynn等人研制出转子直径为115 mm 的薄膜式微型压电超声马达。随后,日本Takeshi Morita等成功地研制了PZT 压电薄膜圆柱微型超声马达,马达定子换能器的外径114mm , 内径112mm , 长度5mm。在该研究中,开发了“改良的成核工艺”,成功地改善了沉积 PZT 薄膜的性能。定子换能器的共振频率为227 kHz,在 410 V 的驱动电压下振幅58 nm。转子靠摩擦力驱动并可反转。最大转速为680r/min, 最大转矩0167 μNm 。2001 年我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达,直径只有1 mm, 目前他们正积极开展直径15 mm 超微马达的研制。但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻, 目前仍处于实验研究阶段,离工业化还有一段距离。

3、换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作,这就需升压的变压器。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。它们的尺寸非常接近,可产生密切匹配的共振频率。因此它们不用感应线圈而能耦合到一起。用压电陶瓷制作的超声马达, 需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。而电磁变压器体积大,并产生电磁噪声 ,而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。除上面所列的方向外,近年来微细加工的容性超声换能器(CMUT)已成为研究的热点。

参考文献

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