【摘要】：利用壓電材料具有多種振動模式的特性,將基于厚度振動模式工作的壓電元件轉(zhuǎn)換為基于橫向振動模式工作,在此過程中,壓電元件振動方向不變,電極面積增加,間距減小從而其固定電容增加,電阻抗降低。將多層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式的壓電元件用于制作針式超聲換能器,利用針式換能器的小體積、輕質(zhì)量的特點,結(jié)合多層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式方法構(gòu)造的壓電元件低頻率、低阻抗、高強度的優(yōu)點,設(shè)計與制作可用于小動物多點神經(jīng)刺激的超聲換能器。本文主要研究了一種基于多層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式的低頻壓電式超聲換能器的理論設(shè)計、制作與測試。(1)提出一種多層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式的壓電元件構(gòu)造方法,采用改進(jìn)的多層結(jié)構(gòu)制備方法。通過磁控濺射法制備壓電元件電極,使得多層結(jié)構(gòu)電極引出更加便捷,不需要多余的中間夾層結(jié)構(gòu)即可有效引出內(nèi)表面電極。(2)研究了一種基于雙層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式壓電元件的阻抗特性。在其他條件不變時,增加壓電元件長度(l)與厚度(t)、降低壓電元件寬度(w)均可以降低其諧振頻率處的電阻抗。從實驗和仿真兩個角度驗證了雙層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式構(gòu)造方法可以有效降低壓電元件諧振頻率處的電阻抗。(3)設(shè)計一款直徑為1.6 mm,質(zhì)量約為0.2g,工作頻率為820kHz,目標(biāo)區(qū)域聲壓達(dá)到0.3MPa的針式超聲換能器。其壓電元件材料為PZT-5H,尺寸(長、寬、高)分別為0.6mm、0.6mm、1.65mm,采用8層結(jié)構(gòu)、橫向振動模式構(gòu)造,相對于單層結(jié)構(gòu)、厚度振動模式壓電元件電阻抗大幅降低,電學(xué)性能優(yōu)異。針式超聲換能器在頻率為820kHz,輸入電壓幅值為150V,輸入正弦信號周期數(shù)為20時,軸向距離3mm處的聲壓最大幅值為240kPa是對照組聲壓最大幅值51kPa的4.7倍,聲學(xué)性能優(yōu)異。采用離體小鼠顱骨測量其經(jīng)顱性能,超聲聲束經(jīng)過小鼠顱骨時幾乎沒有衰減和位移,換能器穿顱性能良好,可以用作小動物超聲神經(jīng)刺激,并且其體積小、質(zhì)量輕、聲壓強的優(yōu)點可以應(yīng)用于小鼠多點神經(jīng)刺激。
【圖文】：

正、逆壓電效應(yīng)[17]

超聲換能器基本結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB552

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本文編號：2704427