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石英晶体弯曲效应的研究及应用

王英光  
【摘要】:随着科学技术的发展,压电材料得到了广泛的应用,压电材料的各种效应也有了深入的研究。鉴于压电晶体弯曲效应的研究还只停留在实验研究水平上的现状,本文从理论上解释压电弯曲效应的存在,并基于此理论设计了一种微动机构。 本文在国家自然科学基金(69774020)和博士学科点基金(98014106),(20010141006)的资助下,从工程实际出发,运用晶体物理学、电介质物理学、弹性理论、压电学等交叉学科的理论成果,对石英晶体弯曲效应进行了研究。应用各向异性柱体纯弯曲理论,探讨了石英晶体在弯矩作用下内部的应力场分布,给出了应力场的解析解法。联系石英晶体的压电效应,计算出内部的电极化场,并利用电场等效原理求解出等效电极化体电荷与面电荷分布。从理论与实验两个方面确定了石英晶体正压电弯曲效应的存在。并以YO~0切型压电石英晶体为例从理论上分析了石英晶体逆压电弯曲效应,且给出了单体压电片状执行器端部致动位移与驱动电压的理论关系。建立了压电晶体弯曲效应中电学量和机械量的关系,从而给出了一种压电晶体弯曲效应的研究方法。 在建立石英晶体弯曲效应模型的基础上,对晶体切型进行单转角的优化设计,并综合考虑单频性、压电活力、零温度系数等条件,设计出一种可在X,Y方向做双向振动的微型振动机构,旨在为研制微型雕刻装置——压电雕刻笔式执行器打下基础。并对该机构进行定性的实验分析,证明了用单块石英晶体研制微型执行器实现微雕功能的想法是可行的。 本文的研究结果将进一步补充和完善压电理论,为应用单压电体弯曲效应研制执行器件打下基础。


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