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弯曲振动模式压电晶片
资料介绍
弯曲振动模式晶片是压电声学与微机电系统（MEMS）领域中一类依靠结构弯曲形变实现机电能量转换的功能晶片，多以压电陶瓷、压电单晶或压电薄膜为核心材料，在超声换能器、传感器、谐振器、能量采集器等器件中得到广泛应用。与纵向厚度振动、横向伸缩振动等压电振动模式不同，弯曲振动的核心特征是晶片整体产生弯曲方向的周期性形变，谐振频率由晶片的尺寸、弹性模量、密度以及支撑方式共同决定，可在更小的几何尺寸下获得更低的工作频率，这一特性使其在低频超声、便携式传感领域具备独特的应用优势。
一、弯曲振动的基本原理
当压电晶片受到交变电场激励时，不同区域的压电效应会产生方向相反的伸缩形变，若形变方向与晶片平面平行，且晶片的厚度远小于平面尺寸，反向形变的相互叠加会驱动晶片整体发生周期性弯曲，进而带动周围介质（如空气、液体）产生声波，反之，当外部压力或声波驱动晶片发生弯曲形变时，压电效应也会将形变转化为电信号输出，完成声电或力电转换。
1.1 晶片弯曲振动的力学模型
对于厚度均匀的矩形薄晶片，其弯曲振动可采用欧拉-伯努利梁理论描述，该理论假设晶片的厚度远小于长度，忽略剪切形变与转动惯量的影响，得到弯曲振动的谐振频率公式为：
其中为第n阶谐振频率，为不同边界条件下的特征值，L为晶片振动方向的长度，E为晶片的弹性模量，I为截面惯性矩，为材料密度，S为晶片横截面积。对于圆形薄晶片，通常采用薄板振动理论分析，其基波谐振频率公式可表示为：
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