基于有限元方法的压电微悬臂梁的模态分析和压电分析

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微悬臂梁是一种典型的可活动微结构器件,其长度和宽度一般在微米范围,而厚度在亚微米范围,根据不同应用,可以使用如单晶硅、多晶硅、二氧化硅、铝等多种材料加工而成,因为具有制备工艺流程简单,应用领域延展性强的特点,在微机电系统中占有重要的地位,近年来,利用压电材料的压电效应,微悬臂梁作为PZT压电薄膜微传感器的弹性敏感元件直接实现运动与电信号的转换日益成为研究的热点。本文利用可以分析多物理场的大型有限元仿真软件ansys12.0对以PZT-5H作为压电层的PZT压电微悬臂梁进行模态分析和压电分析。首先,在忽略电极层的前提下,对压电微悬臂梁进行模态分析,得到悬臂梁的前十阶振型图及固有频率;其次,利用已建立的有限元模态分析模型,分析电极层对不同尺寸的压电微悬臂梁动态性能的影响,最终证实对于本文所研究的压电微悬臂梁,可以完全忽略电极层的存在而不会导致结果的失真;最后,鉴于压电微悬臂梁在实际应用中以传感性能为主,本文利用有限元软件ansys12.0对压电微悬臂梁进行压电分析,考察选择不同压电层材料对压电微悬臂梁传感灵敏度的影响,结果表明,高压电系数、高耦合常数的PZT-5H作压电微悬臂梁压电层材料比压电陶瓷的传感灵敏度更高,为更加精准的制作压电微悬臂梁提供依据。
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