收稿日期2000219；修订日期20010416基金项目国家自然科学基金资助项目超声固态电子器件的研宄。
节波校义1令波投式目前的心，型德州s11变压器输入几伏到几十伏的交这两种模型不仅对压电德州s11变压器的优化设计有很大的变电压就可得到几千伏以上的高压23.空载的作用，而且对于压电德州s11变压器各项性能的分析有很大情况下，压电德州s11变压器在谐振时的开路升压比为最大功率传输效率为=最大输出功率时的升压比为4，4备式中为空载时的升压比2，为材料的机械品质因数；3133为材料的机电尤合系数；1为压电德州s11变压器的全长，为压电德州s11变压器的厚度。由1式可以看出适当改变压电德州s11变压器的长厚比及选择高压电德州s11变压器的发展历经了40多年的历程。50年代时，由于材料性能限制，所制成的实际器件的升压比仅为5060倍，实用上未引起人们的重视；607，年代，13十烈材料的发，压电德州s11变压器的研宄1作进入较活跃的，朗屋英俊对味电德州s11变压器进行了深入的理论分析和特性改良，使其在升。压比和输出功率等特性上初步达到实用的水准，但应用范围仍很有限；80年代主要侧重于驱动方式和等效电路等方面的基础研宄工作；进入90年代随着薄型电源和高频，2，2开关电源对压电德州s11变压器压电德州s11变压器的基础研究工作和应用研究工作空前活跃。实用专利和实用产品的数目明显增加。
压电德州s11变压器的研发过程涉及许多方面的内容，包括基础理论材料振动模式工艺结构应用等方他的研允工作。厂面分别就这几个重要的方面迸厅详细的说明。
2基础研究2.1理论等效模型的研究与发展压电德州s11变压器的理论等效模型3源自于河3804，7，年代土屋英俊15利用其对压电德州s11变压器进行了深入的分析，奠定了理论基础，主要结论即为公式14.后人在对原有等效电路模型进行了继承和发展，如在输入输出端各串联个电阻，或用受控源代替理想德州s11变压器等。事实上这些模型及改进都是维的，但实际的压电德州s11变压器是维的，所以2.2基本特性的研究进入90代以祀1.美韩等1及15，等世界知名的大公司相继资助些研宄机构和个人对现有的和处于开发过程中的压电德州s11变压器的基本特性进行广泛深入的研宄，以下是对其特性研究的些主要结果心输入电容，0，输出电容。1等效电感，及等效电阻。
等效。小传输比。心负载，抗。
负载特性。当负载定时，压电德州s11变压器的输出电压与输入电压在定范围内成线性关系，当负载阻抗足够大时升压比可达到千倍以上，并且随着负载阻抗的增大，升压比还可进步提高。另外，压电德州s11变压器的谐振频率会随着负载的变化而波动。
屯变成器在个工作周期中机屯能量转换能量传输过程中的基本限制进行了研究和计算。其研究结果明，若分别将最大电场力最大面电荷密度最大应变及最大应力施加于压电德州s11变压器上。会发现。
真正对压电德州s11变压器的功率承载能力造成限制的原因是施加上的最大机械应力对尸丁5样品而言，在其个工作周期中10，52，其上的功率密度可达330界，1.
温度特性，31使用有限元分析的方法，模拟了由温度引起的压缩应力在压电德州s11变压器的分布状况。结果明，在压电德州s11变压器的输入和输出部分的中部存在压缩应力集中的现象，并且，随着输出功率的增加，压缩应力也会加大。这种应力在定的条件下输出功率14界对由极化处理过程中产生在压电德州s11变压器上的残余张应力的补偿作用可达23.所以，如果选择具有适当的各向异性温度扩张系数的压电陶瓷材料制作的德州s11变压器，则其在大功率信号驱动下工作时，沿振动方向的热应力付防止输入部分的毁坏，起到预防的作刖另外，温度还会对压电德州s11变压器的谐振频率产生影响1从而影响到升压比和效率。理论分析明，压电德州s11变压器的工作频率=以2，式中1；为压电德州s11变压器中的声速，为压电德州s11变压器的长度。当温度升，和均发生变化致的变化随着温度逐渐升高，压电德州s11变压器的谐振频率先坫升心达到定温度时视材料而定，反而随着温度的继续升高而下降。
谐振特性。压电德州s11变压器相当于个具有放大功能的窄带滤波器，只有当输入信号电压的频率接近压电腽压器的谓振频率时，此电压小波大幅放人。1输入佗4的频率偏离压电德州s11变压器的谐振顿率较大时12，放大倍数火大降低，这与本实验室的实验结果是致的。
几何尺寸的影响。压电德州s11变压器的几何尺寸又寸其性能会产生定的影响，对其深入的研究工作尚在进行中，但目前系列的对比测试及研究结果，并随其增大而有所上升。实验中还发现，对于小阻抗负载，长宽比小的压电德州s11变压器其性能要优于长宽比4大的压电德州s11变压器；对于大负载阻抗，情况正好相反。
3压电陶瓷德州s11变压器材料的研究与发展；作吐屯变玉器的陶瓷村料从钛酸钡到锆钛酸铅和以错钛酸铅为基础的元系元系压电陶瓷材料，其发展的种类日益增多，成分结构渐趋复杂，性能不断提尚。
3.1钛酸钡校仍00苏分别发现，它是种具有高介电常数的电介质材料。进步着眼于其异常大的介电常数开展研究的铁电体。但是对于由微小晶粒组成的烧结体陶瓷的压电效应当时还未知晓。与，51同实验室研究电压对88103陶瓷介电常数影响的出16于同年发现了在这种铁电体陶瓷上加直流高压后会显出压电效应。这发现与压电陶瓷的诞生同时成为压电效应实用化达到飞跃提高的主要原因。BuTiOjjWirWjiirl3jjjili1和加工价格低廉等。同时，它也是最先用于压电德州s11变压器的元系陶瓷材料。但是，这种材料带有致命产生的恶劣的温度系数彡个缺点以居里点偏低，老化过快。这两个缺点制约了该材料在压电德州s11变压器上的进步应用，同时也在定程度上制约了压电德州s11变压器的发展和应用。
3.2错钛酸铅系压电陶瓷研宄人员试通过改变以103的第相变来改善其温度特他们发现，在3原料中加入以或，1后，特别是加入，1后会产生巨大的效果，材料的第相变点20，居里点120.对钛酸铅和锆酸铅中第相变的研允导致171系陶瓷材，的发胤这种材料是办⑶和凡丁仙的固溶体是种元系的压电材料。较8化03而言，21具有良好的温度抗老化及压电效应等。
其性能可通过调节村料中的锆钛比或加入，2+12+阳2+等杂质得到提高。应用于压电德州s11变压器的村料配为类似于8的组分特点为左31是333133及0，1均较尚，低温度系数低，性能稳定。
3.3元系压电陶瓷材料该村料是在丁的基础1发展起来的，其特点为烧结忭好，烧结温度低。闪此在烧结过程中1士0挥发少，成品的气孔率低5质地均匀致密。该材料的性能还可在大范围内调整加之通过同价位元素取代和添加杂质等方法改性，能得到比，21更为优越的可用于压电德州s11变压器的元系压电陶瓷材料有以下儿种21乙13，特点是以高介电常数较大的，和较好的稳定性，用途广泛。
改变12的比例，添加微量的0，2得到用于压电德州s11变压器的电陶瓷材料，23，3片丁，32121特点是稳定性好。
致密度绝缘性能和压电性能优良。通过改变尤，低介电损耗，工艺性好的压电德州s11变压器陶瓷材料。
仙2303片1仍03123.特点是压电性，邑受机械应力和电负载的影响极小。应用于压电德州s11变压器时似狱特性几乎没有货化。，很，谐振频率的时间和温度稳定性好，特别适用于压电德州s11变压器。
3.4元系压电陶瓷材料为了得到更好的压电陶瓷材料，研宄人员在元系压电陶瓷材料的基础。发展出儿系玉电陶瓷材料。其特点为高剪高2，高矫顽场，和高机械强度，低损耗低劣化，稳定性好，工艺性好等优点。适用于压电德州s11变压器的元系压电陶瓷材4振动模式的研究选择何种振动模式将直接影响到压电德州s11变压器的性能，多年来研宄人员尝试了多种振动模式的效果，面就几种适用于压电德州s11变压器的振动模式作总结，4.1纵波振动模式此模式使用最为广泛，最早的8，1型的压电德州s11变压器即采用此模式。即输入端采用横向逆压电效应输端采用纵向压电效应当输端施加交变应力和应变分布。在压电德州s11变压器的右端，即输出部分，出现最大的应货，此应腽经由压屯效应转换为电压输出，4.2厚度扩张振动模式194除纵波振动模式之外度扩张振动模式是目前开展研究最广泛深入和最成熟实用的模式。
最值得引起注总的是12；等人开发的大功率叠层德州s11变压器单层输入多层输出，工作于290的效率，4.41的输出功率。他们还开发出另种降压德州s11变压器单层输入单层输出，并将其与2技术相结介制作出0000变换器。效率达72输出功率5从降卡比约81.公4的，1.等人也开发出类似的变味器，理沦效率90，功率密度20界3.
4.3剪切模式付尸火多数以1为基木衬，而，奶切桢式10，36如人12等人利用这点设计出圆形端的极化方为放射状这样就，以利平面和剪切费合模式而不是横向耦江苏溪河海德州s11变压器合模式。他们还采用了入1人有限元分析软件分析德州s11变压器的工作特性及优化电极的形状和极化方向的布置。制成的实际器件的性能要优于同等材料的长方型德州s11变压器。
3.俯视；1截面4.4能陷模式传统的平板式压电德州s11变压器其支撑点又在其振动为了将压电德州s11变压器应用于大功率电子线路，富士通公司的。1等人1研允了功率传输及如何支撑压电片。他们提出了1种使用13晶片工作在宽度剪切能陷振动模式的压电德州s11变压器，该器件不同于常的德州s11变压器，其上下面沉积有离散叉指电极，能量被限制在压电片中间叉指屯极部分。闪此压电片的1面能够小同支找，此外离散叉指电极在上下面的这种布置方式可以减小内部损失，提高功率极限，抑制干扰模式。新型号驱动。
除了上述振动模式。还们面振动梭式，但实出范围有限，在此不再赘述。
5结构与工艺心8，型压电德州s11变压器虽然仍是目前最常用的类吧，但妃这种咽的压电德州s11变压器个致命弱点，即工作在谐振状态下时，压电片上有两个振幅为零接在输出电极上，而这正是振动位移最大的位置，严屯影响了导线和电极连接的可靠性，另外。导线的重量和连接方式也阻碍了德州s11变压器的振动14，德州s11变压器的功率也不易做得很大。因此人试研允人投入到德州s11变压器的改进工作上来。他们所做的工作从工艺与结构的角度来讲，包含方面的工作压电片的外形电极的形状分布和叠层德州s11变压器。当然这者之间是相互关联的。从目前出现的压电德州s11变压器的形状来说有圆形2正方形15哑铃形等等。从电极的形状。分布来说又公的3次心1喂压电德州s11变压器很有特点，其两端为输入端，中间为输出端，整个德州s11变压器瓷片上有3个节点，引出引线都焊接在这3个节点的位置。以这种3次勖8，1型压电德州s11变压器制作的江0液晶显器背景光厂3出0士0.6，迎冷阴极像下同电源包括驱动电路在内整体尺寸为75，122，率为92，工作于131.另外还有叉指形电极3，新月形电极等。从叠层技术来讲，分为单层输入单层输出单层输入多层输出多层输入单层输出9及多层输入多层输出221等4大类。
值得提的是，叠层技术的实现同陶瓷流延成膜和陶瓷内电极凡烧技术即幻1德州s11变压器抑，1.技术是密不可分的。
6应用研究压电德州s11变压器经过前30年的研宄与发展，近10几十来开始得到大量应。
0驱动器压电殳压器似典型的应之就是驱动，原因是的工作特性非常适合于压电德州s11变压器的特性。压电德州s11变压器的特点是输出阻抗高，输出电流小，输出电压随阻抗变化大等。而，在启动时需要1左右的高压，平稳工作状态下需400500左右的电卡，阻抗较启动时下降数10，此夕，卞付电流白5要求不各般为5，61.，的这些特性恰好与压电德州s11变压器0007直流直流变换器直流变换器也必须做到小型化和轻型化。另外从低能耗的角度来讲，其能量转换的效率也必须提高。但是这些要求对传统的直流变换器来说是难以达到的，因为其必须符合严格的安全及噪声规范，如口美国安全检定公司，是个独立的非盈利的为公共安全做试验的专业机构国际电工委员会和，3只无线电干扰特别委员会等的标准。特别是其闪为电磁变佧器的，直流变换器磁德州s11变压器，上述问便可迎刃而解。由压电德州s11变压器制作的00变换器如阁5所小，基本的工作过程为开关和以非常短暂时间阼电磁电流通过向兄和的并联输出电容充电，因此23零电压切换技术得以实现。通过51和52的零电压切换，压电德州s11变压器的输入端会产生准方波波型，由于压电德州s11变压器良好后成为直流电压供给负载。本实验室在此中所用德州s11变压器，而且能量密度效率可以人人提高七述叫种应用是压电德州s11变压器最典型的应，除此之外，压电德州s11变压器还被应用于军事，即利用其输出电极引线尖端放电引爆高压雷管。民用方面的应用就更多了。例如霓虹灯驱动器高压防盗器高压电击棒小型光机雷达复印机氦氖和小型氧化碳激光器等等目前实用产品也比较多。如公司1村制作所先后向山场推出白勺即玉电德州s11变压器制成的0背光电源，京都技术研究所开发的效率高达90，包含驱动电路在内仅重1.788的第代手机背设驱动电源。丁3，公司的儿系列产品等。
7今后的发展卡电变卡器今后将向高功率高效率高可靠性种成分的压电陶瓷的高功率特性进行研宄②建立完整的吒电变设器设讣法③建立叠居压电德州s11变压器电特性估计的方法④研宄压电德州s11变压器的驱动方法由恒定电流驱动而稳定工作以及完全无电感的德州s11变压器，建立压电德州s11变压器特性的精确测定方法。
通过上述工作，压电德州s11变压器的应用范围必将得到进步扣展。
5土屋英俊使用强介电特性材料的压电德州s11变压器。电8白辰阳，桂治轮，李龙土多层压电德州s11变压器基本工作特上接第121页迸主动控制，本文采压电陶瓷作动器作为拉制力源，进行珩源控制的数仉计算，纟果叽抵消前阶声福射松态和心功率最小化这两种控制策略的控制效果基木相同，I5毛崎波，姜哲。对声辐射模态的讨论。振动工程学JR.
6毛崎波，姜哲。通过声辐射模态研宄结构噪声的有源控制。江苏理工大学学报。2000.21416.
I7毛崎波，姜哲。通过声辐射模态研宄结构声辐射的有；原控制。声学学报。2001.263277281.
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