一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法及装置

本发明涉及铁电功能材料与机电转换，尤其涉及一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法及装置。

背景技术：

1、挠曲电效应是应变梯度诱导电介质材料产生电极化的物理现象，其力电耦合特性不受材料晶体结构对称性的限制，普遍存在于陶瓷、单晶、聚合物乃至生物组织等所有电介质材料中。在铁电材料中，由于具备较高的介电常数和自发极化特性，挠曲电响应通常比普通介电材料强数个数量级；随着材料尺寸减小至微纳尺度，悬臂梁结构中的应变梯度急剧增大，挠曲电效应显著增强。基于上述优势，挠曲电效应已在微纳传感、精密驱动、振动能量收集等领域展现出广阔的应用前景。传统理论将挠曲电效应描述为线性力电耦合过程，即极化强度与应变梯度呈线性关系，挠曲电张量为偶宇称四阶张量，具有空间反演不变性，挠曲电响应与铁电极化方向无关。

2、然而，现有挠曲电器件基于上述线性理论框架，通过悬臂梁弯曲方式引入应变梯度以输出与激励同频的基波信号，存在以下缺陷：其线性模型忽略了铁电材料中非线性极化与压电-挠曲电耦合项的贡献，导致挠曲电系数测量值与理论预测值之间存在显著偏差；囿于线性响应框架，现有器件仅能输出单一频率信号，无法实现多频机电信号的同时输出，限制了其在双频传感、倍频发电等场景中的应用；此外，现有技术未实现二次谐波的可控激发与有效分离，挠曲电响应中的倍频分量长期未被开发利用。因此，亟需开发一种方案解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法及装置，改善了现有挠曲电响应局限于线性基波输出且无法产生和调控二次谐波电压的问题。

2、本发明提供的一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法及装置采用如下的技术方案：

3、第一方面，一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法，具体包括：

4、对铁电材料进行极化处理，使自发极化方向垂直于铁电材料表面；

5、将极化后的样品加工为悬臂梁结构；对所述悬臂梁结构的自由端施加交变弯曲载荷，使悬臂梁结构厚度方向产生交变应变梯度；

6、在所述交变应变梯度作用下，悬臂梁结构输出电信号，所述电信号包含基波分量和二次谐波分量；

7、采用选频电路从所述电信号中分离出基波信号和二次谐波信号。

8、本发明提供的一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法，通过对铁电材料进行单畴极化处理并施加交变弯曲载荷以引入交变应变梯度，利用铁电材料的非线性挠曲电-压电耦合效应同步产生基波电压和二次谐波电压，并结合选频电路实现双频信号独立输出，改善了现有挠曲电响应局限于线性基波输出且无法产生和调控二次谐波电压的问题。

9、可选地，所述铁电材料样品为钙钛矿结构铁电陶瓷或铁电单晶。

10、可选地，对铁电材料进行极化处理时，包括：沿铁电材料厚度方向施加直流电场。

11、可选地，所述交变应变梯度表示为：

12、，

13、其中，表示交变应变梯度，表示应变梯度幅值，表示激励频率，表示时间。

14、可选地，所述电信号的有效极化强度与所述交变应变梯度之间满足：

15、，

16、其中，表示有效极化强度，表示线性挠电系数，表示交变应变梯度，表示二次谐波系数。

17、可选地，所述二次谐波系数与铁电材料厚度满足：

18、，

19、其中，表示二次谐波系数，表示铁电材料的介电常数，表示挠曲耦合系数，表示自发极化强度，表示铁电材料的厚度，表示电致伸缩耦合系数。

20、可选地，通过改变极化方向调控所述非线性挠电系数的幅值与符号。

21、可选地，采用分段电极采集悬臂梁结构表面的电信号。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、1.本发明基于有效极化强度与应变梯度之间的非线性响应关系，揭示了挠曲电响应的非对称非线性特征及其产生二次谐波的物理机制，为挠曲电器件从单一频率向多频率输出提供了新的理论依据。

24、2.本发明通过对铁电材料进行单畴极化处理并施加交变弯曲载荷，在同一悬臂梁结构中同步产生基波电压和二次谐波电压，配合选频电路实现双频信号独立输出，克服了现有挠曲电器件仅能输出单一频率信号的缺陷，拓宽了其在双频传感、倍频发电、机械整流等场景中的应用。

25、3.本发明通过调控铁电材料的厚度、应变梯度幅值和极化方向，实现了对二次谐波电压幅值与相位的精准调控，解决了现有技术中缺乏对二次谐波有效调控手段的问题，为铁电挠曲电器件的可设计性提供了技术支撑。

26、4.本发明适用于多种钙钛矿结构铁电陶瓷和铁电单晶，材料通用性强，且悬臂梁结构易于与mems工艺兼容，有利于器件的小型化与集成化。

27、5.本发明提供的方法及装置可同时输出两种频率的电信号，适用于双频传感、倍频能量收集、机械整流及非线性驱动领域。

28、第二方面，一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的装置，具体包括：

29、极化处理单元，用于对铁电材料进行极化处理，使自发极化方向垂直于铁电材料表面；

30、交变加载单元，用于将极化后的样品加工为悬臂梁结构；对所述悬臂梁结构的自由端施加交变弯曲载荷，使悬臂梁结构厚度方向产生交变应变梯度；

31、机电转换单元，用于在所述交变应变梯度作用下，悬臂梁结构输出电信号，所述电信号包含基波分量和二次谐波分量；

32、选频输出单元，用于采用选频电路从所述电信号中分离出基波信号和二次谐波信号。

33、第二方面的有益效果可以参照第一方面的描述。

1.一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电材料样品为钙钛矿结构铁电陶瓷或铁电单晶。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对铁电材料进行极化处理时，包括：沿铁电材料厚度方向施加直流电场。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交变应变梯度表示为：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电信号的有效极化强度与所述交变应变梯度之间满足：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述二次谐波系数与铁电材料厚度满足：

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过改变极化方向调控所述非线性挠电系数的幅值与符号。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用分段电极采集悬臂梁结构表面的电信号。

9.一种基于铁电材料应变梯度产生二次谐波电信号的装置，应用于根据权利要求1至8任一项所述方法制备，包括：