静电场对压电薄膜中声表面波传播的影响

刘智荣，谢立强，朱 敏，包文歧

(陆军工程大学 国防工程学院, 江苏 南京 210007)

0 引言

声表面波(SAW)技术发展至今，在传感器和信号处理器上已得到了广泛的应用[1-3]。当外电场作用到SAW传播的压电介质上时，由于逆压电效应，会导致压电介质内部产生应力和形变，进而影响SAW的传播特性，因此，SAW可实现静电场的感测。用SAW实现静电场的感测，可有效解决现有电场传感器干扰抑制能力差，不能无失真感测的难题[4-5]。

要实现SAW对静电场的感测，首先必须探寻静电场与SAW传播之间的规律。Boris D. Zaitsev等[6]最早从压电材料弹性常数变化的角度，研究了外加电场对铌酸锂中瑞利波相速度的影响。Zhang R等[7]研究了具有初始应力的磁电弹性半空间中瑞利波的传播行为，得到了不同电、磁边界条件下波速的解析解。D. Koulova等[8]通过实验的方式研究了电场作用下绝缘液-空气界面上波的传播行为，分析了波长和角频率随电场变化的规律。

关于静电场对压电薄膜上SAW传播的影响机理，目前国内外的研究较少。为此，本文在静电场导致压电薄膜产生初应力和形变的基础上，利用小幅波动理论建立和求解了波动方程，并通过仿真分析讨论了两种压电薄膜材料SAW在静电场影响下的相速度变化和频散曲线。

1 波动方程的建立

1.1 初始条件

图1为一静置于静电场(E)中的无限大横观各向同性压电薄膜，其厚为h，极化方向沿着z轴，坐标平面xOy与压电薄膜的中面重合。E方向沿着压电薄膜的极化方向。

图1 静电场中的压电薄膜