CN103177717B - Rayleigh波与love波双模式声波产生器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，包括在同一压电基片材料上制作Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器，还包括覆盖在激发叉指换能器、接收叉指换能器和压电基片上的压电波导层，还包括制作在所述压电波导层上的Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波接收叉指换能器。该器件结构简单，便于制作，能够在同一个器件上产生Rayleigh波与love波两种模式的声波。

Description

Rayleigh波与love波双模式声波产生器件

技术领域

本发明涉及一种双模式声波产生器件，特别涉及一种Rayleigh波与love波双模式声波产生器件。

背景技术

Rayleigh波是1887年英国科学家Lord Rayleigh首次发现并命名的一种声波。它是一种沿着半无限弹性介质自由表面传播的波，而且能量主要集中在压电晶体表面附近一个波长之内，质点的运动轨迹为椭圆的声波，因此，常作为微流控制器件，气体、压力传感器、微型马达使用。目前，Rayleigh波的激发和接收主要靠制作在压电材料上的叉指换能器来实现的。

love波是在压电基片表面的声波导薄层中传播的剪切横波，因A.E.H.Love建立了这种波的数学模型而命名。由于love波的质点振动方向平行于基本表面，所以当与基片表面的负载接触时，他们之间的耦合非常小。又由于声波波导层将love波能量束缚在表面，所以对表面干扰非常灵敏。因此，常常作为液相等传感器来使用。目前，love波主要是通过在压电材料上的叉指换能器，并在其上覆盖一层波导层来实现love波的激发、传播和接收的。

从Rayleigh波与love波的激发条件可以看出，由于它们两种声波的产生机理不同，所以不能使用相同器件结构来同时实现两种模式声波的产生和激发。而实际研究及应用中又存在同时使用两种声波的场合，现有的声波产生器件不能够很好地满足要求，因此，有必要设计和研究一种新的既可以产生Rayleigh波，又可以产生love波的双模式声波器件结构。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，该器件结构简单，便于制作，能够在同一个器件上产生Rayleigh波与love波两种模式的声波。

为了满足上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，包括在同一压电基片材料上制作Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器，还包括覆盖在激发叉指换能器、接收叉指换能器和压电基片上的压电波导层，还包括制作在所述压电波导层上的Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波接收叉指换能器。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器具有相同尺寸的声孔径，Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波接收叉指换能器具有相同尺寸的声孔径。

所述Love波激发叉指换能器、Love波接收叉指换能器、Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波输出叉指换能器采用等叉指换能器或者变迹换能器。

制作在压电基片材料上的Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器的中心线与制作在压电波导层上的Rayleigh波激发叉指换能器与Rayleigh波接收叉指换能器的中心线在空间上相互垂直，并且该两条中心线关于垂直交点空间对称。

所述Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器之间的间距与Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波接收叉指换能器之间的间距相等，均为1纳米到5厘米。

所述压电基片材料为压电晶体。

所述压电波导层为压电薄膜。

所述压电波导层的厚度h的计算公式为：

$h=\frac{V_S{V}_L}{4f\sqrt{V_S^2-V_L^2}}---\left(1\right)$

式中，厚度h指压电波导层在水平高度上高出压电基片材料的距离，单位：米；V_S是在压电基片材料上传播的声表面波速度，单位：米/秒；V_L是在压电波导层中传播的LOVE波速度，单位：米/秒；f为所设计器件的中心频率，单位：赫兹。

本发明的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，利用love波波导层可以是压电材料这一特点，在love波的压电波导层上制作上Rayleigh波激发叉指换能器与Rayleigh波接收叉指换能器，这样在同一器件的不同空间区域分别制作了两种不同声波器件结构，进而实现了在同一个器件上产生Rayleigh波与love波双模式声波。因此，本发明的Rayleigh波与love波双模式声波器件可用于：1、微量固体或液体物质测量功能；2、固体与液体物质混合与测量，特别适用于生物、分析芯片等领域；3、用于气体传感器时，具有比单一Rayleigh波器件或单一love波器件适用于更多的敏感膜和气体种类，同时，还能够在湿度较大及液体存在的情况进行测量。

附图说明

图1是本发明的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件的剖面结构图。

图2是本发明中压电基片材料上love波器件的结构示意图。

图3是本发明中压电波导层上Rayleigh波器件的结构示意图。

图4是本发明的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件的一个具体实施例的结构示意图。

图5是实施例中的Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器的结构示意图。

图6是实施例中的Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波接收叉指换能器的结构示意图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，包括在同一压电基片材料1上制作的激发叉指换能器2和接收叉指换能器3，还包括覆盖在Love波激发叉指换能器2、Love波接收叉指换能器3和压电基片1上的压电波导层4，还包括制作在压电波导层4上的Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6；Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3制作在压电基片材料1上，用于Rayleigh波的激发叉指换能器5和接收叉指换能器6制作在压电波导层4上。

Love波激发叉指换能器2、接收叉指换能器3分别用于激发和接收Love波。Rayleigh波激发叉指换能器5、Rayleigh波接收叉指换能器6分别用于激发和接收Rayleigh波。

Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3具有相同尺寸的声孔径；Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6具有相同尺寸的声孔径。

Love波的激发叉指换能器2、Love波接收叉指换能器3、Rayleigh波输入叉指换能器5和Rayleigh波输出叉指换能器6选用等叉指换能器或者变迹换能器。

制作在压电基片材料1上的Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3的中心线与制作在压电波导层4上的Rayleigh波激发叉指换能器5与Rayleigh波接收叉指换能器6的中心线在空间上相互垂直，并且这两条中心线关于垂直交点空间对称。

Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3之间的间距与Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6之间的间距相等，均为1纳米到5厘米。

所述的压电基片材料1为压电晶体。

所述的压电波导层4为压电薄膜，其厚度h的计算公式为：

$h=\frac{V_S{V}_L}{4f\sqrt{V_S^2-V_L^2}}---\left(1\right)$

式中，厚度h指压电波导层4在水平高度上高出压电基片材料1的距离，单位：米；V_S是在压电基片材料1上传播的声表面波速度，单位：米/秒；V_L是在压电波导层4中传播的LOVE波速度，单位：米/秒；f为所设计器件的中心频率，单位：赫兹。

Love波激发叉指换能器2、Love波接收叉指换能器3、Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6的厚度均为工作波长的1%。

实施例

参见图4，是本发明的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件的一个实施例，它是在同一片128°Y-X LiNbO₃晶体上制作Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3；再在激发叉指换能器2、接收叉指换能器3和压电基片材料1上覆盖一层平均厚度为500nm的ZnO薄膜作为压电波导层4；最后在ZnO薄膜上制作Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6。

图5是本实施例中Love波激发叉指换能器和Love波接收叉指换能器的结构示意图。其中，Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3均采用等叉指换能器，且Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3具有相同尺寸的声孔径。

图6是本实施例中Rayleigh波激发叉指换能器和Rayleigh波接收叉指换能器的结构示意图。其中，Rayleigh波激发叉指换能器5采用变迹换能器，Rayleigh波接收叉指换能器6采用等叉指换能器，且Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6具有相同尺寸的声孔径。

制作在压电基片材料1上的Love波的激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3的中心线与制作在压电波导层ZnO薄膜4上的Rayleigh波激发叉指换能器5与Rayleigh波接收叉指换能器6的中心线在空间上相互垂直，并且该两条中心线关于垂直交点空间对称。

Love波激发叉指换能器2和Love波接收叉指换能器3之间的间距与Rayleigh波激发叉指换能器5和Rayleigh波接收叉指换能器6之间的间距相等，均为5毫米。

Claims (6)

1.一种Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，其特征在于，包括在同一压电基片材料(1)上制作Love波激发叉指换能器(2)和Love波接收叉指换能器(3)，还包括覆盖在激发叉指换能器(2)、接收叉指换能器(3)和压电基片(1)上的压电波导层(4)，还包括制作在所述压电波导层(4)上的Rayleigh波激发叉指换能器(5)和Rayleigh波接收叉指换能器(6)；

制作在压电基片材料(1)上的Love波激发叉指换能器(2)和Love波接收叉指换能器(3)的中心线与制作在压电波导层(4)上的Rayleigh波激发叉指换能器(5)与Rayleigh波接收叉指换能器(6)的中心线在空间上相互垂直，并且该两条中心线关于垂直交点空间对称；

所述压电波导层(4)为压电薄膜。

2.根据权利要求1所述的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，其特征在于，所述Love波激发叉指换能器(2)和Love波接收叉指换能器(3)具有相同尺寸的声孔径，Rayleigh波激发叉指换能器(5)和Rayleigh波接收叉指换能器(6)具有相同尺寸的声孔径。

3.根据权利要求1所述的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，其特征在于，所述Love波激发叉指换能器(2)、Love波接收叉指换能器(3)、Rayleigh波激发叉指换能器(5)和Rayleigh波输出叉指换能器(6)采用等叉指换能器或者变迹换能器。

4.根据权利要求1所述的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，其特征在于，所述Love波激发叉指换能器(2)和Love波接收叉指换能器(3)之间的间距与Rayleigh波激发叉指换能器(5)和Rayleigh波接收叉指换能器(6)之间的间距相等，均为1纳米到5厘米。

5.根据权利要求1所述的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，其特征在于，所述压电基片材料(1)为压电晶体。

6.根据权利要求1所述的Rayleigh波与love波双模式声波产生器件，其特征在于，所述压电波导层(4)的厚度h的计算公式为：

$h=\frac{V_S{V}_L}{4f\sqrt{V_S^2-V_L^2}}---\left(1\right)$

式中，厚度h指压电波导层(4)在水平高度上高出压电基片材料(1)的距离，单位：米；V_S是在压电基片材料(1)上传播的声表面波速度，单位：米/秒；V_L是在压电波导层(4)中传播的LOVE波速度，单位：米/秒；f为所设计器件的中心频率，单位：赫兹。