CN106230401A - 一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，包括压电基底、压电基底上的金属声子晶体和一对叉指换能器。叉指换能器分别位于金属声子晶体的两侧，其中一侧的叉指换能器利用逆压电效应激发瑞利声表面波，并传输给声子晶体，另一侧的叉指换能器利用正压电效应接收传输过来的声表面波。本发明通过对声表面波声子晶体晶格畸变的设计，可以得到最优化的群速度色散，此时既具有较大的信号延时又具有较宽的工作频率，即延时‑带宽积这一重要指标明显提高，属于声表面波电声器件体系中的一种具有优异性能的信号延时器。
Description
技术领域
本发明属于声表面波电声器件体系中的信号延时器，特别涉及一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器。
背景技术
光或声的高速传播，对于两点之间数据的传输是非常有利的，这可以缩短数据传输所耗费的时间，提高传输效率。然而光或声的高速传播在一些情况不是人们所期望的，相反传输极慢的光或声具有一些独特的优势：(1)作为一种能量流，在其发射功率不变时，降低其传播速度意味着能够提高单位传输空间中的能量密度。由于非线性效应强烈依赖能量密度，慢光/声效果越明显，非线性效应也就也显著。如：一种重要的非线性器件，再生器(regenerator)用于移除噪声并存储接近于原始信号的数据，通过慢声/光增强其非线性传输功能可以大大降低运行功率节约成本。同时，慢光/声也能增强光/声波与物质的相互作用；(2)在通讯行业中广泛被使用的电磁波及声表面波作为信号的一种传播媒介，降低光/声的传播速度就意味着提高了单位空间中的信息容量，使得信号缓冲(buffering)或是时域分析的有效性极大增强，能够被利用在诸多器件领域，如：卷积器、延时器等。
对于实现极慢传输的声来说，绝大部分采取的手段为利用声子晶体，在声子晶体中声的传输是以各种Bloch模式所处能带位置的群速度，即：ω为频率，为波矢；群速度可视为该模式所处位置的能带斜率。所以，实现超慢的声传输在声子晶体体系中实际上即可以视为能带工程的一种应用：只要能够实现一个足够平坦的能带(具有较小的色散值)，群速度/声传播速度即可以变得很小。2010年台湾大学和云林科技大学的研究人员设计了圆形打孔声子晶体板结合周期圆形薄膜这种结构，引入的薄膜在孔洞声子晶体板原有能带基础上中增加了额外的共振模式(参见C.Y.Sun,J.C.Hsu,T.T.Wu,Resonant slowmodes in phononic crystal plates with periodic membranes.APPLIED PHYSICSLETTERS 97，031902(2010))，这种局域共振模式(local resonant mode，LR mode)需要在声子晶体的原胞中存在某种可以产生自鸣共振的谐振体，整个晶体中的所有谐振体进行集体共振而导致本征模式的产生，其色散一般很少受晶格的周期性、对称性或是方向性的影响，而展现出一条极为平坦的色散曲线，这就造成实现慢声的工作频率带宽非常窄，并且这种宏观尺寸的研究距离实际应用还很遥远。2012年土耳其的Ahmet Cicek等人利用空气中铝柱声子晶体的线缺陷波导使得在原来带隙中出现一条局域的平带(Cicek A,Kaya O A,Yilmaz M,et al.Slow sound propagation in a sonic crystal linearwaveguide.J.Appl.Phys.111,013522(2012))，16kHz的脉冲在线缺陷波导中的群速度达到26.7m/s，约为空气中声速的1/13，不过工作带宽只有1.6％左右。并且这种利用缺陷模式得到的慢声会带来极大的阻抗失配而导致较大的能量损耗和较低的声能传输效率。这些基于理论的或是概念的、二维的流体声学体系、且均为宏观尺寸的研究工作距离实际应用还显得十分遥远，它们更多是帮助人们提供了一种能够实现慢声传播的思路。
另外一种最为常见的、绝大部分能带由于在带边位置受到的强烈的布拉格散射(Bragg scattering)而导致的平带，却是实现较为实用的慢声器件的途径。采用这种方式，可以保证声子晶体与周围的声学环境具有相对较低的阻抗失配——使得器件能够具有相对较高的能量透过率。并且该方式利用的色散关系全空间一致(色散值在全空间范围均接近零)，这就使得慢声器件能够具有一定的工作带宽。
发明内容
本发明提出了一种基于声表面波声子晶体慢声延时器的具体设计，目的在于得到慢声效果明显，具有可观的工作带宽，即延时-带宽积(delay–bandwidth product)这一指标优良的信号延时器。
本发明采用的技术方案为：
一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，包括压电基底、压电基底上的金属声子晶体和一对叉指换能器；叉指换能器分别位于金属声子晶体的两侧，其中一侧的叉指换能器利用逆压电效应激发瑞利声表面波，并传输给声子晶体，另一侧的叉指换能器利用正压电效应接收传输过来的声表面波。
所述金属声子晶体的材料为镍，晶格常数为24μm；构成声子晶体的结构单元呈锥状柱形，侧壁角为81°，柱体的底边半径6.0μm，柱体高8.4μm。
本发明基于主流的声表面波电声器件，其声表面波慢声直接实现了一个具有优异性能的信号延时器，同时可以有效增强声表面波和微流体中粒子的相互作用，为声“镊子”的设计提供了新的方法和平台，也必将提高声学传感器的灵敏度。本发明通过对声表面波声子晶体晶格畸变的设计，可以得到最优化的群速度色散，此时既具有较大的信号延时又具有较宽的工作频率，即延时-带宽积这一重要指标明显提高，属于声表面波电声器件体系中的一种具有优异性能的信号延时器。
附图说明
图1为本发明基于声表面波声子晶体的慢声延时器的(a)结构示意图，(b)应用示意图；
图2为本发明声表面波声子晶体单个镍柱的形状示意图；
图3为本发明三角晶格声表面波声子晶体的空间压缩示意图；
图4为本发明三角晶格声表面波声子晶体晶格压缩后对应的能带变化；
图5为本发明原始三角晶格和最优压缩晶格实现声表面波慢声能力的对比图，其中，(a)和(b)为SEM照片，(c)和(d)为透过率，(e)和(f)为信号延时，(g)和(h)为群折射率。
具体实施方式
对基于声表面波声子晶体的慢声延时器，通过对晶格空间进行不同程度压缩而导致的能带色散关系变化以寻找最优化的色散关系的分析，采用COMSOL Multiphysics数值模拟来完成，对样品所在的传输线相对应的传输情况的测试分析，采用网络分析仪来完成。
本实施例中的声子晶体由LIGA工艺(LIGA是德文Lithographie(LI)Galvanoformung(G)Abformung(A)，即“光刻、电镀、注塑复制”的缩写)制备，利用电镀技术得到二维周期结构的镍金属微结构。
图1所示为本发明基于声表面波声子晶体的慢声延时器结构示意图。图中基底1为压电材料，如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、氧化锌(ZnO)等，本实施例采用铌酸锂，铌酸锂基底为长方体，结构参数为：长2.1mm，宽1.2mm，厚0.48mm，机电耦合系数为2.41％。图中二维周期结构的声表面波声子晶体2，是由镍柱组成的二维正方晶格。放置于LiNbO3晶体两端的宽频叉指换能器(IDT)3，一端利用逆压电效应激发瑞利声表面波，而另一端利用正压电效应接收，实现了一个声表面波传输线。本实施例中，宽频叉指换能器3的材料为铝，响应频率为65MHz-85MHz。如图1(b)所示，在宽频叉指换能器3的一侧还涂覆有吸声胶5，通过涂覆吸声胶5可以吸收掉对应方向传播的声表面波避免产生驻波效应，使得声表面波只在沿着设计的方向(如箭头所示)上进行传播。
由于叉指换能器只能激发宽度与叉指孔径(交叉指条重叠部分的长度)相当的声表面波，所以还可设有多层耦合层4，其材料为铝，可以将入射声表面波宽度扩展为与多条耦合层4的长度相当，再通过吸声胶5的搭配使用便可以将激发的声表面波引导到设计的传播方向上。
图2所示为镍柱声表面波声子晶体中单个镍柱的几何形状，呈锥状柱形。镍柱的结构参数为：侧壁角θ＝81°，柱体的底边半径r＝6.0μm，柱体高H＝8.4μm；声子晶体的晶格常数为24μm。镍柱的杨氏模量为1.10×1011Pa，泊松比为0.33。
图3所示为三角晶格声表面波声子晶体的空间压缩示意图。其中晶格只在ky方向上进行压缩，在kx方向上不变化。晶体格点位置柱体的几何形貌/声学参数未发生变化，声表面波沿着 kx方向传播。
图4所示为三角晶格声表面波声子晶体晶格压缩后对应的能带变化。随着压缩的进行，原本色散值为负的色散曲线逐渐消失，而色散值为正的色散曲线逐渐增加。并最终在压缩至r(b＝rb0)处于0.75至0.80范围内某一点时，负色散曲线完全融入正色散曲线，整个色散曲线在全局范围内单调上升。在此之后，随着晶格压缩的近一步进行，色散曲线的斜率将近一步增加，且整个能带将上升至更高的频率。
图5所示为原始三角晶格和最优压缩晶格实现声表面波慢声能力的对比。(a)为原本具有三角晶格并未空间压缩的样品的SEM照片；(b)为将晶格进行空间压缩至最优情况下样品的SEM照片。(c)及(d)显示的透射率谱中：实心圆点表示未放置任何声表面波声子晶体的情况。其透射率数值在实验频率范围内几乎保持不变。(e)及(f)显示的时延谱中：实心圆点亦表示未放置任何声表面波声子晶体的情况，声表面波传输过整个空白的传输线区间需耗时约1.30μs。空心方点数据为放置有声表面波声子晶体样品后的延时情况，在图(a)所示的未经晶格压缩的样品中，能够测量到的最大延时位于频率71.5MHz处，延时约2.0μs。在图(b)所示的晶格经过最优化压缩的样品中，其能够测量到的最大延时约位于频率77.0MHz处，此处传输线的延时约为3.5μs。图(g)及图(h)所示，其即为声表面波在声子晶体内部被放慢的倍数。在压缩至临界点的最优化的声表面波声子晶体样品中(图(b)所示)，最大群折射率在76.8MHz处被测量到，其值约为24.3，其对应的声表面波在声子晶体中的传播速度约为140m/s。
本实施例的声表面波声子晶体慢声延时器，采用基于紧束缚近似模型的分析方法，通过调整三角晶格声子晶体空间压缩程度，来优化能带色散关系，在声子晶体空间压缩的临界点附近找到了最为平整的能带，具有最小的群速度平均值。该结构在最优化色散关系情况下，激发的声表面波沿着y切LiNbO3晶体的z向入射到声子晶体并平行于声子晶体的Γ-K方向传播通过，当其频率为76.8MHz时在声子晶体中的传播速度可慢至约140m/s，这一超慢的弹性体表面波声速远低于瑞利波在无声子晶体的yz切LiNbO3基底上的传输速度(3488m/s)，甚至比在普通大气中传播的声速(343m/s)更慢。优化后的声表面波慢声延时器在大约74.5MHz-77MHz工作频率范围内的声表面波在声子晶体内部的平均传输速度均低于500m/s，此时带宽约为2.5MHz，其“时延-带宽积”指标达到比较理想情况。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，包括压电基底、压电基底上的金属声子晶体和一对叉指换能器；叉指换能器分别位于金属声子晶体的两侧，其中一侧的叉指换能器利用逆压电效应激发瑞利声表面波，并传输给声子晶体，另一侧的叉指换能器利用正压电效应接收传输过来的声表面波。
2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述金属声子晶体的材料为镍，晶格常数为24μm；构成声子晶体的结构单元呈锥状柱形，侧壁角为81°，柱体的底边半径6.0μm，柱体高8.4μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述慢声延时器中还设有耦合层，将瑞利声表面波耦合传输给声子晶体。
4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述压电基底采用单面抛光的yz切铌酸锂晶体。
5.根据权利要求1所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述叉指换能器的材料为铝，其响应频率范围为65MHz-85MHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述叉指换能器的侧面还涂覆有吸声胶。
7.根据权利要求1所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述金属声子晶体处于声表面波传输线的中心位置。
8.根据权利要求1至7之一所述的一种基于声表面波声子晶体的慢声延时器，其特征在于，所述金属声子晶体采用LIGA方法制备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161214 |