CN107578768B - 基于声子晶体异质结的声波二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于声子晶体异质结的声波二极管，包括方形硅基盒、若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体；硅基盒一侧长边中部开设有入射端口，另一侧长边中部开设有出射端口；若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体纵向设置地周期排列于硅基盒内，若干方形横截面大钢柱体分布于硅基盒内分别以硅基盒两个短边为底边、以硅基盒所述另一侧长边中点为顶点的两个直角三角形区域内，若干方形横截面小钢柱体分布于硅基盒内除去所述两个直角三角形区域以外的区域。本发明能够实现以声波为传播媒质的单向导通功能。
Description
技术领域
本发明涉及材料、集成器件制造、声波技术等领域，具体涉及一种声波集成结构中使用的二极管器件。
背景技术
声子晶体是由两种或两种以上不同弹性材料周期性排列组成的，其具有声波禁带、自准直效应、负折射等特性，可以设计成声波透镜、声波导、声波滤波器和声波开关等。
声子晶体声波器件应用研究刚刚起步，目前还没有采用声子晶体异质结的声波二极管。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声子晶体异质结的声波二极管，能够实现以声波为传播媒质的单向导通功能。本发明的目的由以下技术方案实现：
一种基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，包括方形硅基盒、若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体；硅基盒一侧长边中部开设有入射端口，另一侧长边中部开设有出射端口；若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体纵向设置地周期排列于硅基盒内，若干方形横截面大钢柱体分布于硅基盒内分别以硅基盒两个短边为底边、以硅基盒所述另一侧长边中点为顶点的两个直角三角形区域内，若干方形横截面小钢柱体分布于硅基盒内除去所述两个直角三角形区域以外的区域。
作为具体的技术方案，所述若干方形横截面小钢柱体和若干方形横截面大钢柱体形成的界面与所述硅基盒四边的夹角均为45度。
作为具体的技术方案，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体总计由12＊22矩阵排列的钢柱体构成。
作为具体的技术方案，所述12＊22矩阵排列的钢柱体彼此的间距为1.0*10-2m。
作为具体的技术方案，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的截面边长分别为1.5*10-3m、7.0*10-3m，长度均为1.0*10-2m。
作为具体的技术方案，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的四边与所述硅基盒的四边相应平行。
作为具体的技术方案，所述若干方形横截面小钢柱体的四边与所述硅基盒的四边相应平行，所述若干方形横截面大钢柱体的四边相对所述硅基盒的四边逆时针旋转15度。
作为具体的技术方案，所述入射端口的长度为所述硅基盒一侧长边长度的1/4至3/4，高度小于所述硅基盒一侧长边的高度；所述出射端口的长度小于所述入射端口的长度，高度小于所述硅基盒另一侧长边的高度。
作为具体的技术方案，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的钢材料的参数为：密度ρs＝7780kg/m3，纵波波速Csl＝5825m/s和横波波速Cst＝3227m/s；空气的参数为：密度ρa＝1.29kg/m3,纵波波速Csa＝343m/s；所述硅基盒的硅材料的参数为：密度ρsi＝2330kg/m3。
作为具体的技术方案，所述硅基盒的厚度为1.0*10-5m，内部长22*10-2m，内部宽13*10-2m，内部高1.0*10-2m。
本发明采用半导体集成制造理念，在硅基盒中设计声子晶体异质结，本发明以两种不同方形横截面的钢柱构成异质结，声波在特定频域内只能单方向导通，正向导通和反向截止时透射率差别大，有较好的单向品质。当声波从正向入射端口进入，在异质结交界处，声波可以沿45度方向入射，从出射端口导出。当声波从反向入射端口进入，由于存在声波禁带，声波无法传播。这种结构简单、集成度高、可设计性强，且具有高品质、低功耗等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于声子晶体异质结的声波二极管的构造示意图。
图2为本发明实施例提供的基于声子晶体异质结的声波二极管的横截面示意图。
图3为本实施例提供的不同方向声波入射时，基于声子晶体异质结的声波二极管的声波透射系数图。
具体实施方式
如图1及图2所示，本实施例提供的基于声子晶体异质结的声波二极管，包括方形硅基盒11、若干方形横截面小钢柱体12及若干方形横截面大钢柱体13；硅基盒11一侧长边中部开设有入射端口A，另一侧长边中部开设有出射端口B。若干方形横截面小钢柱体12及若干方形横截面大钢柱体13总计由12＊22矩阵排列的钢柱体构成，纵向设置且周期排列于硅基盒11内，其中，若干方形横截面大钢柱体13分布于硅基盒内分别以硅基盒两个短边为底边、以硅基盒所述另一侧长边中点为顶点的两个直角三角形区域内，若干方形横截面小钢柱体12分布于硅基盒内除去所述两个直角三角形区域以外的区域。
具体地，若干方形横截面小钢柱体12和若干方形横截面大钢柱体13彼此间形成的界面与硅基盒11四边的夹角均为45度，12＊22矩阵排列的钢柱体彼此的间距为1.0*10-2m，且若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的截面边长分别为1.5*10-3m、7.0*10-3m，长度均为1.0*10-2m。
具体设置时，若干方形横截面小钢柱体12及若干方形横截面大钢柱体13的四边与硅基盒11的四边相应平行，或者若干方形横截面小钢柱体12及若干方形横截面大钢柱体13的四边相对硅基盒11的四边逆时针或顺时针旋转15度。
此外，入射端口A的长度为所述硅基盒一侧长边长度的1/4至3/4，高度小于所述硅基盒11一侧长边的高度；出射端口B的长度小于入射端口的长度，高度小于所述硅基盒11另一侧长边的高度。
对于材料，若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的钢材料的参数为：密度ρs＝7780kg/m3，纵波波速Csl＝5825m/s和横波波速Cst＝3227m/s；空气的参数为：密度ρa＝1.29kg/m3,纵波波速Csa＝343m/s；所述硅基盒的硅材料的参数为：密度ρsi＝2330kg/m3。硅基盒11的厚度为1.0*10-5m，内部长22*10-2m，内部宽13*10-2m，内部高1.0*10-2m。
本实施例提供的基于声子晶体异质结的声波二极管，硅基盒封装结构内两种不同大小横截面的钢柱体通过排列设置，形成45度的异质结；构建两个端口，互为入射端口和出射端口；当入射声波正向入射，在特定频域内，部分声波会沿着45度相互交错的异质结入射，器件处于导通状态，发送到出射端口；当入射声波反向入射，在特定频域内，由于声波禁带，器件处于截止状态，无法发送到出射端口。导通与截止的实现根据透射率来判断，透射率为出射声波模与入射声波模的功率比。图3为本实施例提供的不同方向声波入射时，基于声子晶体异质结的声波二极管的声波透射系数图。
表1为本实施例提供的不同方向声波入射时，基于声子晶体声波二极管的导通与截止的情况表。
基于声子晶体异质结的声波二极管导通情况表
表1
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，基于本发明创新主旨的、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当属于本申请揭露的范围。
Claims (9)
1.一种基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，包括方形硅基盒、若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体；硅基盒一侧长边中部开设有入射端口，另一侧长边中部开设有出射端口；若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体纵向设置地周期排列于硅基盒内，若干方形横截面大钢柱体分布于硅基盒内分别以硅基盒两个短边为底边、以硅基盒所述另一侧长边中点为顶点的两个直角三角形区域内，若干方形横截面小钢柱体分布于硅基盒内除去所述两个直角三角形区域以外的区域；所述若干方形横截面小钢柱体和若干方形横截面大钢柱体形成的界面与所述硅基盒四边的夹角均为45度。
2.根据权利要求1所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体总计由12＊22矩阵排列的钢柱体构成。
3.根据权利要求2所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述12＊22矩阵排列的钢柱体彼此的间距为1.0*10-2m。
4.根据权利要求3所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的截面边长分别为1.5*10-3m、7.0*10-3m，长度均为1.0*10-2m。
5.根据权利要求4所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的四边与所述硅基盒的四边相应平行。
6.根据权利要求4所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述若干方形横截面小钢柱体的四边与所述硅基盒的四边相应平行，所述若干方形横截面大钢柱体的四边相对所述硅基盒的四边逆时针旋转15度。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述入射端口的长度为所述硅基盒一侧长边长度的1/4至3/4，高度小于所述硅基盒一侧长边的高度；所述出射端口的长度小于所述入射端口的长度，高度小于所述硅基盒另一侧长边的高度。
8.根据权利要求1至6任意一项所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述若干方形横截面小钢柱体及若干方形横截面大钢柱体的钢材料的参数为：密度ρs＝7780kg/m3，纵波波速Csl＝5825m/s和横波波速Cst＝3227m/s；空气的参数为：密度ρa＝1.29kg/m3,纵波波速Csa＝343m/s；所述硅基盒的硅材料的参数为：密度ρsi＝2330kg/m3。
9.根据权利要求8所述的基于声子晶体异质结的声波二极管，其特征在于，所述硅基盒的厚度为1.0*10-5m，内部长22*10-2m，内部宽13*10-2m，内部高1.0*10-2m。
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