一种声表面波器件及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种声表面波器件，包括基片、第一换能器、第二换能器及声波聚焦装置，声波聚焦装置设置在基片上用于聚焦通过基片传输的第一换能器输出的声信号并将声信号进行调控通过基片输出至第二换能器；本发明专利技术提出一种声表面波器件的设计方法，该声学微结构为基础的声表面波器件不仅能对特定的频率的声波聚集吸收，同时形成的声场特性要明显优于普通声表面波器件，实现了传统声表面波器件难以实现的局域聚焦现象；同时，与声学结构有机结合的声表面波器件能对形成的声场进行有效调控，可以突破传统声表面波器件单一声场的局限性，对微流控等相关领域的应用都极具实际意义。

A saw device and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种声表面波器件及其设计方法
本专利技术基于双层柱状微结构的声表面波器件设计方法，涉及人工声学微结构设计领域。
技术介绍
人工声学微结构(包括声学超材料)是近几年来物理学前沿研究热点之一。声学微结构中新奇的传播规律，为研究声波信号任意频率调控开辟了新的思路，这也为声表面波器件在多功能、多尺度的微流控应用中展现出美好的前景。如声表面波器件内部声场的可调控特性用于粒子分流、细胞分选等领域。局域共振型声学柱状微结构由于其本征振动特性及共振机制，实现声波单焦点聚焦及多极点局域效果。因此，如何根据局域共振型声学柱状微结构散射体的共振特性以及弹性波与基体相互作用的特性去设计声学柱状微结构实现局域聚焦现象是关键。人工声学微结构(包括声学超材料)为声表面波器件多尺度和多功能的应用方式提供了新思路，人工声学微结构(包括声学超材料)突破了自然材料的局限，可对声波提供操控，该研究领域每年都有数篇优秀论文发表。声学微结构中新奇的传播规律--基于柱状结构的声场局域聚焦，为表面波器件内部声场的调控开辟新思路。借鉴柱状结构在声波局域聚焦中的技术优势，可以突破改善传统表面波器件的单一声场，对微流控等相关领域的应用都极具实际意义。近几年人工声学超微结构(超材料)研究成果虽然多，但是具体针对某一领域的应用研究是缺乏的。声子晶体是最典型的人工声学超材料，当前声子晶体研究的主要结构，主要体现在一维、二维声子晶体的模型在无限长的条件下实施，三维声子晶体的模型在低频超声阶段效果较佳，在高频超声阶段效果较弱，同时三维晶体制备有诸多不便，把这些成果引入到声表面波研究领域，存在较多技术难题，需要针对声波调控的特殊要求创新性地开展区别于当前声子晶体的声学超材料研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术的基础中存在的技术问题，提出一种将双层柱状声学结构与声表面波器件有机结合的设计方法。运用简单和直观的计算得到局域聚焦特性的新型声表面波器件，可以突破传统声表面波器件单一声场的局限性，对微流控等相关领域的应用都极具实际意义。本专利技术提出一种声表面波器件，包括：基片，用于传输声信号；第一换能器，设置在所述基片上，用于接收输入的电信号并将所述电信号转换为声信号同时输出所述声信号至基片；第二换能器，设置于所述基片上，用于接收来自于所述基片上的声信号并将所述声信号转化为电信号同时输出所述电信号；声波聚焦装置，设置在所述基片上用于聚焦通过所述基片传输的第一换能器输出的声信号并将所述声信号进行调控通过所述基片输出至第二换能器。进一步地，所述声波聚焦装置为双层空心柱状结构，其包括第一环体和第二环体，所述第一环体设置在所述基片上，所述第二环体设置在所述第一环体的外侧。进一步地，所述第一环体为铜材质，所述第二环体为橡胶材质。进一步地，所述声波聚焦装置设置在所述第一换能器和第二换能器之间。进一步地，所述声波聚焦装置内部中心孔的半径为376.5um，所述第一环体的半径为434.4um，所述第二环体的半径为463.4um。进一步地，所述第一换能器和第二换能器为叉指换能器。一种声表面波器件的设计方法，包括：步骤(1)确定基片和声波聚焦装置的实验方法；步骤(2)通过实验获得声波聚焦装置的各参数对其声波频率控制的影响以及其规律，并记录其实验结果；步骤(3)构建具有声波聚焦装置的声表面波器件的模型，并且对模型进行声波频率控制模拟实验，进行声波模拟、传输测试分析，最后通过计算获得分析结果；步骤(4)通过所述步骤(3)获得的分析结果并且结合实验(2)的实验结果确定声波聚焦装置的结构，并且加工制得具有该声波聚焦装置的声表面波器件；步骤(5)对所述步骤(4)中制备得到的声表面波器件进行调试和完善。进一步地，步骤(3)利用散射法分析双层空心柱状结构，通过计算0阶、1阶、2阶、3阶柱面Bessel函数和第一类Hanke函数的形式即可得到相对应的单极，偶极，四极，六极和八极等多极声场局域聚焦现象。进一步地，求解模型双层空心柱状结构的的相位变换，声散射理论进行计算，设入射波函数为其中w为圆频率，k0为波束，i为虚数单位，p0为初始相位。环境声压可以被写为柱面Bessel函数和第一类Hanke函数的形式，入射声压在柱坐标下可以写为：模型外面、空心圆柱外层、中间层和最内层的声压p0p1p2p3可以分别写为：其中An0,An1,An2,An3和Bn0,Bn1,Bn2,Bn3分别是Bessel和Hankel函数的展开系数，kn是波数；另一方面，由于压力值和声速的上升，每个区域的边界都是连续的，因此，边界条件可以表示为：Vrn是每个区域的声速,将2,3,4,5式带入6,7,8，且由可计算得如下矩阵：根据上述矩阵的0阶、1阶、2阶、3阶柱贝塞尔函数和第一类汉克尔函数，分别进行计算，即可得到相对应的单极，偶极，四极，六极和八极现象。进一步地，步骤(4)中叉指换能器产生的声波通过此声表面波器件模型，声波在声波聚焦装置内部后；在声波的作用下，铌酸锂材料基片振动，并带动第二环体振动，且第二环体带动第一环体振动而实现有机结合。与现有技术相比本专利技术的有益效果在于：本专利技术声学微结构为基础的声表面波器件不仅能对特定的频率的声波聚集吸收，同时形成的声场特性要明显优于普通声表面波器件，实现了传统声表面波器件难以实现的局域聚焦现象。同时，与声学结构有机结合的声表面波器件能对形成的声场进行有效调控，可以突破传统声表面波器件单一声场的局限性，对微流控等相关领域的应用都极具实际意义。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为声表面波器件的结构示意图；图2为声表面波器件表面单点聚焦示意图；图3为声表面波器件表面多极点局域示意图；图4为不同声场局域下的粒子分布图。100、基片；200、第一换能器；300、第二换能器；400、声波聚焦装置；410、第一环体；420、第二环体。具体实施方式下面参照附图来描述专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释专利技术的技术原理，并非在限制专利技术的保护范围。需要说明的是，在专利技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利技术的限制。此外，还需要说明的是，在专利技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声表面波器件，其特征在于，包括：/n基片，用于传输声信号；/n第一换能器，设置在所述基片上，用于接收输入的电信号并将所述电信号转换为声信号同时输出所述声信号至基片；/n第二换能器，设置于所述基片上，用于接收来自于所述基片上的声信号并将所述声信号转化为电信号同时输出所述电信号；/n声波聚焦装置，设置在所述基片上用于聚焦通过所述基片传输的第一换能器输出的声信号并将所述声信号进行调控通过所述基片输出至第二换能器。/n

【技术特征摘要】
1.一种声表面波器件，其特征在于，包括：
基片，用于传输声信号；
第一换能器，设置在所述基片上，用于接收输入的电信号并将所述电信号转换为声信号同时输出所述声信号至基片；
第二换能器，设置于所述基片上，用于接收来自于所述基片上的声信号并将所述声信号转化为电信号同时输出所述电信号；
声波聚焦装置，设置在所述基片上用于聚焦通过所述基片传输的第一换能器输出的声信号并将所述声信号进行调控通过所述基片输出至第二换能器。


2.根据权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述声波聚焦装置为双层空心柱状结构，其包括第一环体和第二环体，所述第一环体设置在所述基片上，所述第二环体设置在所述第一环体的外侧。


3.根据权利要求2所述的声表面波器件，其特征在于，所述第一环体为铜材质，所述第二环体为橡胶材质。


4.根据权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述声波聚焦装置设置在所述第一换能器和第二换能器之间。


5.根据权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述声波聚焦装置内部中心孔的半径为376.5um，所述第一环体的半径为434.4um，所述第二环体的半径为463.4um。


6.根据权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述第一换能器和第二换能器为叉指换能器。


7.一种声表面波器件的设计方法，其特征在于，包括：
步骤(1)，确定基片和声波聚焦装置的实验方法；
步骤(2)，通过实验获得声波聚焦装置的各参数对其声波频率控制的影响以及其规律，并记录其实验结果；
步骤(3)，构建具有声波聚焦装置的声表面波器件的模型，并且对模型进行声波频率控制模拟实验，进行声波模拟、传输测试分析，最后通过计算获得分析结果；
步骤(4)，通过所述步骤(3)获得的分析结果并且结合实验(2)的实验结果确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建宁，唐帅，杨鹏，张赛，温廷敦，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14