【技术实现步骤摘要】
一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法
本专利技术属于人工声学微结构设计领域,具体涉及一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法。
技术介绍
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。可对声波提供前所未有的、更加灵活自如的操控,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,这也为声表面波芯片在多功能、多尺度的微流控应用中展现出美好的前景,如声表面波芯片内部声场的可调控特性用于粒子分流、细胞分选等领域。因此,如何根据声学铜柱阵列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铜柱阵列微结构实现声场调控现象是问题关键。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)大大突破了自然材料的局限,该研究领域每年都有很多优秀论文发表。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比较缺乏的。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段有较好效果,在高频超声阶段报道较少,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
本专利技术为解决上述现有技术的基础中存在的技术问题,提出一种将声学铜柱阵列微结构与声表面波芯片 ...
【技术保护点】
1.一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法,其特征在于,包括:/n步骤一,基于普通压电基底材料的声表面波器件对比测试实验基础上构建铜柱阵列微结构的声场增强实验方案;/n步骤二,通过实验获取基于声表面波信号控制的所述声学铜柱阵列微结构的多参数调节规律,并进行数据记录和分析;/n步骤三,构建基于所述声学铜柱阵列微结构的声表面波模型,进行声波频率控制模拟实验,并进行声波模拟和传输测试分析;通过计算获得分析结果;/n步骤四,通过所述步骤三的实验数据和所述声学铜柱阵列微结构的多参数调节与声场分布特性的变化规律,加工并制作具有声场增强效果的铜柱阵列微结构的声表面波芯片的器件;/n步骤五,对所述步骤四制备的所述铜柱阵列微结构的声表面波芯片的器件进行调试及完善。/n
【技术特征摘要】
1.一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法,其特征在于,包括:
步骤一,基于普通压电基底材料的声表面波器件对比测试实验基础上构建铜柱阵列微结构的声场增强实验方案;
步骤二,通过实验获取基于声表面波信号控制的所述声学铜柱阵列微结构的多参数调节规律,并进行数据记录和分析;
步骤三,构建基于所述声学铜柱阵列微结构的声表面波模型,进行声波频率控制模拟实验,并进行声波模拟和传输测试分析;通过计算获得分析结果;
步骤四,通过所述步骤三的实验数据和所述声学铜柱阵列微结构的多参数调节与声场分布特性的变化规律,加工并制作具有声场增强效果的铜柱阵列微结构的声表面波芯片的器件;
步骤五,对所述步骤四制备的所述铜柱阵列微结构的声表面波芯片的器件进行调试及完善。
2.根据权利要求1所述的增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法,其特征在于,所述步骤三构建所述声表面波模型的过程为:
步骤a,根据COMSOLMultiphysics提供的丰富的CAD绘图工具,结合上述模型的要求设计所述声表面波器件三维平面示意图,并在其器件中心的芯片处添加铜柱阵列微结构;
步骤b,设置材料物理属性,根据模型的参数要求选择不同组分的材料参数;
步骤c,网格化,将上述模型中的两个叉指换能器的芯片表面部分精细化;
步骤d,构建求解模型。
3.根据权利要求2所述的增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法,其特征在于,所述步骤d中,构建求解模型的过程为:一旦粒子或细胞的分布趋于稳定,则施加射频RF信号到两个所述叉指换能器上,此时会产生相反方向传播的两组相同的声表面波SAW;
两组所述声表面波SAW的干扰形成声表面波驻波SSAW,并在基底上形成呈周期性分布的波节和波腹;当所述声表面波驻波SSAW遇到液体介质时,产生纵向泄漏波,造成介质中的压力波动;所述压力波动产生作用于悬浮颗粒的声辐射力,并将所述声辐射力移动到声表面波驻波SSAW场中的压力节点或波腹处;
所述声表面波驻波SSAW作用区域施加在物体上的主要声学力可以表示为:
其中P0,λ和Vc分别为声压、波长和体积;ρc、ρw、βc和βw分别为粒子的密度、介质的密度、粒子的可压缩性以及介质的可压缩性;Φ决定了粒子的平衡位置:当Φ>0,粒子将会在压力节点处富集;当Φ<0,粒子也将会在压力节点处...
【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
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