一種二維壓電聲子晶體射頻聲波導的製作方法

2023-06-06 03:10:11

專利名稱：一種二維壓電聲子晶體射頻聲波導的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及壓電器件領域，尤其涉及一種二維壓電聲子晶體射頻聲波導。
背景技術：
目前，常規的二維對稱聲子晶體，即X方向和y方向晶格常數相等，可以用於提高諧振器的性能，如圖I所示。由於該二維對稱聲子晶體所得到的X方向和y方向上帶隙分布一致，處在帶隙中的聲波在X方向和y方向上實現能量全 反射。因此聲子晶體結構作為反射柵具有阻止能量洩露，得到高Q值的諧振器性能。在現有的專利CN200410077471.9實用新型專利「二維聲子晶體隔音結構」和CN200420102759. 2實用新型專利「二維聲子晶體隔音結構」，CN200910061996. 6實用新型專利「一種車用周期性阻尼結構及其減振降噪方法」，CN201020198828. X實用新型專利「複式三維聲子晶體汽車排氣消聲器」中都涉及常規聲子晶體的應用，利用聲波在周期介質中傳播的禁帶特性來達到隔音、消聲或降噪目的，這些技術採用非壓電材料，因此僅應用於低頻領域，並且不能實現聲波導功能。隨著微納米尺寸加工工藝的發展和成熟，聲子晶體的應用不再局限於宏觀尺寸的低頻率段，而同樣可應用在MHz/GHz的射頻頻段。2010年IEEE. UFFC:pp. 30-37文章《A SAWresonator with two-dimensional reflectors》提到一種新型的二維反射結構聲表面波諧振器。該結構中的二維金屬點陣僅將聲表面波能量束縛於諧振器內，提高諧振器的諧振Q值，從而提高了諧振器的性能。該聲表面波諧振器可應用於射頻段，但只是用點陣完成聲表面波能量在X方向和y方向上的限制功能，實現諧振器性能，並不能實現聲波導功能。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種能夠實現射頻段聲波導功能的二維壓電聲子晶體射頻聲波導。為實現上述目的，本實用新型提供了一種二維壓電聲子晶體射頻聲波導，其特徵在於，包括設置在壓電基片上的二維金屬點陣，所述二維金屬點陣的y方向晶格常數與X方向晶格常數成比例，使得X方向上的通帶對應於y方向上的阻帶。進一步的，所述二維金屬點陣的y方向晶格常數與X方向晶格常數成比例具體為所述I方向晶格常數是X方向晶格常數的I. 5 4. 5倍。進一步的，所述二維金屬點陣的截面形狀為圓形、正方形、橢圓形、矩形。本實用新型能夠使射頻段的聲表面波在聲子晶體中X方向上實現高效傳播，在y方向上實現能量有效反射，從而實現射頻段聲波導功能。

圖I為常規二維對稱聲子晶體諧振器結構示意圖；圖2為本實用新型實施例的二維壓電聲子晶體射頻聲波導結構示意圖；[0012]圖3為36°YX鉭酸鋰為壓電基片的二維對稱鋁點陣頻率響應圖；圖4為Y-Z鈮酸鋰為壓電基片的二維對稱鋁點陣頻率響應圖；圖5為128°YX鈮酸鋰為壓電基片的二維對稱鋁點陣頻率響應圖圖6為ST-X石英為壓電基片的二維對稱鋁點陣頻率響應圖圖7為本實用新型實施例的128°YX鈮酸鋰為壓電基片的二維聲波調製鋁點陣頻率響應圖。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
如圖2所示，其為本實用新型實施例的二維壓電聲子晶體射頻聲波導結構示意圖。二維壓電聲子晶體射頻聲波導包括二維金屬點陣I及壓電基片2。二維金屬點陣I以y方向晶格常數是X方向晶格常數的I. 5 4. 5倍的形式布局在壓電基片2上。其中，二維金屬點陣可採用鋁、銅、鎢或金等金屬材料，其橫截面形狀為圓形、正方形、橢圓形或矩形等。二維金屬點陣I的X方向的通帶頻率fx,p和阻帶頻率fx, s由公式(I)和(2)計算得到，fx,p=Vp/a(I)fx,s=Vs/a(2)a為二維金屬點陣I的X方向晶格常數，Vp和Vs為二維金屬點陣I中不同的通帶和阻帶對應的聲波模式速度，通常有多個值。同樣的，二維金屬點陣I的y方向的通帶頻率fy, p和阻帶頻率fy, s由公式(3)和
(4)計算得到，fy,p=Vp/b(3)fy, s=Vs/b(4)b為二維金屬點陣I的y方向晶格常數。如果X方向晶格常數a與y方向晶格常數b相等即二維對稱金屬點陣時，則y方向的阻帶頻率對應的是X方向對應的阻帶頻率,即fy,s=Vs/b=Vs/a=fx,s,所以X方向和y方向同時反射聲表面波能量，不能實現聲波導功能。為了實現聲波導功能，則需改變晶格常數a和b，使y方向上的阻帶頻率對應x方向上的通帶。假設a不變、改變b，則X方向的阻帶頻率和通帶頻率不變，而y方向的的阻帶頻率和通帶頻率會改變。調整b，使得y方向上的阻帶頻率f』y,s對應X方向上的通帶fx,p，所以y, s=Vs/b。由此可得公式(5),由公式(5)可看出，二維對稱金屬點陣的y方向阻帶頻率和X方向通帶頻率比等於y方向和X方向的晶格常數比。fy, JfX,P= (vs/a) /(Vs/b) =b/a(5)因此根據二維對稱金屬點陣的x方向通帶頻率和7方向阻帶頻率比調整二維金屬點陣I的X方向和y方向晶格常數比就可以實現聲表面波在壓電聲子晶體內X方向高效通過，而在y方向實現能量有效反射，從而實現聲波導功能。但是，不同材料的壓電基片2上的二維對稱金屬點陣I的X方向通帶頻率和y方向阻帶頻率比不同，因此調整後的X方向晶格常數與J方向晶格常數比也是不同的。本實施例中，壓電基片2採用鉭酸鋰、鈮酸鋰、石英，二維金屬點陣I採用金屬鋁。二維鋁點陣厚度都在0.5%入IlJ 10%A範圍，入為聲表面波波長，在該範圍內，二維點陣頻率響應分布基本保持不變。具體的，壓電基片2採用36°YX鉭酸鋰時，如圖3所示，其為36°YX鉭酸鋰為壓電基片的二維對稱招點陣頻率響應圖。由此可以看出X方向波紋小、相對幅度高的通帶頻率fx,p分布在0. 2附近，y方向阻帶頻率值fy,s分布在0. 3 0. 36,0. 41,0. 65,0. 75,0. 85,0. 9附近，因此根據X方向通帶頻率和7方向阻帶頻率比調整後的晶格常數比b/a值範圍為I. 5 4. 5。壓電基片2採用Y-Z鈮酸鋰時，如圖4所示，其為Y-Z鈮酸鋰為壓電基片的二維對稱招點陣頻率響應圖。由此可以看出X方向波紋小、相對幅度高的通帶頻率fx.p分布在0. 22附近，y方向的阻帶頻率值fy,s分布在0. 41 0. 48,0. 58附近，因此根據x方向通帶·頻率和I方向阻帶頻率比調整後的晶格常數比b/a值範圍為I. 9 2. 6。壓電基片2採用128°YX鈮酸鋰時，如圖5所示，其為128°YX鈮酸鋰為壓電基片的二維對稱招點陣頻率響應圖。由此可以看出，X方向波紋小、相對幅度高的通帶頻率fx,p分布在0. 22附近，y方向的阻帶頻率值fy, s分布在0. 38 0. 45,0. 5,0. 55,0. 71,0. 84,0. 9附近，因此根據X方向通帶頻率和I方向阻帶頻率比調整後的晶格常數比b/a值範圍為I. 7 4. I。壓電基片2採用ST-X石英時，如圖6所示，其為ST-X石英為壓電基片的二維對稱招點陣頻率響應圖。由此可以看出，X方向波紋小相對幅度高的通帶頻率fx,p分布在0. 2附近，I方向的阻帶頻率值fy, s分布在0. 31,0. 39,0. 5,0. 55附近，因此根據x方向通帶頻率和I方向阻帶頻率比調整後的晶格常數比b/a值範圍為I. 6 2. 6。由以上晶格常數調整比值，可歸納為壓電基片2上的二維金屬點陣I的y方向晶格常數是X方向晶格常數的I. 5 4. 5倍。通過改變壓電基片上的二維金屬點陣X方向和y方向的晶格常數比，使得X方向通帶對應y方向阻帶，令聲表面波在該二維壓電聲子晶體內X方向高效通過,而在y方向實現能量有效反射，最終使能量在X方向上傳播，從而實現射頻聲波導功能。如圖7所示，其為128°YX鈮酸鋰為壓電基片的二維聲波調製鋁點陣頻率響應圖。本實施例中的二維壓電聲子晶體射頻聲波導的壓電基片採用128°YX鈮酸鋰，金屬點陣採用鋁材料，X方向點陣周期為10微米，y方向點真正周期為18. 6微米，即y方向晶格常數是X方向晶格常數的I. 86倍，柱狀金屬鋁點陣半徑為7微米。由圖7可以看出，頻率0. 21 0. 25對於X方向為通帶頻率，對於y方向為阻帶頻率，因此聲表面波頻率在0. 21 0. 25時，該二維壓電聲子晶體能夠實現聲表面波在I方向上能量有效反射，在X方向上高效傳播。本實用新型提供的二維壓電聲子晶體射頻聲波導的基片採用壓電材料，通過對壓電基片上的二維金屬點陣X方向和y方向晶格常數比的調節，使射頻段的聲表面波在聲子晶體中X方向上實現傳播,在y方向上實現能量反射，從而實現射頻段聲波導功能。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種二維壓電聲子晶體射頻聲波導，其特徵在於，包括設置在壓電基片上的二維金屬點陣，所述二維金屬點陣的y方向晶格常數與X方向晶格常數成比例，使得X方向上的通帶對應於I方向上的阻帶。
2.根據權利要求I所述的二維壓電聲子晶體射頻聲波導，其特徵在於，所述二維金屬點陣的y方向晶格常數與X方向晶格常數成比例具體為所述y方向晶格常數是X方向晶格常數的I. 5 4. 5倍。
3.根據權利要求I所述的二維壓電聲子晶體射頻聲波導，其特徵在於，所述二維金屬點陣的截面形狀為圓形、正方形、橢圓形或矩形。
專利摘要本實用新型涉及一種二維壓電聲子晶體射頻聲波導，該二維壓電聲子晶體射頻聲波導包括設置在壓電基片上的二維金屬點陣，所述二維金屬點陣的y方向晶格常數與x方向晶格常數成比例，使得x方向上的通帶對應於y方向上的阻帶。所述二維金屬點陣的y方向晶格常數與x方向晶格常數成比例具體為所述y方向晶格常數是x方向晶格常數的1.5～4.5倍。本實用新型能夠使射頻段的聲表面波在壓電聲子晶體中x方向上實現高效傳播，在y方向上實現能量有效反射，從而實現射頻段聲波導功能。
文檔編號H03H9/25GK202652159SQ201220347040
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月17日 優先權日2012年7月17日
發明者李紅浪, 柯亞兵, 程利娜, 何世堂 申請人:中國科學院聲學研究所