阅读说明：本技术 一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法 (Design method of surface acoustic wave chip for enhancing standing wave sound field characteristics ) 是由 韩建宁 唐帅 杨鹏 张赛 温廷敦 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法,在确定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,通过实验获取基于声表面波信号控制的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,构建基于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,通过计算获得分析结果,获得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,不同的铜柱间距以及不同的铜柱阵列,对声场的调控以及增强效果是不一样的,实现多尺度、多功能的微流控需要,有效地对表面波声场进行调控,使声表面波芯片做到“按需定制”。(The invention discloses a design method of a surface acoustic wave chip for enhancing standing wave sound field characteristics, which is characterized in that a sound field enhancement experiment scheme of a copper column array microstructure is established on the basis of a comparison test experiment of a surface acoustic wave device of a common piezoelectric substrate material, a multi-parameter regulation rule of the acoustic copper column array microstructure based on surface acoustic wave signal control is obtained through the experiment, data recording and analysis are carried out, a surface acoustic wave model based on the acoustic copper column array microstructure is established, a sound wave frequency control simulation experiment is carried out, an analysis result is obtained through calculation, a change rule of multi-parameter regulation and sound field distribution characteristics is obtained, a device of the surface acoustic wave chip with the copper column array microstructure having the sound field enhancement effect is processed and manufactured, different copper column pitches and different copper column arrays are used for differently regulating and enhancing the sound field, and multi-scale distribution are realized, The surface acoustic wave field is effectively regulated and controlled by the multifunctional microfluidic requirement, so that the surface acoustic wave chip is customized according to the requirement.)

一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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有机结合的设计方法。运用简单和直观的计算得到声场增强特性的新型声表面波芯片，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。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法，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。

进一步地，所述步骤三构建所述声表面波模型的过程为：

步骤a，根据COMSOL Multiphysics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。

进一步地，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富集。

进一步地，在上述步骤四中，使用激光雕刻机制备声表面波芯片所需要的铜柱结构，然后将其进行阵列，完成芯片表面微结构的制备。

进一步地，所述铜柱阵列微结构的声表面波芯片的器件包括。

基片，用于传输声信号。

第一换能器，设置于所述基片上，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所述基片。

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所述声信号，其将所述声信号转化为电信号同时输出所述电信号。

铜柱阵列，设置于所述基片上，用于调控通过所述基片传输的所述第一换能器输出的所述声信号，其将所述声信号进行调控通过所述基片输出至所述第二换能器。

根据所述基片和所述铜柱阵列的声场增强实验方案，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，其将进行数据记录和分析。

根据声学铜柱阵列微结构的声表面波模型的构建，并进行声波模拟和传输测试分析，通过计算获得分析结果。

进一步地，所述铜柱阵列分两列，包括第一铜柱阵列和第二铜柱阵列，所述第一铜柱阵列设置在所述第一换能器内侧，所述第二铜柱阵列设置在所述第二换能器内侧。

进一步地，所述第一换能器和所述第二换能器为叉指换能器。

进一步地，所述叉指换能器所产生的声波通过所述铜柱阵列微结构的声表面波芯片模型时，声波遇到所述铜柱阵列后，在声波的作用下，所述基片的铌酸锂材料基底先振动，带动所述铜柱阵列振动，进行声场调控。

进一步地，不同的铜柱间距和不同的所述铜柱阵列，对声场的调控和增强效果不一样，形成多尺度、多功能的微流控。

进一步地，芯片实体通过机械加工制作；根据声场调控要求不同，所述铜柱阵列微结构的声表面波芯片上的铜柱间距也不同。

现有技术相比，本发明的有益效果是，本发明的铜柱阵列微结构的声表面波器件设计方法，声学微结构中新奇的传播规律---基于声学铜柱阵列微结构的声场调控特性，为表面波芯片内部声场的调控开辟了新的思路，借鉴声学铜柱阵列微结构在声场调控中的技术优势，该声学微结构为基础的声表面波芯片不仅能对特定频率的声场产生增益，同时形成的声场特性要明显优于普通声表面波芯片，实现了传统声表面波芯片难以实现的声场调控现象。解决了传统声表面波芯片主要依靠普通的压电基底材料作用于微流，其形成的声场无法实现多尺度、多功能的微流控需要，有效地对表面波声场进行调控，使声表面波芯片做到“按需定制”。同时，与声学超微结构有机结合的声表面波芯片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

图1为增强驻波声场特性的声表面波芯片的结构图(铜柱间距310um)；

图2为增强驻波声场特性的声表面波芯片的结构图(铜柱间距155um)；

图3为铜柱阵列微结构的声表面波器件结构表面声场分布示意图；

图4为铜柱阵列微结构的声表面波器件结构表面声场调控示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述。

以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。

需要说明的是，在发明的描述中，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，因此不能理解为对发明的限制。

本发明实施例提供了一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法。此设计方法分五步进行。

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，通过步骤三的实验数据和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，对步骤四制备的铜柱阵列微结构的声表面波芯片的器件进行调试及完善。

上述步骤三中构建声表面波模型的过程分四步进行。

步骤a，根据COMSOL Multiphysics提供的丰富的CAD绘图工具，结合上述模型的要求设计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。

请参阅图1所示，一种增强驻波声场特性的声表面波芯片的设计方法结构图，包括基片1、第一换能器2、第二换能器3、铜柱阵列4。

其中，基片1用于传输声信号，且基片1为压电固体材质。本发明实施例中，基片1为铌酸锂。

第一换能器2设置在基片1上，用于接收输入的电信号并将电信号转换为声信号同时输出声信号至基片1。

第二换能器3设置于基片1上，用于接收来自于基片1上的声信号并将声信号转化为电信号同时输出电信号。

铜柱阵列4设置在基片1上，用于调控通过基板1传输的第一换能器2 输出的声信号，并将声信号进行调控通过基片1输出至第二换能器3。

具体的，铜柱阵列4分两列，第一铜柱阵列41设置在第一换能器2内侧，第二铜柱阵列42设置在第二换能器3内侧。第一换能器2和第二换能器3沿基片1的中线对称设置，第一铜柱阵列41和第二铜柱阵列42也沿基片1的中线对称设置。且在本发明实施例中，第一换能器2和第二换能器3为叉指换能器。

在本发明实施例中，第一阵列铜柱41和第二阵列铜柱42都是一列均布7个铜柱，两铜柱间距是310um。本领域所述技术人员可以理解的是，在本发明中，两铜柱的间距包括但不限于310um和155um。

参阅图1所示，两铜柱的间距为310um。

参阅图2所述，两铜柱的间距为155um。

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，构建求解模型的过程。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。压力波动产生作用于悬浮颗粒的声辐射力，并将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。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富集。

对铜柱阵列微结构的声表面波芯片的模拟实验及相关调试，结合微结构设计思想，模拟实验探索结合声学铜柱阵列微结构的制备工艺，以铜柱为研究对象，研究不同个数、不同基底材料、不同阵列方式等对其声学振动频率性能的影响。

以上述制备的材料为基体，研究不同材料、密度、形状对声表面波器件振动频率的影响，确定性能最佳的声表面波芯片的实验条件及结构组成，对其振动特性展开深入研究。

请参阅图3所示，通过测定声表面波芯片表面声场的分布，可判断声场增强效果。叉指换能器所产生的声波通过此铜柱阵列微结构的声表面波芯片模型，声波遇到铜柱阵列后，在声波的作用下，基片1的铌酸锂材料基底首先振动，带动铜柱阵列4振动，进行声场调控。也就是说声波在通过铜柱阵列4 传输的过程，就是内部铌酸锂和铜柱共同振动的过程，因此实现声场调控及增强效果。

请参阅图4所示，图中(a)图是没有铜柱阵列的声表面波芯片的声场，图中(b)图是铜柱间距310um的声表面波芯片的声场，图中(c)图是铜柱间距155um的声表面波芯片的声场。在铜柱阵列微结构的声表面波芯片模型上的铜柱阵列微结构，不同的铜柱间距以及不同的铜柱阵列，对声场的调控以及增强效果是不一样的，实现多尺度、多功能的微流控需要，有效地对表面波声场进行调控，使声表面波芯片做到“按需定制”，请参阅图4中的图中(d) 和图中(e)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。