CN202652159U - 一种二维压电声子晶体射频声波导 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种二维压电声子晶体射频声波导，该二维压电声子晶体射频声波导包括设置在压电基片上的二维金属点阵，所述二维金属点阵的y方向晶格常数与x方向晶格常数成比例，使得x方向上的通带对应于y方向上的阻带。所述二维金属点阵的y方向晶格常数与x方向晶格常数成比例具体为所述y方向晶格常数是x方向晶格常数的1.5～4.5倍。本实用新型能够使射频段的声表面波在压电声子晶体中x方向上实现高效传播，在y方向上实现能量有效反射，从而实现射频段声波导功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及压电器件领域，尤其涉及一种二维压电声子晶体射频声波导。
背景技术
目前，常规的二维对称声子晶体，即x方向和y方向晶格常数相等，可以用于提高谐振器的性能，如图1所示。由于该二维对称声子晶体所得到的x方向和y方向上带隙分布一致，处在带隙中的声波在x方向和y方向上实现能量全反射。因此声子晶体结构作为反射栅具有阻止能量泄露，得到高Q值的谐振器性能。
在现有的专利CN200410077471.9实用新型专利“二维声子晶体隔音结构”和CN200420102759.2实用新型专利“二维声子晶体隔音结构”，CN200910061996.6实用新型专利“一种车用周期性阻尼结构及其减振降噪方法”，CN201020198828.X实用新型专利“复式三维声子晶体汽车排气***”中都涉及常规声子晶体的应用，利用声波在周期介质中传播的禁带特性来达到隔音、消声或降噪目的，这些技术采用非压电材料，因此仅应用于低频领域，并且不能实现声波导功能。
随着微纳米尺寸加工工艺的发展和成熟，声子晶体的应用不再局限于宏观尺寸的低频率段，而同样可应用在MHz/GHz的射频频段。2010年IEEE.UFFC:pp.30-37文章《A SAW resonator with two-dimensionalreflectors》提到一种新型的二维反射结构声表面波谐振器。该结构中的二维金属点阵仅将声表面波能量束缚于谐振器内，提高谐振器的谐振Q值，从而提高了谐振器的性能。该声表面波谐振器可应用于射频段，但只是用点阵完成声表面波能量在x方向和y方向上的限制功能，实现谐振器性能，并不能实现声波导功能。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能够实现射频段声波导功能的二维压电声子晶体射频声波导。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种二维压电声子晶体射频声波导，其特征在于，包括设置在压电基片上的二维金属点阵，所述二维金属点阵的y方向晶格常数与x方向晶格常数成比例，使得x方向上的通带对应于y方向上的阻带。
进一步的，所述二维金属点阵的y方向晶格常数与x方向晶格常数成比例具体为所述y方向晶格常数是x方向晶格常数的1.5～4.5倍。
进一步的，所述二维金属点阵的截面形状为圆形、正方形、椭圆形、矩形。
本实用新型能够使射频段的声表面波在声子晶体中x方向上实现高效传播，在y方向上实现能量有效反射，从而实现射频段声波导功能。
附图说明
图1为常规二维对称声子晶体谐振器结构示意图；
图2为本实用新型实施例的二维压电声子晶体射频声波导结构示意图；
图3为360YX钽酸锂为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图；
图4为Y-Z铌酸锂为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图；
图5为1280YX铌酸锂为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图
图6为ST-X石英为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图
图7为本实用新型实施例的1280YX铌酸锂为压电基片的二维声波调制铝点阵频率响应图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
如图2所示，其为本实用新型实施例的二维压电声子晶体射频声波导结构示意图。
二维压电声子晶体射频声波导包括二维金属点阵1及压电基片2。二维金属点阵1以y方向晶格常数是x方向晶格常数的1.5～4.5倍的形式布局在压电基片2上。其中，二维金属点阵可采用铝、铜、钨或金等金属材料，其横截面形状为圆形、正方形、椭圆形或矩形等。
二维金属点阵1的x方向的通带频率fx，p和阻带频率fx，s由公式（1）和（2）计算得到，
fx，p=Vp/a （1）
fx，s=Vs/a （2）
a为二维金属点阵1的x方向晶格常数，Vp和Vs为二维金属点阵1中不同的通带和阻带对应的声波模式速度，通常有多个值。
同样的，二维金属点阵1的y方向的通带频率fy，p和阻带频率fy，s由公式（3）和（4）计算得到，
fy，p=Vp/b （3）
fy，s=Vs/b （4）
b为二维金属点阵1的y方向晶格常数。
如果x方向晶格常数a与y方向晶格常数b相等即二维对称金属点阵时，则y方向的阻带频率对应的是x方向对应的阻带频率，即fy，s=Vs/b=Vs/a=fx，s，所以x方向和y方向同时反射声表面波能量,不能实现声波导功能。
为了实现声波导功能，则需改变晶格常数a和b，使y方向上的阻带频率对应x方向上的通带。假设a不变、改变b，则x方向的阻带频率和通带频率不变，而y方向的的阻带频率和通带频率会改变。调整b，使得y方向上的阻带频率f’y，s对应x方向上的通带fx，p，所以fx，p=f’y，s=Vs/b。由此可得公式（5），由公式（5）可看出,二维对称金属点阵的y方向阻带频率和x方向通带频率比等于y方向和x方向的晶格常数比。
fy,s/fx,p=（Vs/a）/(Vs/b)=b/a （5）
因此根据二维对称金属点阵的x方向通带频率和y方向阻带频率比调整二维金属点阵1的x方向和y方向晶格常数比就可以实现声表面波在压电声子晶体内x方向高效通过，而在y方向实现能量有效反射，从而实现声波导功能。
但是，不同材料的压电基片2上的二维对称金属点阵1的x方向通带频率和y方向阻带频率比不同，因此调整后的x方向晶格常数与y方向晶格常数比也是不同的。
本实施例中，压电基片2采用钽酸锂、铌酸锂、石英，二维金属点阵1采用金属铝。二维铝点阵厚度都在0.5%λ到10%λ范围，λ为声表面波波长，在该范围内，二维点阵频率响应分布基本保持不变。
具体的，压电基片2采用360YX钽酸锂时，如图3所示，其为360YX钽酸锂为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图。由此可以看出x方向波纹小、相对幅度高的通带频率fx，p分布在0.2附近，y方向阻带频率值fy，s分布在0.3～0.36、0.41、0.65、0.75、0.85、0.9附近，因此根据x方向通带频率和y方向阻带频率比调整后的晶格常数比b/a值范围为1.5～4.5。
压电基片2采用Y-Z铌酸锂时，如图4所示，其为Y-Z铌酸锂为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图。由此可以看出x方向波纹小、相对幅度高的通带频率fx.p分布在0.22附近，y方向的阻带频率值fy，s分布在0.41～0.48、0.58附近，因此根据x方向通带频率和y方向阻带频率比调整后的晶格常数比b/a值范围为1.9～2.6。
压电基片2采用1280YX铌酸锂时，如图5所示，其为1280YX铌酸锂为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图。由此可以看出，x方向波纹小、相对幅度高的通带频率fx，p分布在0.22附近，y方向的阻带频率值fy，s分布在0.38～0.45、0.5、0.55、0.71、0.84、0.9附近，因此根据x方向通带频率和y方向阻带频率比调整后的晶格常数比b/a值范围为1.7～4.1。
压电基片2采用ST-X石英时，如图6所示，其为ST-X石英为压电基片的二维对称铝点阵频率响应图。由此可以看出，x方向波纹小相对幅度高的通带频率fx，p分布在0.2附近，y方向的阻带频率值fy，s分布在0.31、0.39、0.5、0.55附近，因此根据x方向通带频率和y方向阻带频率比调整后的晶格常数比b/a值范围为1.6～2.6。
由以上晶格常数调整比值，可归纳为压电基片2上的二维金属点阵1的y方向晶格常数是x方向晶格常数的1.5～4.5倍。
通过改变压电基片上的二维金属点阵x方向和y方向的晶格常数比，使得x方向通带对应y方向阻带，令声表面波在该二维压电声子晶体内x方向高效通过，而在y方向实现能量有效反射，最终使能量在x方向上传播，从而实现射频声波导功能。
如图7所示，其为1280YX铌酸锂为压电基片的二维声波调制铝点阵频率响应图。本实施例中的二维压电声子晶体射频声波导的压电基片采用1280YX铌酸锂，金属点阵采用铝材料，x方向点阵周期为10微米，y方向点真正周期为18.6微米，即y方向晶格常数是x方向晶格常数的1.86倍，柱状金属铝点阵半径为7微米。由图7可以看出，频率0.21～0.25对于x方向为通带频率，对于y方向为阻带频率，因此声表面波频率在0.21～0.25时，该二维压电声子晶体能够实现声表面波在y方向上能量有效反射，在x方向上高效传播。
本实用新型提供的二维压电声子晶体射频声波导的基片采用压电材料，通过对压电基片上的二维金属点阵x方向和y方向晶格常数比的调节，使射频段的声表面波在声子晶体中x方向上实现传播，在y方向上实现能量反射，从而实现射频段声波导功能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种二维压电声子晶体射频声波导，其特征在于，包括设置在压电基片上的二维金属点阵，所述二维金属点阵的y方向晶格常数与x方向晶格常数成比例，使得x方向上的通带对应于y方向上的阻带。
2.根据权利要求1所述的二维压电声子晶体射频声波导，其特征在于，所述二维金属点阵的y方向晶格常数与x方向晶格常数成比例具体为所述y方向晶格常数是x方向晶格常数的1.5～4.5倍。
3.根据权利要求1所述的二维压电声子晶体射频声波导，其特征在于，所述二维金属点阵的截面形状为圆形、正方形、椭圆形或矩形。
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