[发明专利]一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法

摘要

本发明公开了一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法，包括以下步骤：一、不同尺度的微纳声学器件的制作；二、不同尺度的微纳声学器件的参数测试；三、不同尺度的微纳声学器件宏观声学理论计算值的获取及参数相对误差获取；四、宏观声学理论失效判断及微观分子动力学理论对纳米尺度声学器件参数计算。本发明步骤简单，在4nm～4000nm的宽尺度范围内研究纳米声学效应，并对制作的不同尺度的微纳声学器件的参数进行测试，获取宏观声学理论失效时微纳声学器件所对应的失效波长阈值，且将在4nm～失效波长阈值范围内，采用基于分子动力学理论获取纳米尺度声学器件的参数，便于高频化和集成化纳米尺度声学器件设计。

主权项

1.一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、不同尺度的微纳声学器件的制作，具体过程如下：步骤101、设定声表面波波长的取值范围为(40nm～4000nm]，制作各个声表面波波长所对应的叉指电极激励的声学器件，所述叉指电极激励的声学器件包括压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件和压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件，设定第r个叉指电极激励的声学器件所对应的声表面波波长为λ_r，r为正整数，且1≤r≤N_s，N_s表示叉指电极激励的声学器件的总数，则对第r个叉指电极激励的声学器件进行制作时，具体制作过程如下：步骤A、叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A1、压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A11、选择半导体基底(11)，放置在真空度为10^‑4Pa的真空腔内，采用磁控溅射法在所述半导体基底(11)上生长第一导波缓冲层(12)；之后，采用磁控溅射法在所述第一导波缓冲层(12)上生长压电薄膜层(14)；其中，所述半导体基底(11)的材质为Si、Ge、GaN或者GaAs，第一导波缓冲层(12)的材质为金刚石、SiO₂、Si₃N₄或者SiC，所述压电薄膜层(14)的材质为ZnO、AlN、Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃、CdS、LiNbO₃、PbTiO₃或者PMnN‑PZT，半导体基底(11)的厚度大于100μm，采用磁控溅射法时生长温度为400℃～600℃，压电薄膜层(14)的厚度设计值h_s＝0.5λ_r，第一导波缓冲层(12)的厚度设计值为0.5λ_r，采用磁控溅射法时靶基距的取值范围为12cm～17cm；步骤A12、对生长的压电薄膜层(14)进行分析判断，直至生长的压电薄膜层(14)合格；步骤A13、采用热蒸发镀膜方法在生长合格的压电薄膜层(14)上生长金属电极薄膜层；之后，对金属电极薄膜层进行光刻处理或者电子束直写处理，得到两组叉指电极(13)，形成待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件；其中，所述叉指电极(13)的材质为Al、Pt、Au或者Mo，叉指电极(13)的对数为30对，两组叉指电极(13)沿压电薄膜层(14)表面长度方向的中心对称布设，所述金属电极薄膜层的厚度和叉指电极(13)的厚度均为0.25λ_r，叉指电极(13)的宽度为0.25λ_r，待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的声传播距离d_y为10λ_r，且薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的声传播距离区域没有生长压电薄膜层(14)；当叉指电极(13)的宽度大于等于150nm时，对金属电极薄膜层进行光刻处理；当叉指电极(13)的宽度小于150nm时，对金属电极薄膜层进行电子束直写处理，得到两组叉指电极(13)；步骤A14、采用引线键合设备对步骤A13中得到的待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件进行封装，得到压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件；步骤A2、压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A21、选择压电单晶基底(15)；其中，压电单晶基底(15)的厚度大于100μm，压电单晶基底(15)的材料为石英、LiNbO₃、LiTaO₃、Li₂B₄O₇或者La₃Ga₅SiO₁₄；步骤A22、按照步骤A13所述的方法，在压电单晶基底(15)上形成两组叉指电极(13)，并采用步骤A11中所述磁控溅射法在所述压电单晶基底(15)上生长第二导波缓冲层(16)，形成待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件；其中，叉指电极(13)的对数为30对，两组叉指电极(13)沿压电单晶基底(15)表面长度方向的中心对称布设；所述第二导波缓冲层(16)位于待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的声传播距离区域；步骤A23、采用引线键合设备对步骤A22中得到的待封装压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件进行封装，得到压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件；步骤B、多次重复步骤A，制作不同尺度的叉指电极激励的声学器件；其中，所述第r个叉指电极激励的声学器件具有四个引脚分别为输入引脚、第一接地引脚、输出引脚和第二接地引脚，r是将各个叉指电极激励的声学器件按照所对应的声表面波波长从大到小的顺序进行排序获取的序号；步骤102、设定声表面波波长的取值范围为[4nm～40nm]，制作各个声表面波波长所对应的分子束激励的声学器件，所述分子束激励的声学器件包括压电薄膜结构的分子束激励的声学器件和压电单晶基底的分子束激励的声学器件；设定第r′个分子束激励的声学器件所对应的声表面波波长为λ″_r，r′为正整数，且N_s+1≤r′≤N″_s，N″_s表示叉指电极激励的声学器件和分子束激励的声学器件的总数，N″_s‑N_s+1表示分子束激励的声学器件的总数，则对第r′个分子束激励的声学器件进行制作时，具体制作过程如下：步骤A01、分子束激励的声学器件的制作：步骤A011、压电薄膜结构的分子束激励的声学器件的制作：按照步骤A11至步骤A13所述的方法，制作压电薄膜结构的分子束激励的声学器件；其中，压电薄膜结构的分子束激励的声学器件中未包含叉指电极(13)；步骤A012、压电单晶基底的分子束激励的声学器件的制作：按照步骤A21至步骤A22所述的方法，制作压电单晶基底的分子束激励的声学器件；其中，压电单晶基底的分子束激励的声学器件中未包含叉指电极(13)；步骤B01、多次重复步骤A01，制作不同尺度的分子束激励的声学器件；其中，r′是将各个分子束激励的声学器件按照所对应的声表面波波长从大到小的顺序进行排序获取的序号；步骤二、不同尺度的微纳声学器件的参数测试：步骤201、采用矢量网络分析仪对第r个叉指电极激励的声学器件的参数进行测试，获取第r个叉指电极激励的声学器件的中心频率测量值F_r、第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗测量值S_r和第r个叉指电极激励的声学器件的带宽测量值K_r；步骤202、采用太赫兹时域光谱分析仪对第r′个分子束激励的声学器件的参数进行测试，获取第r′个分子束激励的声学器件的中心频率测量值F_r′、第r′个分子束激励的声学器件的插入损耗测量值S_r′和第r′个分子束激励的声学器件的带宽测量值K_r′；步骤三、不同尺度的微纳声学器件宏观声学理论计算值的获取及参数相对误差获取：步骤301、在叉指电极激励的声学器件中叉指电极与压电介质处边界条件为应力连续和电势连续，且在叉指电极激励的声学器件中叉指电极与压电介质处所在平面的法线方向电位移不连续条件下，采用基于压电介质的耦合波动方程的有限元‑边界元法，获取第r个叉指电极激励的声学器件的COM参数；计算机调取COM模型，并输入第r个叉指电极激励的声学器件的COM参数，根据COM模型得到第r个叉指电极激励的声学器件的输出端短路时第r个叉指电极激励的声学器件的输入导纳Y₁₁、第r个叉指电极激励的声学器件的输入端短路时第r个叉指电极激励的声学器件的输出导纳Y₂₂、第r个叉指电极激励的声学器件的输入端短路时第r个叉指电极激励的声学器件的输出端到第r个叉指电极激励的声学器件的输入端的转移导纳Y₁₂；步骤302、根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的正向传输系数S₂₁；其中，Z₁表示第r个叉指电极激励的声学器件的输入端阻抗匹配，Z₂表示第r个叉指电极激励的声学器件的输出端阻抗匹配，且Z₁＝Z₂＝50,R₁表示第r个叉指电极激励的声学器件的输入端阻抗实部，R₂表示第r个叉指电极激励的声学器件的输出端阻抗实部，且R₁＝R₂＝50；步骤303、根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值步骤304、采用计算机给第r个叉指电极激励的声学器件的输入引脚施加变频正弦波激励信号，变频正弦波激励信号的频率范围为0.7F_g,r～1.3F_g,r，变频正弦波激励信号从频率为0.7F_g,r以步进f_bj至1.3F_g,r扫频，并多次重复步骤301至步骤303，获取不同频率正弦波激励信号下的第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值其中，变频正弦波激励信号的幅值范围为1伏～5伏，步进f_bj的取值为100kHz；步骤305、采用计算机将不同频率正弦波激励信号下的第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值进行拟合，得到以频率为横坐标，以插入损耗为纵坐标的第r个叉指电极激励的声学器件的频率损耗计算曲线；步骤306、采用计算机将第r个叉指电极激励的声学器件的频率损耗计算曲线中最大峰值对应的频率作为第r个叉指电极激励的声学器件的中心频率计算值并记作第r个叉指电极激励的声学器件的频率损耗计算曲线中最大峰值对应的插入损耗为第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值所对应的两个频率之差的绝对值为第r个叉指电极激励的声学器件的带宽计算值步骤307、根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的中心频率相对误差ΔF_r，根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的带宽相对误差ΔK_r，根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗相对误差ΔC_r；步骤308、在第r′个分子束激励的声学器件上添加叉指电极(13)，得到第r′个等效的叉指电极激励的声学器件；其中，第r′个等效的叉指电极激励的声学器件与叉指电极激励的声学器件的结构相同；重复步骤301至步骤307，获取与第r′个等效的叉指电极激励的声学器件的中心频率相对误差、带宽相对误差和插入损耗相对误差；步骤309、将N_s个叉指电极激励的声学器件和N″_s‑N_s+1个等效的叉指电极激励的声学器件称作微纳声学器件，获取微纳声学器件的中心频率相对误差、带宽相对误差和插入损耗相对误差；其中，r″为正整数，1≤r″≤N″_s，r″是将各个微纳声学器件按照所对应的声表面波波长从大到小的顺序进行排序获取的序号；步骤四、宏观声学理论失效判断及微观分子动力学理论对纳米尺度声学器件参数计算：采用计算机将微纳声学器件所对应的声表面波波长为横坐标，以中心频率相对误差绝对值为纵坐标，获取声表面波波长与频率相对误差曲线图；采用计算机判断当|ΔF_r″|＜|ΔF_r″+1|＜|ΔF_r″+2|＜|ΔF_r″+3|＜|ΔF_r″+4|，且3％＜|ΔF_r″|＜|ΔF_r″+1|＜|ΔF_r″+2|＜|ΔF_r″+3|＜|ΔF_r″+4|成立时，则中心频率相对误差绝对值|ΔF_r″|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时微纳声学器件对应的失效波长阈值λ_sy；其中，|ΔF_r″+1|表示第r″+1个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，|ΔF_r″+2|表示第r″+2个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，|ΔF_r″+3|表示第r″+3个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，|ΔF_r″+4|表示第r″+4个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，r″+1、r″+2、r″+3和r″+4均为正整数，且r″+1、r″+2、r″+3和r″+4的取值均在1～N″_s范围内；或者采用计算机将微纳声学器件所对应的声表面波波长作为横坐标，以带宽相对误差绝对值为纵坐标，获取声表面波波长与带宽相对误差曲线图；采用计算机判断当|ΔK_r″|＜|ΔK_r″+1|＜|ΔK_r″+2|＜|ΔK_r″+3|＜|ΔK_r″+4|，且3％＜|ΔK_r″|＜|ΔK_r″+1|＜|ΔK_r″+2|＜|ΔK_r″+3|＜|ΔK_r″+4|成立时，则带宽相对误差绝对值|ΔK_r″|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时微纳声学器件对应的失效波长阈值λ_sy；其中，|ΔK_r″+1|表示第r″+1个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值，|ΔK_r″+2|表示第r″+2个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值，|ΔK_r″+3|表示第r″+3个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值，|ΔK_r″+4|表示第r″+4个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值；或者采用计算机将微纳声学器件所对应的声表面波波长作为横坐标，以插入损耗相对误差绝对值为纵坐标，获取声表面波波长与插入损耗相对误差绝对值曲线图；采用计算机判断当|ΔC_r″|＜|ΔC_r″+1|＜|ΔC_r″+2|＜|ΔC_r″+3|＜|ΔC_r″+4|，且3％＜|ΔC_r″|＜|ΔC_r″+1|＜|ΔC_r″+2|＜|ΔC_r″+3|＜|ΔC_r″+4|成立时，则插入损耗相对误差绝对值|ΔC_r″|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时微纳声学器件对应的失效波长阈值λ_sy；其中，|ΔC_r″+1|表示第r″+1个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值，|ΔC_r″+2|表示第r″+2个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值，|ΔC_r″+3|表示第r″+3个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值，|ΔC_r″+4|表示第r″+4个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值；之后，将声表面波波长的取值在4nm～λ_sy范围的微纳声学器件称为纳米尺度声学器件，则采用基于分子动力学理论获取纳米尺度声学器件的参数。