专利名称：一种基于介电体超晶格产生高频超声波的方法
技术领域：
本发明涉及一种产生高频超声波的方法，特别是涉及一种基于介电体超晶格产生高频超唐波的方法。.
背景技术：
1992年8月，南京大学固体微结构实验室朱永远、闵乃本等人在/*力pp丄(/ow/77a7 /bA^'ed上发表了 "声学超晶格中的超声激发与传输(Ultrasonic excitation and propagation in an acoustic superlattice)"的文章，报导了一维定周期结构LiNb03超晶格中的各种超声激发与传输模式，并研究了各种模式下的阻抗特性和机电耦合系数。当时的超晶格制备方法为偏心旋转提拉法，所制备周期为定周期，范围自7微米至14微米。
1993年8月，闵乃本、陈延峰等人申请了 "声学超晶格材料的制备和超高频声学器件"的专利(专利号94111519. 4)，报导了声学超晶格作为一种新型优质的超声声源在电声换能方面的应用。此项专利也是本申请的研究基础。
1995 年 1 月，程士德、朱永远等人在 J; p7.尸/ , Ze"."ppW^/户Arw'cs Ze"ers)上发表了 "渐变周期声学超晶格的生长与换能器帝!j备(Growth and transducer properties of an acoustic superlattice withits periods varying gradually)"(专利号94101603. x)的文章，采用偏心旋转提拉法制备了一维渐变周期声学超晶格，研究了通过调整一维周期结构参数以获得高频宽带的超声激发，并以此超晶格制作了体声波换能器，获得了250MHz-850MHz宽带频率响应的单向传播超声波。
1997年2月，陈延峰、祝世宁等人在^p丄尸/^.Ze".(yfep〃ec/Ze"ers)上发表了 "使用周期极化法制备的LiTa03声学超晶格中的高步页谐振(High-frequency resonance in acoustic superlattice ofperiodically poled LiTa03)"的文章，报导了使用室温极化方法制备一维声学超晶格，改进了原有声学超晶格制备方法，并获得了 450MHz-700MHz的单向超声输出。
综上所述，现有声学超晶格制备，均为一维结构调制，不涉及二维。由于倒格矢方向决定了声波传输方向，故一维超晶格虽然能同时激发多个频率或者实现宽频的超声波，但不同频率的超声波为同时同向传播A不能有效分离。而在二维超晶格中，不仅能方便地控制超声波频率、传播方向，声波模式。且各频率和传播方向的超声波均可独立使用。
发明内容
发明目的本发明针对现有技术的不足，利用介电体超晶格二维周期结构设计，在一块声学超晶格中同时引入多组倒格矢参与超声谐振，产生与各倒格矢对应的不同频率，不同传输方向及不同模式的超声波。尤其是一阶倒格矢具有较强的谐振响应，能在超晶格中激发出较大功率的超声波。技术方案本发明是按照下述方法实现的
一种基于介电体超晶格产生高频超声波的方法，利用一块二维调制(平面内同时沿两个坐标轴进行周期，可构成斜方、四方、菱形、六角或其他二维变周期图形)结构的超晶格作为电声体波换能介质，二维周期结构参数决定了倒格矢的取值和方向，而倒格矢决定了超声波的频率和传播方向，通过对二维结构参数的设计和调节，设计相应结构提供多种规格倒格矢，来匹配各种声波矢的激发和传播，在交变电场中实现高频下的多向多频多模式超声输出。
优选地，所述的二维周期结构超晶格采用室温外电场选区极化法制成，在平面内控制正畴或者负畴排列，构成四方点阵。
优选地，所述的电体超晶格用压电晶体材料制备，将压电晶体制成两个或两
个以上的基本单元，每一单元由正负畴组合成二维柱状方阵，在X-y面内表现为
点阵结构。
现以四方周期超晶格为例说明这种二维调制结构超晶格的设置过程。基本思路是引入多个不同方向和大小的倒格矢，进而激发出不同传播方向、频率和模式的超声波。使用光刻及室温极化法，在平面内控制正(负)畴排列，构成四方点阵，即能获得多阶倒格矢，由图l我们看到，通过控制四方形边长a即可确定倒格矢，(也可加入其他调制参数如角度变化等)其形式为，用^, 表示这种二维结构的主要倒格矢,
<formula>formula see original document page 4</formula>m，n为整数，代表了倒格矢阶数及取向。
0代表超声波圆频率，f为晶体中的声速，则任一阶倒格矢满足的声波矢匹配条件为
Of
同时 <y = d-i
由上可以得到四方结构各阶倒格矢所产生的超声波频率
根据对称性及谐振强度，我们以具备此二维结构的z切LiTa03晶体为例， 在x-y面内选取了两个低阶倒格矢参与的超声激发为主进行说明，分别为
"。,G。,，获得的各超声波频率和传播方向下表所示
倒格矢方向激发电场方向模式声速Cm/s)频率(MHz)
X (G±1,0)XSI4160530
S23300412
YL5650741
Z5650741
Y (G0,±1)XS3645493
YQi5708743
Qs3829477
ZQi5708743
Qs3829477
在具体的设置中，我们灵活选择各倒格矢来满足需要。因为交变电场的不同 加场方式，对应于不同谐振模式，且各模式对应不同的机电耦合系数，即影响超 声波的功率和换能效率。故激发电场方向最好为实际所需的超声输出方向，以保 证较大的超声功率及电声换能效率。
这种二维结构声学超晶格可用各种压电晶体材料，如LiNb03、 LiTa03、 KH2P04、 PZT、 BNN等，通过光刻及室温极化法来制备。
有益效果本发明用声学超晶格代替单畴化压电单晶片，用二维超晶格代替 一维超晶格作为体声波换能介质，同时实现多频多向多模式超声激发，结构简单、 输出功率达到一定的水平，可以进行优化以适用于多种场合，利用声学超晶格实现高频和超高频体波电声换能，具有制备简易、阻抗易匹配等优点。本发明不仅
可在高频段方便地实现多频多向超声输出，且声波传播方向的不同使各频率超声
波可独立使用。
图1是以z切LiTa03晶体制备的四方声学超晶格示意图。样品经光刻、室温 极化法制备，并用HF酸腐蚀30分钟后在显微镜下观察得到的x-y面形貌图。图 中黑色圆点部分为负畴区域，其余为正畴区域。
图2为样品在x向交变电场下的频率-反射系数图，(1)对应沿(0， 1， 0)、 (0， -1， 0)等方向激发的超声波，频率为477GMHz， (2)对应沿(1， 0， 0)、 (-1， 0， 0)等方向激发的超声波，频率为530MHz。
图3为样品在y向交变电场下的频率-反射系数图，(1)对应沿(0， 1， 0)、 (0， -1， 0)、等方向激发的超声波，频率为493MHz， (2)对应沿(0, 1， 0)、 (0， -1， 0)等方向激发的超声波，频率为743MHz。
图4为样品在z向交变电场下的频率-反射系数图，(l)对应沿(l， 0， 0)、 (-1， 0， 0)方向激发的超声波，频率为530MHz， (2)对应沿(0, 1， 0)、 (0, -1， 0)方向激.发的超声波，频率为743MHz。
具体实施例方式
实施实例1:
使用四方结构声学超晶格制作电声换能介质(以z向切割LiTa03为例)。在 晶体上、下x-y面通过涂覆、蒸镀或离子溅射法，分别制备一层均匀的金或银电 极。接入网络分析仪，测量样品在z向交变电场下的反射系数(此系数与谐振频 率有关)，按照说明书附图4，得到一系列反射峰，每个峰的出现对应一种规格 的倒格矢，反射强度可代表谐振强度，频率即为所激励超声波的频率。 实施实例2:
使用四方结构声学超晶格制作电声换能介质(以z向切割LiTa03为例)。与 实例l不同的是，在晶体两个相对的y-z面分别通过涂覆、蒸镀或离子溅射法， 制备一层均匀的金或银电极。接入网络分析仪，测量样品在x向交变电场下的反 射系数(此系数与谐振频率有关)，按照说明书附图2，可以观察到x向倒格矢 参与激励的超声波在x向电场下强度最大。实施实例3:
使用四方结构声学超晶格制作电声换能介质(以z向切割LiTa03为例)。与 实例l、 2均不同的是，在晶体两个相对的x-z面分别通过涂覆、蒸镀或离子溅 射法，制备一层均匀的金或银电极。接入网络分析仪，观懂样品在y向交变电场 下的反射系数(此系数与谐振频率有关)，按照说明书附图3，可以观察到y向 倒格矢参与激励的超声波在y向交变电场下强度最大。
权利要求
1、一种基于介电体超晶格产生高频超声波的方法，其特征在于，本方法是通过利用一块二维调制结构的超晶格作为电声体波换能介质，通过对二维结构参数的设计和调节，提供不同规格倒格矢来匹配各种声波矢的激发和传播，在交变电场中实现高频下的多向多频多模式超声波输出。
2、 根据权利要求1所述的一种基于介电体超晶格产生高频超声波的方法， 其特征在于所述的二维周期结构超晶格采用室温外电场选区极化法制成，在平面 内控制正畴或者负畴排列，构成四方点阵。
3、 根据权利要求1所述的一种基于介电体超晶格产生高频超声声波的方法，其特征是所述的介电体超晶格用压电畴晶体材料制备，将压电畴晶体制成两个或 两个以上的基本单元，每一单元由正负畴组合成二维柱状方阵，在x-y面内表现 为点阵结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于介电体超晶格产生高频超声波的方法，属于电声换能领域。这种超晶格以压电晶体为基质，通过一种二维调制结构的设置，同时提供多个倒格矢，能够在交变电场中实现高频下的多向多频多模式超声输出，各频率超声波又具有不同的传播方向，可独立使用。本发明所产生的高频超声波其频率、传播方向以及声波的模式都可通过二维结构的周期对称性进行设计调制，具备简易、高效、集成优点。
文档编号B06B1/02GK101521007SQ20091002998
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者程 何, 卢明辉, 尹若成, 朱永元, 祝世宁, 闵乃本, 陆延青, 陈延峰 申请人:南京大学