一种基于压电超晶格的场可调的声开关及其制作方法

本发明涉及电学领域，特别是涉及一种基于压电超晶格的场可调的声开关及其制作方法。

背景技术：

1、现有的设计可调声开关的方法有2类。一种方法是通过改变一维声子晶体中[1]组元的相调节声子带隙，实现可调的声光开关。他们考虑的是一个一维声子晶体如图1所示。

2、它由层状的铅，石蜡和冰三类材料组成一个周期，沿x方向重复排列，构成一个声开关。声开关的形成是由于此结构中存在声子带隙。声子带隙是由于声波在布里渊区边界发生强烈的布拉格散射而形成的。当声波频率落入声子带隙，声波将发生全反射，不能通过此结构。一个周期的长度为60mm，铅、石蜡和冰的占比均为1/3。图2a-图2c分别表示组元为铅/石蜡/冰，铅/石蜡/水，铅/液化凡士林/水声子晶体的能带结构。

3、当一维声子晶体中的冰转变为水，3.7×104hz附近存在的通带将转变为禁带。因而一维声子晶体可以通过改变组元的相实现声子带隙的调节，即可以设计一个带隙可调的声开关。

4、第二类声开关是由具有固定支撑的周期性拱梁组成的一维弹性声子晶体[2]，且在拱顶施加外力所构成。在他们的设计中，l＝0.09m,α＝30°，施加一垂直力f当弹性波在此周期结构中传播，由于在布里渊区边界发生强烈的布拉格反射而打开声子带隙，形成声子能带结构。通过施加外力使铁木辛科拱梁单元发生形变，从而改变声子能带结构。通过改变拱梁的有效载荷，声子带隙能够被调节。如图3a-3c，在拱梁发生形变情况，声子带隙先关闭，然后又重新打开。因此，一维弹性晶体的声子能带结构可以使用几何非线性效应调谐。但是现有的关于声开关的设计存在难以控制的问题，具体如下：

5、(1)前面的提到的声开关是由铅/石蜡/冰作为一个单胞，沿某一方向周期性排列而成的一维声子晶体。声波在此结构中传播受弹性系数和密度的周期性调制形成声子带隙。当石蜡转化为液相凡士林或者冰转化为水时，声子带隙被打开或者关闭。此声开关是通过改变组元的相来调节声子带隙。但是，一旦石蜡转化为液相凡士林或者冰转化为水，凡士林或水将扩散，使此声子晶体不复存在，因此此可调声开关的设计存在难以控制的问题。

6、(2)现有的声开关是通过改变组元的物相，或者对一维弹性声子晶体的拱顶施加外力，实现对声子带隙的调制。一旦声子晶体组元相变发生，或者弹性晶体的铁木辛科拱梁单元发生形变，声子带隙的改变才能出现。声开关中声子带隙的调制只能针对某些频率。因此，现有声开关中声子带隙的调制是不连续的，且不可逆的。

7、(3)现有的声开关的工作频率处在104hz，并不能调制ghz频率。

8、(4)现有的声开关的单胞周期为厘米量级，为了得到稳定的声子带隙，必须要104个单胞。这将导致声开关体积大，不利于集成。

9、名词解释：

10、pzt：锆钛酸铅。

11、pzt的x轴、y轴、z轴：x轴即所在方向为pzt薄膜的排列方向，这样排列能够使压电效应最显著。z轴即所在方向为pzt的极化方向及外电直流电场的方向。y轴方向是pzt薄膜尺寸受限制的方向。

12、[1]z.g.bian and x.l.zhou,study on phononic crystals with finitestate

13、band gaps,mech.adv.mater.struc.28(13)(2019)1322-1327.

14、[2]b.h.nguyen,x.zhuang,h.s.park and t.rabczuk,topologically

15、switchable behavior induced by an elastic instability in a phononic

16、waveguide,j.appl.phys.127(2020)245109.

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于压电超晶格的场可调的声开关。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种基于压电超晶格的场可调的声开关，包括若干锆钛酸铅薄膜，所述锆钛酸铅薄膜通过绝缘黏贴物沿锆钛酸铅薄膜的x轴方向依次黏贴固定在一起形成压电超晶格；锆钛酸铅薄膜均沿z轴方向进行极化，且相邻锆钛酸铅薄膜的极化方向相反，所述压电超晶格沿锆钛酸铅薄膜的z轴方向布设有直流外加电场从而形成声开关，通过控制直流外加电场的大小，控制沿锆钛酸铅薄膜的x轴入射的声波的禁带和通带。

4、进一步的改进，所述直流外加电场通过电场控制电路施加，电场控制电路包括电源，电源的一极依次通过可调式电阻分压器和控制开关电连接有压电超晶格沿z轴方向一端的所有锆钛酸铅薄膜，电源的另一极电连接有压电超晶格沿z轴方向另一端的所有锆钛酸铅薄膜。

5、进一步的改进，所述锆钛酸铅薄膜沿x轴方向的厚度为1.38μm-1.364cm。

6、进一步的改进，压电超晶格包括1000-65536个锆钛酸铅薄膜。

7、进一步的改进，所述绝缘黏贴物为绝缘凝胶；当直流外加电场由0增加到1.342×106v/m，靠布里渊区中心的第一禁带带宽由0.003ghz扩展到0.9ghz，第二禁带带宽由0.002ghz扩展到0.86ghz。

8、一种基于压电超晶格的场可调的声开关的制作方法，包括如下步骤：

9、步骤一、使用晶体离子切片技术，制作厚度为1.38μm的锆钛酸铅薄膜，将锆钛酸铅薄膜沿x轴方向使用凝胶的方法粘结在一起，重复多次，直至1000个周期；

10、步骤二、将1000个锆钛酸铅薄膜组成的结构，放在恒温箱中直至成为一个整体形成压电超晶格；

11、步骤三、使用交流电场将压电超晶格中的锆钛酸铅薄膜周期性极化，每个锆钛酸铅薄膜作为一个畴，并使相邻畴具有相反的极化；

12、步骤四、压电超晶格的z轴方向布设直流外加电场，形成声开关，通过控制直流外加电场的大小，控制沿锆钛酸铅薄膜的x轴入射的声波的禁带和通带。

13、本发明的有益效果在于：

14、和现有的主要工作频段为1khz的声开关主要的方案相比较，本发明所提出的基于压电超晶格的声开关可以控制10ghz声波，且外加直流电场对禁带的调节是连续的、可逆的，且禁带调节范围可达0.9ghz。当入射声波频率在禁带，声波将不能通过此结构；当声波频率在通带，声波可以通过此结构。现有的声开关能调制的频率在1khz，它们的调制手段是利用固液之间的相变，或者施加外力使拱梁发生形变。这些调制方式存在调制时间较慢，且很难连续性调节禁带宽度。

技术特征：

1.一种基于压电超晶格的场可调的声开关，其特征在于，包括若干锆钛酸铅薄膜，所述锆钛酸铅薄膜通过绝缘黏贴物沿锆钛酸铅薄膜的x轴方向依次黏贴固定在一起形成压电超晶格；锆钛酸铅薄膜均沿z轴方向进行极化，且相邻锆钛酸铅薄膜的极化方向相反，所述压电超晶格沿锆钛酸铅薄膜的z轴方向布设有直流外加电场从而形成声开关，通过控制直流外加电场的大小，控制沿锆钛酸铅薄膜的x轴入射的声波的禁带和通带。

2.如权利要求1所述的基于压电超晶格的场可调的声开关，其特征在于，所述直流外加电场通过电场控制电路施加，电场控制电路包括电源，电源的一极依次通过可调式电阻分压器和控制开关电连接有压电超晶格沿z轴方向一端的所有锆钛酸铅薄膜，电源的另一极电连接有压电超晶格沿z轴方向另一端的所有锆钛酸铅薄膜。

3.如权利要求1所述的基于压电超晶格的场可调的声开关，其特征在于，所述锆钛酸铅薄膜沿x轴方向的厚度为1.38μm-1.364cm。

4.如权利要求1所述的基于压电超晶格的场可调的声开关，其特征在于，压电超晶格包括1000-65536个锆钛酸铅薄膜。

5.权利要求1所述的基于压电超晶格的场可调的声开关，其特征在于，所述绝缘黏贴物为绝缘凝胶；当直流外加电场由0增加到1.342×106v/m，靠布里渊区中心的第一禁带带宽由0.003ghz扩展到0.9ghz，第二禁带带宽由0.002ghz扩展到0.86ghz。

6.一种基于压电超晶格的场可调的声开关的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于压电超晶格的场可调的声开关及其制作方法，包括若干锆钛酸铅薄膜，所述锆钛酸铅薄膜通过绝缘黏贴物沿锆钛酸铅薄膜的X轴方向依次黏贴固定在一起形成压电超晶格；锆钛酸铅薄膜均沿Z轴方向进行极化，且相邻锆钛酸铅薄膜的极化方向相反，所述压电超晶格沿锆钛酸铅薄膜的Z轴方向布设有直流外加电场从而形成声开关，通过控制直流外加电场的大小，控制沿锆钛酸铅薄膜的X轴入射的声波的禁带和通带。本发明所提出的基于压电超晶格的声开关可以控制10GHz声波，且外加直流电场对禁带的调节是连续的、可逆的，且禁带调节范围可达0.9GHz。

技术研发人员：唐政华,郑莹美,何姜,罗阳炫
受保护的技术使用者：湘南学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12