[发明专利]一种基于介电体超晶格产生高频超声波的方法

说明书

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声波的方法。

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J.Appl.Phy.(Journal of Applied Physics)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LiNbO₃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Appl.Phy.Lett.(Applied Physics Letters)上发表了“渐变周期声学超晶格的生长与换能器制备(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Appl.Phy.Lett.(Applied Physics Letters)上发表了“使用周期极化法制备的LiTaO₃声学超晶格中的高频谐振(High-frequency resonance in acoustic superlattice ofperiodically poled LiTaO₃)”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，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调制结构设计，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，二维调制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，所述的二维调制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1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：