[发明专利]声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法，声子晶体晶胞结构包括：基板，基板包括基板第一表面及相对设置的基板第二表面，基板包括自所述基板第一表面向基板第二表面延伸且贯穿基板的沟槽，以在基板中构成弹簧部件，且弹簧部件自基板内侧向基板外侧延伸，弹簧部件的自由端位于基板内侧；共振体，共振体位于基板第一表面上，且共振体与弹簧部件的自由端相接触。本发明设计了一种基于弹簧振子的声子晶体晶胞结构，可简化成一个弹簧‑重物系统，利用弹簧部件的振动可增强声子晶体晶胞结构的共振体的谐振能力，可有效调节、改变声子晶体晶胞结构的禁带频率和宽度，从而可扩大声子晶体器件的应用范围。

技术领域

本发明涉及微机电系统、微声学和微机械加工领域，特别是涉及一种声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法。

背景技术

目前，声子晶体已经被应用到很多领域，如用于结构的隔震、降噪以及声学波的控制传输，以提高各类器件的性能以及寿命。通常，因为作用机理的不同，声子晶体可以分为两种类型：布拉格散射声子晶体及局域共振声子晶体。

其中，布拉格散射声子晶体是通过结构的散射、衍射叠加来构成声子晶体所具有的声学禁带，因此利用布拉格散射声子晶体可以设计具有低频声学禁带的声学器件，但该类型的声子晶体几何尺寸大、结构严格周期性，因此基于该结构的声学器件应用范围狭窄。局域共振声子晶体由于是通过其单个结构与声学波的相互作用产生共振来构成声学禁带，因此局域共振声子晶体拥有基本单元(共振体)，可以非严格周期分布，甚至随机分布，设计自由度较高，成为目前声子晶体研究的主要方向，但相同几何尺寸的局域共振晶胞结构的声学禁带频率比布拉格散射晶胞结构的声学禁带频率却高两个数量级。

低频弹性波在科研和生活中有着十分广泛的应用，其中，20Hz以下的次声波拥有极强的穿透力且传输损耗小，可以广泛应用于灾害预警和检查人体疾病，但次声波却和人体自身的本征频率接近，因此会通过共振对人体造成不可逆的损伤；20Hz-20KHz的可闻声作为人耳可识别的声波频段，在日常生活中有最广泛的应用；20KHz-1GHz的超声波具有准直性、热效应明显和极强的穿透能力等优点，其应用范围广泛，在诸如医学成像诊断、结石粉碎、超声波杀菌等医学领域、无线通信处理、热电器件等计算机领域和超声波热焊接等工业领域均有有效的应用。

目前，声子晶体对于声波/弹性波的可控频率覆盖从低于20Hz的次声波到高于1GHz超声波的所有频段。根据局域共振声子晶体禁带形成理论，增强共振体的谐振能力是降低其声学禁带的唯一方式。在现有研究中，通常采用增加声子晶体晶胞结构的几何参数的方式增强共振体的谐振能力，但该方法对谐振能力的增强幅度有限，且过大的几何参数使声子晶体器件无法与微机电系统集成。如目前对声子晶体的研究集中在晶格常数在1mm以上的低频(1MHz以下)结构，晶格常数在该量级的声子晶体器件与微机电系统器件存在较大的尺寸差异，无法与微机电系统集成，将降低微机电系统对低频声波的控制能力，而目前微米量级的局域共振声子晶体器件的禁带频率较高，无法下探至次声波和可闻声频段，降低了声子晶体器件的应用范围。

因此，提供一种新型的声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法，以增强声子晶体晶胞结构共振体的谐振能力，降低局域共振声子晶体器件的声学禁带的频率，扩大声子晶体器件的应用范围，实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法，用于解决现有技术中声子晶体晶胞结构共振体的谐振能力低，局域共振声子晶体器件的声学禁带的频率高，限制了声子晶体器件的应用范围的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声子晶体晶胞结构，所述声子晶体晶胞结构包括：

基板，所述基板包括基板第一表面及相对设置的基板第二表面，其中，所述基板包括自所述基板第一表面向所述基板第二表面延伸且贯穿所述基板的沟槽，以在所述基板中构成所述声子晶体晶胞结构的弹簧部件，且所述弹簧部件自所述基板内侧向所述基板外侧延伸，所述弹簧部件的自由端位于所述基板内侧；