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原文传递一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法

专利名称：	一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法
摘要：	本发明公开了一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法，包括以下步骤：一、不同尺度延迟线型声表面波器件的获取；二、不同尺度延迟线型声表面波器件的参数测试；三、不同尺度延迟线型声表面波器件宏观声学理论计算值的获取及参数误差获取；四、宏观声学理论失效判断以及失效阈值确定。本发明步骤简单，设计合理且实现方便，通过对不同尺度延迟线型声表面波器件的参数测量值与不同尺度延迟线型声表面波器件的参数的宏观声学理论计算值分析，获取宏观声学理论失效时延迟线型声表面波器件对应的失效波长阈值，可有力推动声学器件纳米声学效应的研究。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安科技大学
发明人：	张涛;柯贤桐;朱寒;曹晓闯;吴利娜;张晶园
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910119562.0
公开号：	CN109883983A
代理机构：	西安创知专利事务所
代理人：	谭文琰
分类号：	G01N21/3586(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔中路58号
主权项：	1.一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、不同尺度延迟线型声表面波器件的获取：获取不同尺度延迟线型声表面波器件，将各个延迟线型声表面波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；其中，第r个延迟线型声表面波器件所对应的声表面波波长为λr，r为正整数，且1≤r≤Ns，所述第r个延迟线型声表面波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，Ns表示延迟线型声表面波器件的总数；步骤二、不同尺度延迟线型声表面波器件的参数测试：对多个延迟线型声表面波器件参数进行测试的方法均相同，其中，对第r个延迟线型声表面波器件的参数进行测试，具体过程如下：步骤201、根据公式Fg,r＝λr×Vy,r，得到第r个延迟线型声表面波器件的中心频率预估值Fg,r；根据公式得到第r个延迟线型声表面波器件的带宽预估值Kg,r；其中，Vy,r表示延迟线型声表面波器件相速度预估值，Vy,r的取值范围为1000m/s～10000m/s，Nc表示第r个延迟线型声表面波器件中叉指电极的对数；步骤202、判断第r个延迟线型声表面波器件的中心频率预估值Fg,r≤200GHz是否成立，当Fg,r≤200GHz时，执行步骤203；当Fg,r＞200GHz时，执行步骤204；步骤203、采用矢量网络分析仪对第r个延迟线型声表面波器件的参数进行测试，获取第r个延迟线型声表面波器件的中心频率测量值Fr、第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗测量值Sr和第r个延迟线型声表面波器件的带宽测量值Kr；步骤204、采用太赫兹时域光谱分析仪对第r个延迟线型声表面波器件的参数进行测试，获取第r个延迟线型声表面波器件的中心频率测量值Fr、第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗测量值Sr和第r个延迟线型声表面波器件的带宽测量值Kr；步骤三、不同尺度延迟线型声表面波器件宏观声学理论计算值的获取及参数误差获取：步骤301、在延迟线型声表面波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，且延迟线型声表面波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个延迟线型声表面波器件的COM参数；计算机调取COM模型，并输入第r个延迟线型声表面波器件的COM参数，根据COM模型得到第r个延迟线型声表面波器件的输出端短路时第r个延迟线型声表面波器件的输入导纳Y11、第r个延迟线型声表面波器件的输入端短路时第r个延迟线型声表面波器件的输出导纳Y22、第r个延迟线型声表面波器件的输入端短路时第r个延迟线型声表面波器件的输出端到第r个延迟线型声表面波器件的输入端的转移导纳Y12；步骤302、根据公式得到第r个延迟线型声表面波器件的正向传输系数S21；其中，Z1表示第r个延迟线型声表面波器件的输入端阻抗匹配，Z2表示第r个延迟线型声表面波器件的输出端阻抗匹配，且Z1＝Z2＝50,R1表示第r个延迟线型声表面波器件的输入端阻抗实部，R2表示第r个延迟线型声表面波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个延迟线型声表面波器件的插入损耗宏观计算值步骤304、采用计算机给第r个延迟线型声表面波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0.7Fg,r～1.3Fg,r，变频正弦波激励信号从频率为0.7Fg,r以步进fbj至1.3Fg,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个延迟线型声表面波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fbj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个延迟线型声表面波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个延迟线型声表面波器件的频率损耗计算曲线；步骤306、采用计算机将第r个延迟线型声表面波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个延迟线型声表面波器件的中心频率计算值并记作第r个延迟线型声表面波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个延迟线型声表面波器件的插入损耗计算值第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗计算值所对应的两个频率之差的绝对值为第r个延迟线型声表面波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ΔFr，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ΔKr，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ΔCr；步骤四、宏观声学理论失效判断以及失效阈值确定：采用计算机将延迟线型声表面波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误差曲线图；采用计算机判断当\|ΔFr\|＜\|ΔFr+1\|＜\|ΔFr+2\|＜\|ΔFr+3\|＜\|ΔFr+4\|，且3％＜\|ΔFr\|＜\|ΔFr+1\|＜\|ΔFr+2\|＜\|ΔFr+3\|＜\|ΔFr+4\|成立时，则中心频率相对误差绝对值\|ΔFr\|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时延迟线型声表面波器件对应的失效波长阈值；其中，\|ΔFr+1\|表示第r+1个延迟线型声表面波器件的中心频率相对误差绝对值，\|ΔFr+2\|表示第r+2个延迟线型声表面波器件的中心频率相对误差绝对值，\|ΔFr+3\|表示第r+3个延迟线型声表面波器件的中心频率相对误差绝对值，\|ΔFr+4\|表示第r+4个延迟线型声表面波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～Ns范围内；或者采用计算机将延迟线型声表面波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误差曲线图；采用计算机判断当\|ΔKr\|＜\|ΔKr+1\|＜\|ΔKr+2\|＜\|ΔKr+3\|＜\|ΔKr+4\|，且3％＜\|ΔKr\|＜\|ΔKr+1\|＜\|ΔKr+2\|＜\|ΔKr+3\|＜\|ΔKr+4\|成立时，则带宽相对误差绝对值\|ΔKr\|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时延迟线型声表面波器件对应的失效波长阈值；其中，\|ΔKr+1\|表示第r+1个延迟线型声表面波器件的带宽相对误差绝对值，\|ΔKr+2\|表示第r+2个延迟线型声表面波器件的带宽相对误差绝对值，\|ΔKr+3\|表示第r+3个延迟线型声表面波器件的带宽相对误差绝对值，\|ΔKr+4\|表示第r+4个延迟线型声表面波器件的带宽相对误差绝对值；或者采用计算机将延迟线型声表面波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\|ΔCr\|＜\|ΔCr+1\|＜\|ΔCr+2\|＜\|ΔCr+3\|＜\|ΔCr+4\|，且3％＜\|ΔCr\|＜\|ΔCr+1\|＜\|ΔCr+2\|＜\|ΔCr+3\|＜\|ΔCr+4\|成立时，则插入损耗相对误差绝对值\|ΔCr\|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时延迟线型声表面波器件对应的失效波长阈值；其中，\|ΔCr+1\|表示第r+1个延迟线型声表面波器件的插入损耗相对误差绝对值，\|ΔCr+2\|表示第r+2个延迟线型声表面波器件的插入损耗相对误差绝对值，\|ΔCr+3\|表示第r+3个延迟线型声表面波器件的插入损耗相对误差绝对值，\|ΔCr+4\|表示第r+4个延迟线型声表面波器件的插入损耗相对误差绝对值。 2.按照权利要求1所述的一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法，其特征在于：步骤203中采用矢量网络分析仪对第r个延迟线型声表面波器件的参数进行测试，具体过程如下：步骤2031、将所述矢量网络分析仪的输出测试端口通过输出导线与第r个延迟线型声表面波器件的输入引脚连接，将矢量网络分析仪的输入测试端口通过输入导线与第r个延迟线型声表面波器件的输出引脚连接，第r个延迟线型声表面波器件的第一接地引脚和第二接地引脚均与所述矢量网络分析仪的接地端口连接；步骤2032、操作所述矢量网络分析仪，使所述矢量网络分析仪的输出测试端口对第r个延迟线型声表面波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0.7Fg,r～1.3Fg,r，变频正弦波激励信号从频率为0.7Fg,r以步进fbj至1.3Fg,r扫频，同时所述矢量网络分析仪的输入测试端口获取扫频过程中施加变频正弦波激励信号时第r个延迟线型声表面波器件的输出引脚的响应信号；步骤2033、根据公式得到不同频率正弦波激励信号下的第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗Cf,r，Vs表示变频正弦波激励信号的幅值，Vf表示第r个延迟线型声表面波器件的输出引脚在不同频率正弦波激励信号下的响应信号的幅值；步骤2034、将不同频率正弦波激励信号下的第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗Cf,r输入计算机，并采用计算机将不同频率正弦波激励信号下的第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗Cf,r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个延迟线型声表面波器件的频率损耗测试曲线；步骤2035、采用计算机将第r个延迟线型声表面波器件的频率损耗测试曲线中最大峰值对应的频率作为第r个延迟线型声表面波器件的中心频率测量值Fr，第r个延迟线型声表面波器件的频率损耗测试曲线中最大峰值对应的插入损耗为第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗测量值Cr，第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗测量值Cr-3dB所对应的两个频率之差的绝对值为第r个延迟线型声表面波器件的带宽测量值Kr。 3.按照权利要求1所述的一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法，其特征在于：步骤204中采用太赫兹时域光谱分析仪对第r个延迟线型声表面波器件的参数进行测试，具体过程如下：步骤2041、采用太赫兹时域光谱分析仪垂直发射太赫兹脉冲至第r个延迟线型声表面波器件表面，得到第r个延迟线型声表面波器件所辐射的太赫兹电磁波的时域波形图，并发送至计算机；之后，拆卸第r个延迟线型声表面波器件，采用太赫兹时域光谱分析仪垂直发射太赫兹脉冲，得到未加载延迟线型声表面波器件时太赫兹电磁波的原始时域波形图，并发送至计算机；其中，所述太赫兹时域光谱分析仪中飞秒激光脉冲的中心波长为800nm，所述太赫兹时域光谱分析仪中飞秒激光脉冲的重复频率为80MHz，所述太赫兹时域光谱分析仪中飞秒激光脉冲的脉宽为100fs；步骤2042、采用计算机调取傅里叶变换模块，分别对第r个延迟线型声表面波器件所辐射的太赫兹电磁波的时域波形图和未加载延迟线型声表面波器件时太赫兹电磁波的原始时域波形图进行傅里叶变换，得到第r个延迟线型声表面波器件所辐射的太赫兹电磁波的频谱图和未加载延迟线型声表面波器件时的太赫兹电磁波的原始频谱图；其中，第r个延迟线型声表面波器件所辐射的太赫兹电磁波的频谱图和未加载延迟线型声表面波器件时的太赫兹电磁波的原始频谱图的横坐标均为太赫兹电磁波频率，第r个延迟线型声表面波器件所辐射的太赫兹电磁波的频谱图和未加载延迟线型声表面波器件时的太赫兹电磁波的原始频谱图的纵坐标均为太赫兹电磁波的电场振幅；步骤2043、根据公式得到第r个延迟线型声表面波器件在太赫兹电磁波频率为d时的插入损耗C′f,r,d；其中Vy,d表示第r个延迟线型声表面波器件所辐射的太赫兹电磁波的频谱图中在横坐标太赫兹电磁波频率为d时所对应的太赫兹电磁波的电场振幅，Vw,d表示未加载延迟线型声表面波器件时的太赫兹电磁波的原始频谱图中在横坐标太赫兹电磁波频率为d时所对应的太赫兹电磁波的电场振幅；太赫兹电磁波频率d的取值范围为200GHz～4THz；步骤2044、并采用计算机将第r个延迟线型声表面波器件在不同太赫兹频率时的插入损耗进行拟合，得到以频率为横坐标，以插入损耗为纵坐标的第r个延迟线型声表面波器件的频率损耗测试曲线，并按照步骤306所述的方法，得到第r个延迟线型声表面波器件的中心频率测量值Fr、第r个延迟线型声表面波器件的插入损耗测量值Cr和第r个延迟线型声表面波器件的带宽测量值Kr。 4.按照权利要求1所述的一种基于宏观声学理论的纳米声学效应分析方法，其特征在于：步骤一中不同尺度延迟线型声表面波器件的获取，具体过程如下：步骤101、设定声表面波波长的取值范围为4nm～4000nm，并将声表面波波长划分为4nm≤λa≤40nm，40nm＜λb≤400nm和400nm＜λc≤4000nm三个声表面波波长区间；其中，λa表示声表面波波长在[4nm～40nm]范围中任一声表面波波长，λb表示声表面波波长在(40nm～400nm]范围中任一声表面波波长，λc表示声表面波波长在(400nm～4000nm]范围中任一声表面波波长；步骤102、当400nm＜λc≤4000nm时，根据获取第i个延迟线型声表面波器件和第i-1个延迟线型声表面波器件；其中，第i个延迟线型声表面波器件中叉指电极的厚度为第i个延迟线型声表面波器件中叉指电极的宽度为第i-1个延迟线型声表面波器件中叉指电极的厚度为第i-1个延迟线型声表面波器件中叉指电极的宽度为其中，i和i-1均为正整数，且i和i-1的取值均在1～18的范围内；步骤103、当40nm＜λb≤400nm时，根据获取第j个延迟线型声表面波器件和第j-1个延迟线型声表面波器件；其中，第j个延迟线型声表面波器件中叉指电极的厚度为第j个延迟线型声表面波器件中叉指电极的宽度为第j-1个延迟线型声表面波器件中叉指电极的厚度为第j-1个延迟线型声表面波器件中叉指电极的宽度为其中，j和j-1均为正整数，且j和j-1的取值均在19～36的范围内；步骤104、当4nm≤λa≤40nm时，根据获取第e个延迟线型声表面波器件和第e-1个延迟线型声表面波器件；其中，第e个延迟线型声表面波器件中叉指电极的厚度为第e个延迟线型声表面波器件中叉指电极的宽度为第e-1个延迟线型声表面波器件中叉指电极的厚度为第e-1个延迟线型声表面波器件中叉指电极的宽度为其中，e和e-1均为正整数，且e和e-1的取值均在37～46的范围内，且Ns＝46。
所属类别：	发明专利