声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法与流程

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。

技术实现要素：

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；

共振体，所述共振体位于所述基板第一表面上，且所述共振体与所述弹簧部件的自由端相接触。

可选地，所述弹簧部件包括中心对称弹簧部件。

可选地，所述共振体与所述弹簧部件具有相同材质。

本发明还提供一种声子晶体器件，所述声子晶体器件包括上述声子晶体晶胞结构。

本发明还提供一种声子晶体晶胞结构的制备方法，包括以下步骤：

提供基底，所述基底包括基底第一表面及相对设置的基底第二表面；

自所述基底第一表面图形化所述基底，以在所述基底中形成沟槽；

自所述基底第二表面图形化所述基底，显露所述沟槽，以在所述基底中形成共振体及弹簧部件；其中，所述弹簧部件自所述基底内侧向所述基底外侧延伸，所述弹簧部件的自由端位于所述基底内侧，所述共振体位于所述自由端上并与所述自由端相接触。

可选地，所述基底包括soi硅片，所述soi硅片包括顶层硅、埋氧层及背衬底硅；其中，在所述顶层硅中形成所述弹簧部件，在所述背衬底硅中形成所述共振体，且所述弹簧部件的自由端通过所述埋氧层与所述共振体相接触。

可选地，所述基底包括半导体基底，所述半导体基底包括硅基底。

可选地，所述声子晶体晶胞结构还包括测试区，且所述测试区与所述共振体同时形成。

可选地，所述弹簧部件包括中心对称弹簧部件。

如上所述，本发明的声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法，引入弹簧部件，设计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。

附图说明

图1显示为本发明中制备声子晶体晶胞结构的工艺流程示意图。

图2～图10显示为本发明中制备声子晶体晶胞结构各步骤所呈现的结构示意图。

图11显示为本发明中的一种声子晶体晶胞结构扫描电镜的形貌示意图。

图12显示为本发明中的另一种声子晶体晶胞结构的结构示意图。

图13显示为图12中的声子晶体晶胞结构的能带仿真图。

图14显示为本发明中的声子晶体晶胞结构的弹簧-重物系统原理图。

元件标号说明

100soi硅片

101顶层硅

1011沟槽

1012自由端

1013弹簧体

102埋氧层

103背衬底硅

1031部分共振体

1032共振体

1033测试区

104顶层二氧化硅掩膜层

105底层二氧化硅掩膜层

200第一光刻胶

300第二光刻胶

400第三光刻胶

110基板

111沟槽

112自由端

210共振体

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1，本发明提供一种制备声子晶体晶胞结构的方法，其中，该方法制备的所述声子晶体晶胞结构基于弹簧振子的原理设计，包括弹簧部件及共振体，通过弹簧部件的振动增强共振体的谐振能力，通过调节声子晶体晶胞的几何参数可以有效的调节、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。

首先，提供基底，所述基底包括基底第一表面及相对设置的基底第二表面。

具体的，如图2，所述基底可包括soi硅片100，所述soi硅片100可包括顶层硅101、埋氧层102及背衬底硅103，且所述soi硅片100还可包括位于所述顶层硅101的上表面的顶层二氧化硅掩膜层104及位于所述背衬底硅103的下表面的底层二氧化硅掩膜层105，所述soi硅片的制备方法可采用氧离子注入的方法，但并非局限于此，具体制备方法此处不作限制。本实施例中，所述基底仅以所述soi硅片100作为示例，在所述顶层硅101中形成所述弹簧部件，在所述背衬底硅103中形成所述共振体，所述顶层硅101的厚度与后续形成的所述弹簧部件相关，所述背衬底硅103的厚度与后续形成的所述共振体相关，但并非局限于此。其中，所述背衬底硅103的厚度可采用10μm～500μm，本实施例中，所述背衬底硅103的厚度采用430μm，但并非局限于此，可根据需要进行选择，此处不作过分限制。进一步的，为扩大所述声子晶体晶胞结构的应用，在另一实施例中，所述基底也可采用其它半导体基底，如所述半导体基底还可采用硅基底，以直接在所述硅基底中制备所述弹簧部件及共振体，所述基底的材质及结构，此处不作过分限制。

接着，自所述基底第一表面图形化所述基底，以在所述基底中形成沟槽。

具体的，如图3，先在所述顶层二氧化硅掩膜层104的上表面涂覆第一光刻胶200，所述第一光刻胶200的厚度可采用1.4μm，但并非局限于此。对所述第一光刻胶200进行曝光、显影后，将掩膜版上的具有所述弹簧部件的图形转印到所述第一光刻胶200上，以在所述顶层二氧化硅掩膜层104上形成掩膜层，之后可采用反应离子刻蚀(rie)工艺，对所述顶层二氧化硅掩膜层104进行刻蚀，将具有所述弹簧部件的图案转印到所述顶层二氧化硅掩膜层104上。

之后，如图4，可采用深反应离子刻蚀(drie)工艺，对所述顶层硅101进行刻蚀，直至显露所述埋氧层102，以在所述顶层硅101中形成若干贯穿所述顶层硅101的沟槽1011、位于所述顶层硅101内侧的弹簧部件的自由端1012及弹簧体1013。所述沟槽1011的形貌可包括具有缺角的环形槽，以通过所述环形槽的缺角作为所述弹簧部件的缺角φ，如图12。

之后，去除所述第一光刻胶200及顶层二氧化硅掩膜层104，以在所述顶层硅101中形成所述弹簧部件的形貌。

作为该实施例的进一步实施例，所述弹簧部件可包括中心对称弹簧部件，即所述弹簧部件以所述弹簧部件的自由端1012作为对称中心分布，以便于所述声子晶胞结构的应用。

接着，自所述基底第二表面图形化所述基底，显露所述沟槽1011，以在所述基底中形成所述共振体及弹簧部件；其中，所述弹簧部件自所述基底内侧向所述基底外侧延伸，所述弹簧部件的自由端1012位于所述基底内侧，所述共振体位于所述自由端1012上并与所述自由端1012相接触。

具体的，如图5，在所述底层二氧化硅掩膜层105的表面上涂覆第二光刻胶300，所述第二光刻胶300的厚度可采用2.0μm，但并非局限于此。对所述第二光刻胶300进行曝光、显影后，将掩膜版上的具有所述共振体的图形转印到所述第二光刻胶300上，之后可采用rie工艺，对所述底层二氧化硅掩膜层105进行刻蚀，将具有所述共振体的图案转印到所述底层二氧化硅掩膜层105上。

如图6，去除位于所述底层二氧化硅掩膜层105上的所述第二光刻胶300。

作为该实施例的进一步实施例，所述声子晶体晶胞结构还包括测试区，且所述测试区与所述共振体同时形成。所述测试区具有一定的厚度，可进一步的提高所述声子晶体晶胞结构的稳定性。

具体的，如图7～图10，本实施例中，所述声子晶体晶胞结构包括所述测试区1033，且所述测试区1033在形成共振体1032的过程中同时形成，以减少工艺步骤，即在对所述第三光刻胶400进行曝光、显影形成所述共振体1032的图形的同时，所述第三光刻胶400所形成的掩膜层包括形成所述测试区1033的图形。

如图7，于所述背衬底硅103及所述底层二氧化硅掩膜层105的表面上涂覆第三光刻胶400，所述第三光刻胶400的厚度可采用8.0μm，但并非局限于此。对所述第三光刻胶400进行曝光、显影，将具有所述共振体1032及所述测试区1033的图形转印到所述第三光刻胶400上。

接着，如图8，采用drie工艺，以所述第三光刻胶400作为掩膜层，对所述背衬底硅103进行第一次刻蚀，刻蚀深度可为230μm，以形成所述声子晶胞结构的部分共振体1031。

接着，如图9，去除所述第三光刻胶400，以图形化的所述底层二氧化硅掩膜层105作为掩膜层，采用drie工艺对所述背衬底硅103进行第二次刻蚀，刻蚀深度可为200μm，以显露所述埋氧层102，从而形成所述声子晶胞结构的所述共振体1032及测试区1033。

最后，如图10，利用hf蒸汽刻蚀所述埋氧层102，以形成最终的所述声子晶胞结构。

当然，在另一实施例中，也可不包含所述测试区1033，直接图形化所述底层二氧化硅掩膜层105，形成所述共振体1032的掩膜层后，对所述背衬底硅103进行刻蚀，以显露所述埋氧层102，从而形成所述共振体1032，而后利用hf蒸汽刻蚀所述埋氧层102，以形成最终的所述声子晶胞结构，具体可根据需要进行选择，此处不作过分限制。

如图11，显示为本发明中制备的所述声子晶体晶胞结构的扫面电子显微镜的形貌示意图。本发明中的所述声子晶体晶胞结构可用以制备声子晶体器件，所述声子晶体器件的种类此处不作限制。

以下通过具体的实施例说明本发明的声子晶体晶胞结构的性能及原理。

如图12，提供一种声子晶体晶胞结构，所述声子晶体晶胞结构可采用上述制备方法进行制备但并非局限于此。所述声子晶体晶胞结构包括基板110及共振体210。其中，所述基板110包括基板第一表面及相对设置的基板第二表面，所述基板110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110的沟槽111，以在所述基板110中构成所述晶胞结构的弹簧部件，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112位于所述基板内侧；所述共振体210位于所述基板第一表面上，且所述共振体210与所述弹簧部件的自由端112相接触。

作为该实施例的进一步实施例，所述共振体210可包括圆柱状共振体，且所述圆柱状共振体的半径r的范围可包括2μm～80μm，所述圆柱状共振体的高度h的范围可包括10μm～500μm。

具体的，所述共振体210的几何尺寸及材料决定了所述弹簧部件的重物块质量，从而决定了所述弹簧部件的性能。所述共振体210的形貌可采用所述圆柱状共振体，但并非局限于此，所述共振体210的结构参数及形貌可根据需要进行选择，此处不作过分限制。

作为该实施例的进一步实施例，所述弹簧部件的弹簧环数n可包括2个～50个；所述弹簧部件的弹簧宽度δr的范围可包括2μm～50μm；所述弹簧部件的间隔宽度δ的范围可包括2μm～50μm；所述弹簧部件的缺角φ范围可包括10°～90°。

具体的，所述弹簧部件的弹簧环数n由所述沟槽111的数量决定，所述弹簧部件的弹簧宽度δr由所述弹簧体的宽度决定，所述弹簧部件的间隔宽度δ取决于所述沟槽111的宽度，所述弹簧部件的缺角φ取决于所述沟槽111的形貌，即所述缺角φ为在形成所述沟槽111时，所预留的用以作为所述弹簧部件的连接部的开口大小。其中，所述弹簧环数n，弹簧宽度δr、间隔宽度δ和缺角φ及所述基板110的厚度th和晶格常数a决定了所述弹簧部件的性能。其中，所述基板110的厚度th的范围可包括10μm～500μm，所述晶格常数a的范围可包括200μm～500μm。所述弹簧部件及基板110的结构参数并非局限于此，具体可根据需要进行选择。

作为该实施例的进一步实施例，所述共振体与所述弹簧部件可采用相同的材质；所述弹簧部件可包括中心对称弹簧部件。

具体的，所述弹簧部件可采用相同的弹簧宽度δr、相同的间隔宽度δ及相同的缺角φ，以构成中心对称弹簧部件，但并非局限于此。所述共振体与所述弹簧部件可采用形同的材质。如图12，所述声子晶体晶胞结构的几何参数为：所述圆柱状共振体的半径r＝40μm，高度h＝270μm；所述弹簧部件的弹簧环数n＝5、间隔宽度δ＝20μm、弹簧宽度δr＝10μm、缺角φ＝90°；所述基板110的厚度th＝150μm；所述晶格常数a＝300μm。使用有限元方法仿真所述声子晶体晶胞结构获得图13所示的能带仿真图，从能带仿真图中可得到，所述声子晶体晶胞结构的禁带为1.074mhz-1.127mhz，因此基于弹簧振子的所述声子晶体晶胞结构能够有效降低声学禁带的频率范围，以扩大其应用范围。

如图14，本发明还提供了有关所述声子晶体晶胞结构的弹簧-重物系统原理图。

具体的，当入射弹性波在所述声子晶体晶胞结构内部传输的过程中，入射波通过所述弹簧部件传输至所述共振体上。为了简化能带图的计算过程，将基于弹簧振子的所述声子晶体晶胞结构简化成图14中的弹簧-重物系统。其中，简化后的共振体等效为一个弹簧振子，其等效质量m、刚度k、垂直方向位移x；弹簧部件等效质量m、刚度k、位移x；代入由激励式posin(ωt)的无阻尼系统中，其方程为：

将所述共振体位移x＝x0sin(ωt)和弹簧位移x＝x0sin(ωt)代入上式中，化简得到谐振系统谐波响应的幅值为：

其中，|z(ω)|＝mm(ω1²-ω²)(ω2²-ω²)，ω1和ω2是所述声子晶体晶胞结构的特征频率。

综上所述，本发明的声子晶体晶胞结构、声子晶体器件及其制备方法，引入弹簧部件，设计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。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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