Page 129 - 《应用声学》2022年第6期

第 41 卷 第 6 期 尉浪浪 等： 声学微结构的微流控声场的改进与优化 975

波节或波腹处 [13−14] 。为了更好地将目标操控技术 声波遇到所述铜柱阵列后，基片基底在声波的
应用于微流控芯片中，对 SAW 芯片声场调控的重 作用下开始振动，导致铜柱阵列振动，从而进行声场
要性不言而喻。 调控，形成驻波，使得能量聚集。声学微结构铜柱阵
列的振动与声子晶体的弹簧振子模型的振动特性
1.2 声学微结构的设计
相类似，因此，这种传输特性可以通过弹簧振子模型
声学微结构中新奇的传播规律 ——基于柱状
进行分析，如图2所示。
结构的声场局域聚焦，为表面波器件内部声场的调
控开辟新思路。借鉴柱状结构在声波局域聚焦中的 表 1 常用金属的声学特性
技术优势，可以改善传统表面波器件的单一声场，对 Table 1 Acoustic properties of commonly
微流控等相关领域的应用都极具实际意义。 used metals
本文根据局域共振型声学柱状微结构散射体 电导率 声阻抗/ 杨氏弹性模量
金属 泊松比
的共振特性以及弹性波与基体相互作用的特性去 (IACS)/% (g·cm −2 ) /(dyn·cm −2 )
设计声学柱状微结构实现局域聚焦现象，通过对几 金 73.4 6.26 7.32 0.83
银 108.4 3.8 7.95 0.42
种金属材料进行物理特性分析 (见表 1) [15] ，发现铜 铜 103.06 4.18 12.3 0.35
具有较高的电导率和良好的声阻抗性能，所以本文 铁 18 4.5 20.6 0.26
选择在基片上加入铜柱阵列。 铝 34 1.69 6.85 0.34

m  m  m 
k  k 
k  k  k 

m  m  m 
图 2 声子晶体的弹簧结构模型
Fig. 2 Spring structure model of phonon crystal

由于弹簧-振子模型的色散方程为 现多物理场的耦合、模拟、仿真。
−1
2
2
w = 4KM eff sin ka, (4) 使用 COMSOL 建模主要分为选择物理场、绘
制几何模型、添加材料、划分网格 4 个步骤。本
2
2
2
M eff = M 1 + M 2 w /(w − w ), (5)
0 0
√ 文所建立的 SAW 模型采用压力声学物理场进行
w 0 = 2G/M 2 , (6)
模拟仿真；运用布尔分割、阵列等一系列操作
其中，M 1 和M 2 分别是双弹簧振动器的外层和内层 构建 SAW 器件的二维和三维模型 [17−18] ，如图 3、
的质量；M eff 、ω 和a分别表示有效质量、共振频率和 图 4 所示；从材料库中分别对压电晶体基板、IDT
两个振动球体之间的距离。 添加材料。在本文构建的模型中，波速设置为
声波信号经过发射 IDT 传输至铜柱阵列时，会 3 ◦
3681.8 m/s，用密度4700 kg/m 的128 YX-LiNbO 3
受到不同程度的衰减与干扰，能量分布不均匀 [16] 。 作为基板材料，铝(Aluminium)作为IDT的材料，密
声学微结构作为一种人工设计的复合结构，其新奇 度为 2.7×10 kg/m ，其中声学微结构铜柱阵列的
3
3
的传播规律，为 SAW 芯片在多功能、多尺度的微流 材料为 Copper，密度为 8.96×10 kg/m ，铜柱阵列
3
3
控应用中展现出美好的前景。综上所述，本文根据 中，每个铜柱的间距为145 µm。
声学铜柱阵列微结构散射体的共振特性来设计声 有限元模型的计算精度与网格的细化程度在
学铜柱阵列微结构，从而实现声场调控。 一定范围内呈现正相关。超过该范围，网格收敛，划
分程度的提升对结果的数值稳定性提升并不明显。
2 有限元仿真模型的建立
并且，划分更多的网格单元同时意味着更长的求解
本文建立的多物理场有限元模型通过 COM- 时间与更大的内存需求，故只需对某些特定区域进
SOL 实现，其内置了声学、光学、力学、电化学等各 行细化即可。本研究细化了铜柱阵列、IDT 及其四
个领域的物理场模块，并且提供了当前主流的第三 周基板表面的网格，其余部分根据模型中物理场的
方软件接口，能够相对容易地扩展软件功能，从而实 设定自动生成网格，如图5所示。