本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)聲子晶體，具體涉及一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體。

背景技術(shù)：

1、聲子晶體是由不同材料按結(jié)構(gòu)周期性組合排列形成的人工復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)振動(dòng)的本質(zhì)是彈性波的傳播。當(dāng)彈性波在聲子晶體中傳播時(shí)，受到其內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的影響，在特定的頻率范圍內(nèi)能夠抑制彈性波的傳播，此頻率范圍被稱作“帶隙頻率”。理論上，帶隙頻率范圍內(nèi)彈性波的傳播會(huì)被抑制，只有其他頻率范圍的彈性波可以通過聲子晶體繼續(xù)傳播。因此可以將這種特性應(yīng)用于隔振領(lǐng)域。通過對(duì)聲子晶體原胞的材料特性、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)中的帶隙頻率范圍，再將聲子晶體原胞周期性陣列，作為外框架排布至mems微機(jī)械陀螺儀、加速度計(jì)等器件的四周，能夠有效達(dá)到控制噪聲和振動(dòng)的目的，提高其測(cè)試性能和可靠性。

2、一維和二維聲子晶體都是基于布拉格反射機(jī)理，而三維聲子晶體是基于局域共振原理?；诓祭裆⑸涞穆曌泳w，晶格尺寸與彈性波半波長在同一量級(jí)，聲子晶體的振動(dòng)頻率f＝nv/2a，其中n為正整數(shù)，v為彈性波波速，a為聲子晶體晶格尺寸。根據(jù)上述關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)khz范圍內(nèi)的帶隙，聲子晶體晶格尺寸在數(shù)m以上量級(jí)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可實(shí)施范疇。而局域共振型聲子晶體相比同尺寸下布拉格型聲子晶體的帶隙頻率小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻帶隙。其原理在于局部共振型聲子晶體對(duì)特定頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)具有較強(qiáng)響應(yīng)，特定頻率的彈性波會(huì)激發(fā)聲子晶體局域單元進(jìn)行共振，傳播的能量會(huì)被聲子晶體吸收，從而達(dá)到隔振的效果。

3、局域共振型聲子晶體作為一種新型的隔振材料，具有低頻段的彈性波帶隙特性，在微機(jī)電系統(tǒng)(mems)隔振領(lǐng)域擁有巨大的潛力。傳統(tǒng)的局域共振型聲子晶體主要由軟質(zhì)橡膠和環(huán)氧樹脂構(gòu)成，兩種材料屬性差異很大，它通過這種材料間本征屬性的差異來實(shí)現(xiàn)局域共振，從而得到低頻帶隙。且傳統(tǒng)的局域共振型聲子晶體一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此制備過程較為繁瑣，也不利于組裝應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，采用單一材料硅，同一厚度的質(zhì)量單元和懸臂梁結(jié)構(gòu)，克服了三維局域共振型聲子晶體制備材料和工藝的繁瑣；本發(fā)明所提供的硅三維聲子晶體作為聲子晶體原胞周期性陣列，形成外框架排布至mems微機(jī)械陀螺儀、加速度計(jì)等器件的四周，吸收外界傳來的振動(dòng)頻率，抑制外界振動(dòng)對(duì)微機(jī)械(mems)器件造成的精度影響，提升其抗振動(dòng)性能；本發(fā)明所提供的硅三維聲子晶體結(jié)構(gòu)簡單多變，頻率帶隙范圍易于調(diào)控，適用性強(qiáng)。

2、本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案為：

3、一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，由周期性陣列的聲子晶體原胞組成，所述原胞采用單一材料硅，以質(zhì)量單元為中心，單點(diǎn)或多點(diǎn)連接懸臂梁結(jié)構(gòu)的方式構(gòu)成，懸臂梁以同樣的間隙螺旋式環(huán)繞質(zhì)量單元。

4、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)勢(shì)在于：

5、本發(fā)明提供一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，采用單一材料硅、單一厚度、結(jié)構(gòu)多變且簡單，設(shè)計(jì)性強(qiáng)，適用于mems加工工藝與各種mems器件；本發(fā)明采用以質(zhì)量單元為中心、單點(diǎn)或多點(diǎn)連接懸臂梁的方式實(shí)現(xiàn)三維聲子晶體結(jié)構(gòu)，具有較低的固有頻率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)低頻帶隙；本發(fā)明具有通過修改相關(guān)尺寸參數(shù)調(diào)整頻率帶隙范圍的優(yōu)點(diǎn)，適用于隔離不同頻率的振動(dòng)。

技術(shù)特征：

1.一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，由周期性陣列的聲子晶體原胞組成，其特征在于，所述原胞采用單一材料硅，以質(zhì)量單元為中心，單點(diǎn)或多點(diǎn)連接懸臂梁結(jié)構(gòu)的方式構(gòu)成，懸臂梁以同樣的間隙螺旋式環(huán)繞質(zhì)量單元。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，其特征在于，所述懸臂梁包括四個(gè)環(huán)繞式懸臂梁，所述四個(gè)環(huán)繞式懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量單元的四個(gè)頂角相連，螺旋式環(huán)繞所述質(zhì)量單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，其特征在于，所述懸臂梁還包括四個(gè)折疊式懸臂梁，所述四個(gè)折疊式懸臂梁分別布置在所述質(zhì)量單元的四個(gè)方向；所述四個(gè)環(huán)繞式懸臂梁的一端分別通過一個(gè)折疊式懸臂梁與所述質(zhì)量單元的四個(gè)頂角相連，螺旋式環(huán)繞所述質(zhì)量單元。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，其特征在于，所述懸臂梁包括兩個(gè)環(huán)繞式懸臂梁和四個(gè)折疊式懸臂梁，所述兩個(gè)環(huán)繞式懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量單元的對(duì)角相連，螺旋式一層一層地環(huán)繞所述質(zhì)量單元；所述四個(gè)折疊式懸臂梁的一端與所述兩個(gè)環(huán)繞式懸臂梁的最外層相連；所述四個(gè)折疊式懸臂梁分別布置在上下左右四個(gè)方向。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，其特征在于，通過調(diào)整懸臂梁的間隙、圍繞層數(shù)、質(zhì)量單元尺寸能夠調(diào)整帶隙頻率。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，其特征在于，采用mems工藝布置在器件的四周。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅三維聲子晶體，由周期性陣列的聲子晶體原胞組成，所述原胞采用單一材料硅，以質(zhì)量單元為中心，單點(diǎn)或多點(diǎn)連接懸臂梁結(jié)構(gòu)的方式構(gòu)成，懸臂梁以同樣的間隙螺旋式環(huán)繞質(zhì)量單元。本發(fā)明提供的硅三維聲子晶體，可作為聲子晶體原胞周期性陣列，形成外框架排布至MEMS微機(jī)械陀螺儀、加速度計(jì)等器件的四周，通過局域共振原理吸收外界振動(dòng)頻率，進(jìn)行振動(dòng)隔離。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)三維聲子晶體需要多種材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大等缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)10kHz及以下低頻帶隙，具有結(jié)構(gòu)簡單多變、帶隙范圍易于調(diào)控等特點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：姜波,李思怡,黃深湖,周同,張晶,蘇巖
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23