用于高灵敏度微流体传感的耦合共振主动声子晶体研究

声子晶体所具有的对声波和弹性波的控制功能为其在声传感方面的应用奠定了基础。本项目拟研究二维固体基含液体柱孔排列声子晶体中时变活性材料调节下的耦合共振对柱孔内液体区域能量局域程度的影响的一般规律。基于固体声子晶体中的液体填充物共振，点、线、面缺陷共振多种共振模式，用包括引入时变活性材料组元成分在内的多种材料结构剪裁手段影响弹性波能量在待测液体区域的局域特性，产生耦合共振现象，从而加强声子晶体共振透射峰与待测液体物理性质之间的联系，并研究晶体材料弹性参数，柱孔占空比，晶体排列方式，缺陷形态，活性材料组分等因素对耦合共振效应的影响。有关研究可望加深对耦合共振现象及含时变活性材料声子晶体中弹性波传播的本质认识，找到可控共振透射峰的有效途径，进而设计出用于微流体及化学生物微传感的，晶格常数与弹性波波长相当且具有高透射、高频移、低频宽特性的主动型声子晶体人工微结构，推动新型人工材料和物理器件的研究。

近年来，利用声子晶体实现高共振频率高品质因子液体声学传感器问题成为研究热点，其重要意义在于最终实现双独立参数声光探测装置，即声子晶体光子晶体集成传感器。具体涉及的问题包括：声波在液体内部能量局域问题；实现声波对探测体系的高效透射问题；提高共振腔的品质因子问题；声光子晶体传感器集成化的问题。国内外对此类问题的研究十分重视，我们针对这些问题进行了深入的研究。首先，我们研究了二组元及三组元固体基柱状液体腔排列的声子晶体体系内液体柱孔区域内外能量分布及透射谱的一般规律；共振腔界面处横模与纵模之间的转换效率；共振腔中间夹层的选择对特征峰位置及尖锐度的影响等，获得了一系列研究结果。我们在以上研究结果基础上提出基于声光子晶体集成化角度研究设计声子晶体传感器；选择了光子晶体常规制作材料硅基作为基体；选择方形散射体获得了宽背景带隙；在周期晶体内插入一维液体缺陷链形成楔形共振腔并由此实现了声能量在液体探测区域的高度聚集；首次利用楔形结构连接点的相互作用有效激发体系内结构间的反对称兰姆波模式结合周期性布洛赫模式并由此实现了声波的加强共振透射；对该加强共振透射峰在不同液体填充下表现出的频域内位置差异研究揭示了其可调特性；对液体腔的几何形状进行了一系列优化研究，获得的共振透射峰的品质因子高达5776 [J. Appl. Phys. 116, 073510 (2014)]，远远高于已有研究结果。该声子晶体声学探测体系的一系列显著特点为其在高灵敏度微流体声光传感及声滤波方面的应用奠定了基础。