近日，俄羅斯科學(xué)家采用數學(xué)建模的方法,對金剛石結構的微型高敏傳感器進(jìn)行了研究，并在A(yíng)pplied Physics Letters上發(fā)表了研究成果。研究人員對人造金剛石諧振器產(chǎn)生的信號進(jìn)行了有用性選擇測試和研究，同時(shí)還研究了蘭姆波的激發(fā)。 　　科學(xué)家們提出了一種數學(xué)模型，旨在對壓電層狀結構中的聲波進(jìn)行實(shí)驗研究，并描述了這些聲波的散射；同時(shí),他們還提出了一系列降低噪聲的辦法。在未來(lái)，金剛石晶體結構可應用于高敏傳感器設備，用來(lái)探測壓力、加速、溫度和超薄薄膜等技術(shù)領(lǐng)域。

  
近日，俄羅斯科學(xué)家采用數學(xué)建模的方法,對金剛石結構的微型高敏傳感器進(jìn)行了研究，并在A(yíng)pplied Physics Letters上發(fā)表了研究成果。研究人員對人造金剛石諧振器產(chǎn)生的信號進(jìn)行了有用性選擇測試和研究，同時(shí)還研究了蘭姆波的激發(fā)。
　　科學(xué)家們提出了一種數學(xué)模型，旨在對壓電層狀結構中的聲波進(jìn)行實(shí)驗研究，并描述了這些聲波的散射；同時(shí),他們還提出了一系列降低噪聲的辦法。在未來(lái)，金剛石晶體結構可應用于高敏傳感器設備，用來(lái)探測壓力、加速、溫度和超薄薄膜等技術(shù)領(lǐng)域。
　　論文作者Boris Sorokin介紹道：我們在人造金剛石壓電層狀結構方面取得的研究成果在當今世界上尚屬領(lǐng)先水平;研發(fā)的微型諧振器可以捕獲高達20GHz的微波高頻共振。而金剛石作為諧振器核心的一些性能特征又是十分顯著(zhù)的；我認為金剛石在聲學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的應用能夠挖掘出更多驚人發(fā)現。
　　品質(zhì)因數（Q因素）是一個(gè)振蕩系統的性能特征，它表述了一個(gè)系統中振動(dòng)是如何快速衰減的；品質(zhì)因數越大，能量損耗就越小。
　　一個(gè)壓電層狀結構就像是一塊由不同材料做成，具有壓電效應的“三明治”。它描述了在壓力或張拉力的作用下，材料周?chē)a(chǎn)生的電場(chǎng)；當施以電壓時(shí)，材料自身就會(huì )發(fā)生形態(tài)改變。日常生活中的打火機所用的壓電陶瓷元件就是利用壓電效應來(lái)提供足夠高的電壓從而產(chǎn)生火花。壓電效應還用于麥克風(fēng)、高精顯微操縱器、壓力/濕度/溫度傳感器等。此外，壓電效應的一個(gè)重要應用就是高穩定性壓電晶體諧振器，用于石英表的準確計時(shí)和計算機的穩定有序運行。
　　以氮化鋁薄膜為例，電場(chǎng)對壓電材料的作用可以使薄膜發(fā)生形變并產(chǎn)生彈性波，彈性波傳到襯底上。同樣，落入壓電薄膜的彈性波又會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)。傳至襯底的彈性波在材料層之間來(lái)回反射，進(jìn)而產(chǎn)生若干振動(dòng)。這種效應就類(lèi)似在隧道或寬闊的管道內大喊時(shí)會(huì )聽(tīng)到音波回音。
　　金剛石和聲波
　　選擇金剛石作為襯底材料并非偶然。壓電晶體材料由于其聲吸收較低、機電耦合系數高、聲速傳播快而用作理想的傳感器襯底材料。金剛石均能滿(mǎn)足以上性能要求，但唯獨沒(méi)有壓電效應；因此就需要輔助以氮化鋁薄膜。隨著(zhù)人造金剛石的大量生產(chǎn)，成本價(jià)格也不再是主要考慮因素。而且人造金剛石的性能要比天然金剛石更加優(yōu)越，特別是雜質(zhì)分布和可再生性方面。本研究的作者認為人造金剛石單晶是研制聲電設備的理想材料。
　　層狀結構上被激發(fā)的大量聲波發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生基本類(lèi)型和其他類(lèi)型的振蕩。在襯底和壓電薄膜上除了會(huì )產(chǎn)生有用的縱向振蕩外，特定條件下還會(huì )產(chǎn)生蘭姆波。這些波譜位于不同的分支，且相速度受頻率的影響。
　　蘭姆波是發(fā)生在彈性介質(zhì)薄膜層上的一系列復雜的彈性振蕩，由英國物理學(xué)家Horace Lamb首次提出。有趣的是，這些聲波中的質(zhì)點(diǎn)做橢圓軌跡運動(dòng)；分對稱(chēng)型和非對稱(chēng)型兩種蘭姆波。相速度是指一個(gè)質(zhì)點(diǎn)從已知相位，如波峰開(kāi)始移動(dòng)的速度。特定介質(zhì)中波的相速度通常取決于波頻率，這種效應叫做彌散。
　　研究者利用數學(xué)建模和聲位移可視化處理技術(shù)對金剛石結構中不同的聲模頻譜進(jìn)行詳細的研究；特別是層狀“三明治”結構的自然振蕩頻率的整個(gè)頻譜所引起的共振。以最簡(jiǎn)單情形為例，這種自然振蕩頻率相當于在不受外界影響的情況下彈性系統發(fā)生振蕩的頻率。撥動(dòng)鐘擺使其以自然頻率擺動(dòng)，以這樣的自然頻率所施加的力對于鐘擺的搖擺就是最有效的。當激發(fā)頻率和自然頻率達到一致時(shí)，振蕩幅度迅速增大，由此產(chǎn)生共振。
　　自然頻率取決于材料的屬性和結構的幾何形狀。因此，即便是單個(gè)的細菌和傳感器表面接觸時(shí)，也能被探測到；因為細菌改變了整個(gè)系統的質(zhì)量，使共振頻率發(fā)生了變化。
　　該研究的一個(gè)重要成果是對不同類(lèi)型的聲波能夠進(jìn)行識別和篩選，并總結出離散規律，這對于未來(lái)聲電設備的研發(fā)有重要作用。