新型金刚石微传感器在微波频段的研究和应用

近日，俄罗斯科学家采用数学建模的方法,对金刚石结构的微型高敏传感器进行了研究，并在Applied Physics Letters上发表了研究成果。研究人员对人造金刚石谐振器产生的信号进行了有用性选择测试和研究，同时还研究了兰姆波的激发。 　　科学家们提出了一种数学模型，旨在对压电层状结构中的声波进行实验研究，并描述了这些声波的散射；同时,他们还提出了一系列降低噪声的办法。在未来，金刚石晶体结构可应用于高敏传感器设备，用来探测压力、加速、温度和超薄薄膜等技术领域。

  
近日，俄罗斯科学家采用数学建模的方法,对金刚石结构的微型高敏传感器进行了研究，并在Applied Physics Letters上发表了研究成果。研究人员对人造金刚石谐振器产生的信号进行了有用性选择测试和研究，同时还研究了兰姆波的激发。
　　科学家们提出了一种数学模型，旨在对压电层状结构中的声波进行实验研究，并描述了这些声波的散射；同时,他们还提出了一系列降低噪声的办法。在未来，金刚石晶体结构可应用于高敏传感器设备，用来探测压力、加速、温度和超薄薄膜等技术领域。
　　论文作者Boris Sorokin介绍道：我们在人造金刚石压电层状结构方面取得的研究成果在当今世界上尚属领先水平;研发的微型谐振器可以捕获高达20GHz的微波高频共振。而金刚石作为谐振器核心的一些性能特征又是十分显著的；我认为金刚石在声学和电子学领域的应用能够挖掘出更多惊人发现。
　　品质因数（Q因素）是一个振荡系统的性能特征，它表述了一个系统中振动是如何快速衰减的；品质因数越大，能量损耗就越小。
　　一个压电层状结构就像是一块由不同材料做成，具有压电效应的“三明治”。它描述了在压力或张拉力的作用下，材料周围产生的电场；当施以电压时，材料自身就会发生形态改变。日常生活中的打火机所用的压电陶瓷元件就是利用压电效应来提供足够高的电压从而产生火花。压电效应还用于麦克风、高精显微操纵器、压力/湿度/温度传感器等。此外，压电效应的一个重要应用就是高稳定性压电晶体谐振器，用于石英表的准确计时和计算机的稳定有序运行。
　　以氮化铝薄膜为例，电场对压电材料的作用可以使薄膜发生形变并产生弹性波，弹性波传到衬底上。同样，落入压电薄膜的弹性波又会产生电场。传至衬底的弹性波在材料层之间来回反射，进而产生若干振动。这种效应就类似在隧道或宽阔的管道内大喊时会听到音波回音。
　　金刚石和声波
　　选择金刚石作为衬底材料并非偶然。压电晶体材料由于其声吸收较低、机电耦合系数高、声速传播快而用作理想的传感器衬底材料。金刚石均能满足以上性能要求，但唯独没有压电效应；因此就需要辅助以氮化铝薄膜。随着人造金刚石的大量生产，成本价格也不再是主要考虑因素。而且人造金刚石的性能要比天然金刚石更加优越，特别是杂质分布和可再生性方面。本研究的作者认为人造金刚石单晶是研制声电设备的理想材料。
　　层状结构上被激发的大量声波发生振动，从而产生基本类型和其他类型的振荡。在衬底和压电薄膜上除了会产生有用的纵向振荡外，特定条件下还会产生兰姆波。这些波谱位于不同的分支，且相速度受频率的影响。
　　兰姆波是发生在弹性介质薄膜层上的一系列复杂的弹性振荡，由英国物理学家Horace Lamb首次提出。有趣的是，这些声波中的质点做椭圆轨迹运动；分对称型和非对称型两种兰姆波。相速度是指一个质点从已知相位，如波峰开始移动的速度。特定介质中波的相速度通常取决于波频率，这种效应叫做弥散。
　　研究者利用数学建模和声位移可视化处理技术对金刚石结构中不同的声模频谱进行详细的研究；特别是层状“三明治”结构的自然振荡频率的整个频谱所引起的共振。以最简单情形为例，这种自然振荡频率相当于在不受外界影响的情况下弹性系统发生振荡的频率。拨动钟摆使其以自然频率摆动，以这样的自然频率所施加的力对于钟摆的摇摆就是最有效的。当激发频率和自然频率达到一致时，振荡幅度迅速增大，由此产生共振。
　　自然频率取决于材料的属性和结构的几何形状。因此，即便是单个的细菌和传感器表面接触时，也能被探测到；因为细菌改变了整个系统的质量，使共振频率发生了变化。
　　该研究的一个重要成果是对不同类型的声波能够进行识别和筛选，并总结出离散规律，这对于未来声电设备的研发有重要作用。
 
来源：中国超硬材料网