日本NTT基于MEMS谐振器制造技术开发出新型“人造声学晶体”

据麦姆斯咨询报道，日本电报电话公司（NTT）和日本东北大学通过使用一种被称为声子晶体的人工复合材料（声子晶体通常由散射体和基体组成，前者以周期分布形式嵌入到基体中，可以对振动波的散射特性进行有效操控），能够操纵超声波振动的“流动”，并证实了通过波形压缩产生的信号放大。

众所周知，当敲击音叉时，它会以其结构确定的特定频率发声。类似地，如果被称为MEMS（微机电系统）的微小结构产生振动时，则会引起人耳听不到的高频振动，亦即超声波。在现代移动通信系统中，诸如“表面声波滤波器（Surface Acoustic Wave Filter）”之类的SAW MEMS器件，以及利用该现象的振荡元件已广泛应用于发送和接收的高频信号处理。

NTT的研究团队基于MEMS谐振器制造技术开发出了一种名为“声子晶体”的新型“人造声学晶体”，并将其用作控制超声波振动传播的平台。通过使用这种声子晶体，超声波的扩散控制成为可能，这实现了现有MEMS技术难以完成的对超声波振动速度和波长的控制。

上图为声子晶体波导和测量示意图。底部插图显示器件横截面的SEM图像，该器件由选择性蚀刻Al0.65Ga0.35As层制成的GaAs / AlGaAs异质结构组成，比例尺为5μm。周期性结构由上插图所示的宽度22μm波导确定，孔距8μm。右侧边缘处利用压电效应激发纳米结构机械振动，然后在室温和高真空（2×10-4Pa）下利用激光多普勒干涉仪在左侧边缘处进行测量。

在这项研究中使用的声子晶体由传输微小振动的路径（波导）组成，就好像鼓的膜沿一个方向拉伸一样。通过向安装在波导末端的电极施加电压，通过压电效应局部诱发超声波振动。通过测量这种振荡的传播，通过实验证实了声子晶体群速度的频率依赖性，即所谓的色散。

利用这种群速度色散，不同频率的波以不同的速度在声子晶体中传播。另外，通过从波导末端施加频率调制来输入振动，据称首次成功地实现了波形的扩展和压缩。通过使用该技术，可以精确地控制振动波形的压缩比例以及压缩的位置和时间。此外，通过使用MEMS技术，还可以显著减小信号处理装置的尺寸并提高集成度。

对芯片上超声波振动的控制改进，对于现代通讯和传感技术来说非常重要。相比广泛使用的微机械谐振器，波导结构具有多种优势，例如宽频率范围、高运行速度以及更低的能耗等。对芯片上聚焦弹性波时间和位置的调整能力，将推动新技术的开发，不仅可以操纵纳米材料，而且还可以通过局部受限应变有选择地驱动量子器件。此外，这种时域聚焦技术可应用于2D声子晶体和超材料，基于2D带结构的各向异性特性对弹性波传播进行定向控制，以创造新的方法来操纵芯片上的弹性波。