一种双通道控制的自旋板波波源激发装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及弹性波激发技术领域，尤其是涉及一种双通道控制的自旋板波波源激发装置及其制备方法。

背景技术

自旋的研究促进了人们对从量子层面到经典体系中的对称性和拓扑等基础的理解，自旋是凝聚态物理和量子力学领域最重要的性质之一，也是拓扑态的基础。宏观上自旋可以在与方向选择性相关的传播中体现，如单向传播等。

近年来，拓扑的概念快速拓展到基于周期性结构(如声学超构材料等)的经典波体系中。因其结构灵活可控的特性，周期性结构及其中的经典波体系成为检验或实现诸多拓扑物理现象的良好平台。大量研究者在声学或力学系统中开展了类比霍尔效应、自旋霍尔效应、谷霍尔效应、外尔点、高阶拓扑等的研究。拓扑结构的一个显著特征是波在沿着两种拓扑反相部分组成的拓扑边界上存在单向传输现象。如声子晶体板中基于类比自旋霍尔效应、谷霍尔效应等的拓扑边界上，带有特定极化方向的板波自旋源能够选择激发单向边界态，其拓扑投影的边界态的传播方向是自旋依赖的。

然而目前自旋板波波源激发的单向传输边界态的实验报道却非常少见。因此，亟需设计一种自旋板波波源激发装置，以能够为自旋依赖性的单向传输等实验研究提供关键依据，并为相关器件的设计和研发提供实验基础。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双通道控制的自旋板波波源激发装置及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种双通道控制的自旋板波波源激发装置，包括底座，所述底座上安装有压电振动组件阵列，所述压电振动组件阵列与外部的双通道电压激励源相连接，所述压电振动组件阵列包括四个呈正方形矩阵排列的压电片，其中，压电振动组件阵列中一个对角线位置的两个压电片连接至双通道电压激励源的一个通道，压电振动组件阵列中另一对角线位置的两个压电片则连接至双通道电压激励源的另一个通道。

进一步地，所述压电振动组件阵列中四个压电片的尺寸、材料和极化方向均相同。

进一步地，所述压电片具体为圆片、圆环或方形片结构。

进一步地，所述压电片通过连接固定件安装在底座上。

进一步地，所述连接固定件具体为环氧树脂。

进一步地，所述底座具体为金属薄片。

进一步地，所述压电片的上表面和下表面分别连接有第一导线和第二导线，所述第一导线和第二导线分别连接至双通道电压激励源中一个通道的正极或负极。

进一步地，所述压电振动组件阵列中一个对角线位置的两个压电片中，一个压电片的上表面接正极、下表面接负极，则另一个压电片的上表面接负极、下表面接正极。

进一步地，所述双通道电压激励源的两个通道均输出多周期正弦脉冲电压信号，所述两个通道之间对中心频率存在π/2的相位差。

进一步地，所述压电片的尺寸以及相邻两个压电片之间的距离，均根据设定的自旋板波波源工作频率对应的波长进行确定。

一种双通道控制的自旋板波波源激发装置的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，选定压电振动组件阵列中四个压电片的尺寸；

S2、根据自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，以及压电片的尺寸数据，确定相邻两个压电片之间的距离；

S3、固定一片双面胶到工作台面，按照步骤S1和步骤S2确定尺寸，在双面胶上标记出用于固定压电片的四个位置；

S4、在双面胶上标记的四个位置分别固定一根导线；

S5、在双面胶上标记的四个位置涂抹一层薄环氧树脂；

S6、将四个压电片依次对应放入标记的位置，并按压使四个压电片平整地按照预定的位置进行初步固定；

S7、检测各导线与对应压电片的下表面之间是否导通，若没有导通，则返回执行步骤S4～S6，直至各导线与对应压电片的下表面之间导通；

S8、检查各导线与不对应的另外三个压电片下表面之间是否导通，若有导通，则返回执行步骤S4～S7，直至各导线与不对应的另外三个压电片下表面之间不存在导通；

S9、当压电片与导线初步固定、但环氧树脂未完全固化时，清理掉双面胶；

S10、在工作台上再次固定双面胶，涂抹一层薄环氧树脂，然后将初步固定的四个压电片连同导线固定到环氧树脂中，并按压固定；

S11、再次执行步骤S7～S8，若每根导线与对应的压电片导通良好，且每根导线与不对应的另外三个压电片下表面均不导通，则放置固化2至3小时，得到压电振动组件；

S12、清理掉双面胶，检查固化后的压电振动组件，检测导线与压电振动组件的底部是否绝缘，若没有绝缘，则返回执行步骤S10，在组件下面增加一层环氧树脂；若绝缘，则执行步骤S13；

S13、用环氧树脂将压电振动组件固定到一块金属薄片上，并在四个压电片的上表面焊接导线，形成激发装置整体；

S14、将四个压电片与外部的双通道电压激励源相连接：压电振动组件阵列中位于一个对角线位置的两个压电片共用一个通道的激励电压信号，其中，一个压电片的上表面正极、下表面接负极，另一个压电片的上表面接负极、下表面接正极；

压电振动组件阵列中另一个对角线位置的两个压电片共用另一个通道的激励电压信号，其中，一个压电片的上表面接正极、下表面接负极，另一个压电片的上表面接负极、下表面接正极；

所述双通道电压激励源的两个通道均输出多周期正弦脉冲电压信号，两个通道之间对中心频率存在π/2的相位差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过设置压电振动组件阵列，将压电振动组件阵列设计为包括四个呈正方形矩阵排列的压电片，并将压电振动组件阵列中一个对角线位置的两个压电片连接至双通道电压激励源的一个通道，压电振动组件阵列中另一对角线位置的两个压电片则连接至双通道电压激励源的另一个通道，由此将双通道电压信号接入压电振动组件，从而能够自发产生自旋板波，能够用于自旋板波的相关实验和实际应用，为相关实验研究提供依据。

二、本发明在制备自旋板波波源激发装置时，多次采用双面胶辅助的方式，不仅能够有效减低制作难度，而且也能够保证加工制作的精度；此外，本发明基于工作频率对应的波长数据，以确定压电振动组件阵列中压电片的尺寸以及相邻压电片之间的距离，使得后续产生的自旋板波能够满足设计要求，保证装置的精确性。

三、本发明提出的自旋板波波源激发装置能够预先封装，使其成为可拆卸、便携的装置，且本发明所采用的材料均可通过定制或购买得到，结构简单、制备方便。

附图说明

图1为实施例中双通道控制的自旋板波波源激发装置的结构示意图；

图2为实施例中单个压电片的安装结构拆解示意图；

图3为实施例中单个压电片的安装效果示意图；

图4为双通道正弦波脉冲激发电压信号示意图；

图5为实施例中产生的自旋板波效果示意图；

图中标记说明：1～4、压电片，5、连接固定件，6、底座，7、第一导线，8、第二导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～3所示，一种双通道控制的自旋板波波源激发装置，包括底座6，底座 6上安装有压电振动组件阵列，压电振动组件阵列与外部的双通道电压激励源相连接，压电振动组件阵列包括四个呈正方形矩阵排列的压电片1～4，其中，压电振动组件阵列中一个对角线位置的两个压电片(1和3)连接至双通道电压激励源的一个通道，压电振动组件阵列中另一对角线位置的两个压电片(2和4)则连接至双通道电压激励源的另一个通道，压电片1～4分别通过连接固定件5安装在底座6 上。压电振动组件通过连接固定件5与底座6相互连接，底座6用于固定自旋板波波源激发装置形成整体；压电振动组件阵列中的各压电片分别接收外部输入的激励电压信号，将电压信号转化为机械振动，并通过连接固定件5和底座6传导至结构表面，完成弹性波自旋源的激发。

此外，压电片的上表面和下表面分别连接有第一导线7和第二导线8，第一导线7和第二导线8分别连接至双通道电压激励源中一个通道的正极或负极，对于压电振动组件阵列中一个对角线位置的两个压电片，其中一个压电片的上表面接正极、下表面接负极，则另一个压电片的上表面接负极、下表面接正极，比如图1中，压电片1和压电片3共用一个通道1(或通道2)的激励电压信号，压电片1的上表面接激励电压信号的正极、下表面接负极，压电片3的上表面接负极、下表面接正极；压电片2和压电片4共用一个通道2(或通道1)的激励电压信号，压电片2 的上表面接正极、下表面接负极，压电片4的上表面接负极、下表面接正极；

双通道电压激励源的两个通道均输出多周期正弦脉冲电压信号，两个通道之间对中心频率存在π/2的相位差；

压电片的尺寸以及相邻两个压电片之间的距离，均根据设定的自旋板波波源工作频率对应的波长进行确定，当工作频率为10至40千赫兹时，压电片的直径可以选择5毫米；

其中，压电振动组件阵列中四个压电片1～4的尺寸、材料和极化方向均相同，压电片具体可选用圆片、圆环或方形片结构。

本实施例中，连接固定件5具体为环氧树脂，环氧树脂具有较高的连接强度，既能用于固定压电片到底座6，又能保证压电片下表面与底座6之间的绝缘；

底座6具体为金属薄片。

本发明还提供一种双通道控制的自旋板波波源激发装置的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，选定压电振动组件阵列中四个压电片的尺寸；

S2、根据自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，以及压电片的尺寸数据，确定相邻两个压电片之间的距离；

S3、固定一片双面胶到工作台面，按照步骤S1和步骤S2确定尺寸，在双面胶上标记出用于固定压电片的四个位置；

S4、在双面胶上标记的四个位置分别固定一根导线；

S5、在双面胶上标记的四个位置涂抹一层薄环氧树脂；

S6、将四个压电片依次对应放入标记的位置，并按压使四个压电片平整地按照预定的位置进行初步固定；

S7、检测各导线与对应压电片的下表面之间是否导通，若没有导通，则返回执行步骤S4～S6，直至各导线与对应压电片的下表面之间导通；

S8、检查各导线与不对应的另外三个压电片下表面之间是否导通，若有导通，则返回执行步骤S4～S7，直至各导线与不对应的另外三个压电片下表面之间不存在导通；

S9、当压电片与导线初步固定、但环氧树脂未完全固化时，清理掉双面胶；

S10、在工作台上再次固定双面胶，涂抹一层薄环氧树脂，然后将初步固定的四个压电片连同导线固定到环氧树脂中，并按压固定；

S11、再次执行步骤S7～S8，若每根导线与对应的压电片导通良好，且每根导线与不对应的另外三个压电片下表面均不导通，则放置固化2至3小时，得到压电振动组件；

S12、清理掉双面胶，检查固化后的压电振动组件，检测导线与压电振动组件的底部是否绝缘，若没有绝缘，则返回执行步骤S10，在组件下面增加一层环氧树脂；若绝缘，则执行步骤S13；

S13、用环氧树脂将压电振动组件固定到一块金属薄片上，并在四个压电片的上表面焊接导线，形成激发装置整体；

S14、将四个压电片与外部的双通道电压激励源相连接：压电振动组件阵列中位于一个对角线位置的两个压电片共用一个通道的激励电压信号，其中，一个压电片的上表面正极、下表面接负极，另一个压电片的上表面接负极、下表面接正极；

压电振动组件阵列中另一个对角线位置的两个压电片共用另一个通道的激励电压信号，其中，一个压电片的上表面接正极、下表面接负极，另一个压电片的上表面接负极、下表面接正极；

双通道电压激励源的两个通道均输出多周期正弦脉冲电压信号，两个通道之间对中心频率存在π/2的相位差。

本实施例中，压电片均选择直径为5毫米、厚度为1.2毫米、材料为PZT-5H 的圆柱形压电陶瓷，极化方向沿厚度方向，相邻压电片中心的距离为6毫米；该尺寸压电片和阵列组成的自旋板波波源激发装置的工作频率至少可覆盖10至40千赫兹的范围。

具体的制备过程包括：

(1)根据自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，选定压电片的尺寸为：直径为5毫米，厚度为1.2毫米，材料为PZT-5H的圆柱形压电陶瓷圆片，通常压电片的直径小于对应波长的四分之一；

(2)根据压电片的尺寸以及自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，确定相邻两个压电片之间的距离，本实施例中，相邻压电片中心的距离为6毫米，具体是先根据自旋板波波源所需的频率段对应的波长数据，确定两个相邻压电片之间的最远连接距离，再结合压电片的尺寸数据，确定两个相邻压电片之间的中心距离；

(3)固定一片双面胶到安装台(桌面或工作台等)，在双面胶的一面上按步骤 (1)和(2)确定的尺寸画好用于固定压电片的位置；

(4)在双面胶上固定压电片的四个位置分别固定一根导线；

(5)在双面胶上固定压电片的四个位置涂抹一层薄环氧树脂；

(6)将压电片1、压电片2、压电片3和压电片4依次放入预定的位置，并按压使四个压电片平整地按照预定的位置进行初步固定；

(7)测量每根导线与对应压电片的下表面是否导通，若没有完好地导通，则检查步骤(4)～(6)使每根导线与对应压电片的下表面导通；

(8)检查每根导线与不对应的另外三个压电片下表面是否有导通，若有导通，则调整步骤(4)～(7)，使每根导线与不对应的另外三个压电片下表面没有导通；

(9)待压电片与导线初步固定但环氧树脂未完全固化时，清理掉双面胶；

(10)在安装台上再次固定双面胶，涂抹一层薄环氧树脂，然后将前述初步固定的四个压电片连同导线固定到环氧树脂中，并按压固定；

(11)再次检查步骤(7)～(8)，若每根导线与对应的压电片导通良好，且每根导线与不对应的另外三个压电片下表面不导通，则放置固化2至3小时；

(12)清理掉双面胶，检查步骤(10)～(11)固化后的组件，查看导线与组件的底部是否绝缘，若不绝缘，则重复步骤(10)在组件下面增加一层环氧树脂；若绝缘，则进行下一步；

(13)将上述步骤形成的结构，用环氧树脂固定到一块尺寸与组件大小相仿且能覆盖四个压电片的金属薄片(本实施例选用薄铝板)，并在四个压电片的上表面焊接导线，形成激发装置整体；

(14)导线7接入压电片上表面，导线8接入压电片下表面；压电片1和压电片3共用一个通道1(或通道2)的激励电压信号，其中压电片1的上表面接激励电压信号的正极、下表面接负极，压电片3的上表面接负极、下表面接正极；压电片2和压电片4共用一个通道2(或通道1)的激励电压信号，其中压电片2的上表面接正极、下表面接负极，压电片4的上表面接负极、下表面接正极；激励电压信号的通道1和通道2均使用多周期正弦脉冲电压信号，两个通道之间对中心频率存在π/2的相位差。

图4为一种正弦波脉冲激励电压信号通道1和通道2的示意图，中心频率为 30千赫兹，通道1和通道2之间对中心频率30千赫兹有相位差π/2；

图5为本实施例的装置的效果图，展示了激发信号中心频率为30千赫兹时一个实例的计算结果，面外位移场呈现出顺时针的螺旋状分布。

综上可知，本发明将压电振动阵列按所述的接线方式接入双通道电压信号，经过连接固定件和安装底座，最终在板中产生自旋板波，能够用于自旋板波的相关实验和实际应用，为相关实验研究提供依据；此外，本发明的制备过程简单方便，且能保证装置的可靠性。