基于叉指换能器优化的铌酸锂表面声波衍射抑制及声流控场均匀性提升研究

针对各向异性压电基底上表面声波(SAW)衍射导致的声场不均匀性问题，南京大学团队提出了一种基于线源模型与角谱理论的叉指换能器(IDT)变迹优化方案。通过优化设计使工作区域声场均匀性标准差降低55%-65%，同时保持场强波动小于5%，为声流控器件在粒子操纵、细胞增殖等应用中的性能提升提供了新思路。

　　

在微纳尺度物体操控领域，表面声波(SAW)声流控技术因其非接触、高精度的特性成为研究热点。然而，当SAW在铌酸锂(LiNbO₃)等各向异性压电基底传播时，波衍射效应会导致声场分布不均，产生横向声辐射力(ARF)和流道内涡流等不良现象。这些问题严重影响粒子机械分型精度、细胞增殖效率，甚至阻碍纳米级物体的精准操控。传统解决方案如扩大叉指换能器(IDT)孔径或延长传播距离，往往以牺牲器件紧凑性和能量效率为代价。

南京大学物理学院的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，提出了一种创新性的IDT变迹优化方案。通过结合线源模型和角谱理论，建立了考虑基底慢度特性的SAW场高效仿真模型，开发出能显著抑制衍射效应的变迹IDT设计方法。该方案使工作区域声场均匀性标准差降低55%-65%，同时将场强波动控制在5%以内，为高性能声流控器件的设计提供了新范式。

关键技术包括：1) 基于线源模型和角谱理论的SAW场建模；2) 考虑LiNbO₃各向异性的优化算法；3) 激光测振仪验证技术；4) 适用于行波和驻波SAW器件的通用设计框架。

SAW场模型
通过将IDT等效为多个线源叠加，结合基底慢度曲线计算声场分布。模拟显示常规IDT产生的声场存在典型衍射波纹，而优化后的变迹IDT能有效消除波纹，在10λ₀×20λ₀工作区内实现均匀分布。

场分布特征
激光测振实验证实，对于128°Y切LiNbO₃基底，优化IDT使声场不均匀性标准差从0.32降至0.12。粒子追踪显示，变迹设计使5μm聚苯乙烯微粒的横向偏移量减少62%。

频率响应
在同步频率f₀=v₀/λ₀附近±2%带宽内，变迹IDT保持稳定的声场均匀性，优于常规设计的±0.5%带宽。

结论与意义
该研究突破了传统Fresnel衍射理论在压电材料中的局限性，提出的变迹方案可同步应用于行波和驻波SAW器件。通过精确控制IDT指条长度分布，实现了：1) 消除声场边缘Gibbs效应；2) 抑制横向ARF和流道涡流；3) 保持90%以上的能量传输效率。这项技术为单相单向换能器(EWC-SPUDT)设计提供了新思路，对发展高精度纳米颗粒分选、单细胞分析等应用具有重要价值。研究获得国家自然科学基金(82427901、11934009、12374437)资助，相关成果已应用于南京医科大学心血管疾病转化医学协同创新中心的器件开发。