2026-06-15 | 科研部 南科大刘言军团队利用可编程IDT阵列实现声表面波多维调控

近日，南方科技大学电子与电气工程系刘言军教授团队提出了一种可编程的IDT阵列架构，实现了对声表面波的多维度灵活调控，为声流控、可调超材料、智能传感等领域提供了新的技术平台，相关研究成果以“Multidimensional control of surface acoustic wave generation via programmable interdigital transducer arrays”为题，发表于Nature Communications。

声表面波（SAW）器件凭借低功耗、高灵敏度、易集成等优势，已成为射频通信、生物传感、微流控操控等领域的核心部件。然而，传统固定结构的叉指换能器（IDT）器件，其功能在制备完成后便无法更改。这种“一次成型、功能固定”的特点，难以满足下一代可重构声学系统对动态、多维度声场调控的需求。如何在单一芯片上实现声表面波的相位、频率与波形的全域动态操控，一直是该领域亟待突破的关键瓶颈。

针对这一挑战，研究团队提出了一种可编程的IDT阵列架构，实现了对声表面波的多维度灵活调控。针对传统叉指换能器结构固定、功能单一、无法动态重构的瓶颈，研究团队设计了一种由40个独立可编程IDT单元组成的阵列结构。每个单元均可通过双刀双掷开关（DPDT）实现二进制相位反转（0或π），从而实现对单个单元声波相位的精确控制，经过合理编程后可动态生成多种不同的声场模式，为声表面波的灵活调控提供了全新技术路径。

图1.声表面波多维调控装置与可编程IDT阵列结构示意图

通过对各IDT单元相位状态进行程序化编码，研究团队成功生成了复杂声表面波波形，包括非衍射Airy声表面波和动态聚焦声表面波。通过简单调整编码序列，即可灵活改变Airy声表面波的弯曲方向。

图2.通过相位编码生成Airy声表面波的声场分布与仿真验证

在聚焦声表面波的基础上，研究团队进一步实现了对焦点位置的二维平面内精准调控。通过改变IDT阵列的编码序列，实现了焦点在水平（x）与垂直（y）方向的连续精准移位，为基于声场的粒子操控、细胞排列、微流控芯片动态控制等应用提供了高精度声镊工具。

图3.聚焦声表面波在x与y方向上的焦点位移调控

为提升聚焦声场的纵向控制能力，研究团队设计了啁啾IDT阵列。该阵列电极宽度逐渐变化，具备宽频响应特性。结合时分复用（TDM）技术，系统可在不同时间片段内激发不同频率的声表面波，从而实现多频率声场的时空叠加，最终构建出一种聚焦深度可达43倍波长的“声表面波针”，并在传播方向上实现了更均匀、更持久的声能集中。

图4.不同频率配比的时分复用信号激发的“声表面波针”声场分布对比

本研究成功构建了基于可编程IDT阵列的声表面波多维调控系统。基于该系统，研究团队成功生成了Airy声表面波与动态聚焦声表面波，实现了二维焦点位移，并通过啁啾IDT与时分复用技术的结合构建出焦深达43倍波长的“声表面波针”，显著提升了声场调控的灵活性与聚焦性能。该系统具备结构简洁、声能损耗低、可扩展性强等优势，在微流控操控、多频传感与声学超材料等领域展现出重要应用价值。

南方科技大学博士毕业生马宗俊为论文第一作者，刘言军教授为唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。此外，中国科学院深圳先进技术研究院郭师峰研究员等为该研究工作作出重要贡献。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技创新委员会项目、深圳市发展和改革委员会项目、南科大高水平专项基金等项目支持。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71772-7

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇、罗晓宁

主图：丘妍

编辑：任奕霏