一种基于电控可重构声学超表面的可编程逻辑门器件及其控制方法

简宙实验室

一种基于电控可重构声学超表面的可编程逻辑门器件及其控制方法

技术领域

本发明涉及声学器件与数字逻辑电路技术领域，具体涉及一种基于电控可重构声学超表面的可编程逻辑门器件，尤其是一种利用电场或电压动态调节声学超表面单元的等效声学参数，实现同一物理结构上AND、OR、XOR等多种逻辑功能可重构的声学逻辑门及其控制方法。

背景技术

随着物联网、工业自动化及强电磁干扰环境（如变电站、核磁共振设备周边、航天航空电子系统）对计算需求的不断增长，传统电子逻辑门在抗电磁干扰、耐辐射以及超低功耗等方面的局限性日益凸显。声波作为一种机械波，具有天然不受电磁场干扰的独特优势，利用声波实现逻辑计算，可为特种环境下的信号处理和信息计算提供全新的技术路径。

近年来，声学逻辑门的研究取得了显著进展，其主要技术路线包括以下几个方面：

（1）基于声子晶体的线性干涉逻辑门：利用二维声子晶体中自准直声束的线性干涉效应，通过调控两输入信号的相位差实现基本逻辑功能（参见CN110299129B、CN113242037B）。例如，CN113242037B公开了一种基于拓扑绝缘体的宽频带声逻辑门，通过两种不同旋转角度的三角形声子晶体交叉排布形成正六边形结构，在界面处形成四通道波导，在同一结构中基于同一阈值实现了宽频带“或”和“异或”两种逻辑功能。然而，该方案的逻辑功能由固定几何结构决定，制造完成后即被固化，无法在运行中动态切换，且主要实现两种功能的组合，功能多样性受限。

（2）基于近零折射率声超材料的紧凑型逻辑门：Zhang等人基于密度近零声超材料设计了尺寸小至0.82λ的紧凑型可变形声逻辑门，实现了OR、AND、XOR、NOT等基本布尔运算。该类器件结构紧凑、阈值统一，但逻辑功能同样由几何结构决定，不具备可编程重构能力。

（3）基于相控单元的低频声逻辑门：CN110299129B公开了一种基于两元相控单元的宽频带亚波长声逻辑门，利用亥姆霍兹谐振腔构成的相控单元被动调控出射声波的相位，在同一结构上实现了多种逻辑功能。但该方案的逻辑功能切换需要手动调整入射声源的幅值和相位，缺乏与电子控制系统集成的便利性。

（4）基于拓扑声子晶体的声逻辑门：近期研究利用谷锁定界面态在二维声子晶体中构建了拓扑声逻辑门，实现了AND、OR、XOR、NAND、XNOR和NOR等六种基本逻辑功能，并验证了其对结构缺陷的鲁棒性。但该方案的逻辑功能切换依赖于复杂的外围控制（如引入偏置输入或级联波导结构），功能切换的灵活性和响应速度仍然有限。

综上所述，现有声学逻辑门技术存在以下共性技术缺陷：

1. 逻辑功能固化：大多数器件的逻辑功能由制造时确定的几何结构决定，无法在运行时动态重新配置。虽然部分方案通过调整输入信号的相位差可以实现不同逻辑功能，但这种“功能切换”是被动依赖输入条件的，而非主动、可控的可重构。

2. 缺乏与电子系统的集成：现有方案大多需要手动调整声源参数或复杂的流体控制系统来实现逻辑功能的切换，缺少与标准电子控制信号（如CMOS电平）的直接接口，难以融入现有电子信息系统。

3. 功能多样性受限：在同一物理结构上能够实现的逻辑功能种类有限，通常仅能实现2~3种逻辑功能。

4. 可扩展性差：声学逻辑门的尺寸通常与波长相当，在低频工作时器件尺寸较大，不利于大规模集成。

因此，亟需一种能够通过电信号主动控制、在同一物理结构上实现多种逻辑功能动态可重构、与CMOS工艺兼容、且易于扩展和集成的声学逻辑门器件。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中声学逻辑门功能固化、缺乏电控可重构性、与电子系统兼容性差的技术问题，提供一种基于电控可重构声学超表面的可编程逻辑门器件及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电控可重构声学超表面的可编程逻辑门器件，其特征在于，包括：

· 声学输入端口，至少包括第一输入端口和第二输入端口，用于接收声学输入信号，声学输入信号包括但不限于正弦波、脉冲波或任意波形声信号；其中，所述声学输入信号分别表示待进行逻辑运算的二进制输入值I1和I2，有信号（声压幅值超过第一阈值）代表逻辑“1”，无信号（声压幅值低于第二阈值）代表逻辑“0”；

· 可重构声学超表面单元阵列，设置于所述输入端口与输出端口之间的声传播路径上，由多个亚波长尺寸的可调谐声学单元按预定周期排列构成，每个可调谐声学单元的等效声学参数（包括但不限于等效声阻抗、等效声速、等效密度）可通过外部电场、电压或电流进行动态调节；所述可调谐声学单元的调谐机制选自以下一种或多种：压电效应调控（通过施加电压改变压电材料的弹性常数）、电致伸缩效应调控、介电弹性体形变调控、或基于可调声学超构原子结构的机械形变调控；所述可重构声学超表面单元阵列用于对经过的声波进行相位调制和/或幅值调制；

· 声学输出端口，用于输出声学输出信号，所述输出信号经换能器转换为电信号后，通过阈值判断得到逻辑输出值O，输出信号的声压幅值超过第三阈值代表逻辑“1”，低于第四阈值代表逻辑“0”；

· 电控配置电路，包括数字控制寄存器、数模转换电路和电压驱动阵列，用于接收外部编程信号，将配置字转换为相应通道的控制电压，施加到所述可重构声学超表面单元阵列上，以改变所述超表面单元的等效声学参数，从而将所述声学逻辑门器件配置为AND、OR、XOR、NAND、NOR或XNOR中的任一种逻辑功能；

· 配置查找表存储单元，其中预存储有不同逻辑功能模式与所述可重构声学超表面单元阵列所需控制电压配置方案之间的对应关系，所述电控配置电路根据外部输入的逻辑功能选择信号读取所述查找表并施加相应的电压配置。

进一步地，所述可调谐声学单元采用压电微机械超声换能器（PMUT）或薄膜体声波谐振器（FBAR）结构，通过施加直流偏置电压改变压电薄膜的弹性刚度，从而改变单元的谐振频率和等效声阻抗。在该方案中，每个声学超表面单元实质上构成一个可编程的“声学移相器”或“声学调制器”，通过对输入声波的相位进行独立控制，在线性干涉条件下精确调控输出端的声压幅值。

进一步地，所述可重构声学超表面单元阵列的等效传输函数T(ω, V₁, V₂, …, V_N)表示为各独立单元相位调制的函数叠加，通过全局优化算法确定对应于各逻辑功能的电压配置向量，使器件的输出满足：

O = F_Logic(I1, I2)

其中，I1、I2为二进制输入值（以输入声波的有无编码），O为二进制输出值（以输出声压是否超过阈值的判决结果编码），F_Logic为AND、OR、XOR、NAND、NOR、XNOR中的任意一种逻辑函数。

进一步地，所述电控配置电路与标准集成电路控制总线兼容，所述控制总线为I²C总线、SPI总线或APB总线中的一种。

本发明还提供一种可编程声学逻辑门的控制方法，应用于上述器件，包括以下步骤：

· 步骤一：通过外部控制器经由控制总线向所述电控配置电路发送逻辑功能选择指令，指定所需实现的逻辑功能类型；

· 步骤二：所述电控配置电路根据所述逻辑功能选择指令查询所述配置查找表，确定对应的控制电压配置方案；

· 步骤三：所述电控配置电路通过数模转换电路和电压驱动阵列，将所述控制电压施加到所述可重构声学超表面单元阵列的各可调谐单元上，使超表面单元阵列的等效声学参数被配置为目标逻辑功能所需的分布；

· 步骤四：分别从所述第一输入端口和第二输入端口输入对应于两个二进制输入值的声学信号；

· 步骤五：声学信号经所述可重构声学超表面单元阵列的调制后，传播至所述声学输出端口；

· 步骤六：输出端换能器将声学信号转换为电信号，通过阈值判断得到逻辑输出值O。

进一步地，所述方法还包括在运行过程中动态切换逻辑功能的步骤：无需改变任何物理结构，仅通过所述电控配置电路重新配置控制电压，即可在所述器件的同一物理结构上实现从AND到OR或从AND到XOR等任意逻辑功能之间的快速切换。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 电控可重构，逻辑功能动态可编程：本发明通过电压主动调控声学超表面单元的等效声学参数，实现了同一物理结构上AND、OR、XOR、NAND、NOR、XNOR等多种逻辑功能的电控可重构。现有基于声子晶体的声逻辑门（如CN113242037B）在同一结构上最多仅能实现两种逻辑功能的组合（OR和XOR），且功能由几何结构固化；基于相控单元的方案（如CN110299129B）需手动调整入射声源参数，无法与电子控制系统集成。相比之下，本发明的功能切换完全由数字控制信号驱动，切换时间可短至微秒级，显著提升了声学逻辑门的灵活性和实用性。

2. 与CMOS工艺兼容，便于电子集成：本发明采用压电MEMS或体声波谐振器单元实现声学超表面，其制造工艺与标准CMOS后端工艺兼容，可集成于硅基芯片上。电控配置电路直接支持I²C、SPI等标准数字控制总线，可无缝接入现有电子系统，作为抗电磁干扰的声学协处理器使用。

3. 功能丰富，阈值统一：通过全局优化预计算的控制电压配置向量，本发明的器件在实现多种逻辑功能时使用统一的输出阈值进行判决，无需为不同逻辑门设定不同的判决条件，有利于实现标准化接口和多级级联。

4. 抗电磁干扰，适用于特种环境：声波作为机械波，传播不受电磁干扰影响。本发明器件可作为独立计算单元部署于强电磁干扰环境（如变电站、大型电机周边、核聚变装置附近）或需要高电磁兼容性的医疗设备（如MRI引导的微创手术器械）中，与远端或屏蔽环境中的电子控制单元配合使用。

5. 结构紧凑，可扩展性强：可重构声学超表面单元工作在亚波长尺度，单元尺寸可小于波长的1/5。在多输入多输出的扩展应用中，通过增加超表面单元的数量和输入输出端口数，可构建高并行度的声学计算阵列。

附图说明

图1：本发明实施例一提供的基于压电微机械超声换能器阵列的可编程声学逻辑门器件结构示意图。

图2：本发明中单个可调谐声学超表面单元的剖面结构示意图，示出了压电层、上下电极及薄膜结构。

图3A-3B：图3A为可重构声学超表面单元阵列在两种不同电压配置下的相位响应特性曲线；图3B为不同逻辑功能对应的电压配置向量示意图。

图4：本发明电控配置电路的系统框图，示出了数字控制寄存器、数模转换电路、电压驱动阵列与控制总线的连接关系。

图5A-5D：本发明的可编程逻辑门在AND配置、OR配置、XOR配置及NOR配置下，两输入组合的输出声压幅值柱状图及与理论真值表的对比图。

图6：本发明实施例二中可编程声学逻辑门控制方法的时序流程图。

图7：本发明作为电磁隔离声学协处理器集成于嵌入式系统中的典型应用框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细的描述。

实施例一：基于PMUT阵列的可编程声学逻辑门

本实施例以压电微机械超声换能器（PMUT）阵列作为可重构声学超表面的基本单元，构建一个两输入单输出的电控可编程声学逻辑门。

器件结构如图1所示，包括第一输入端口P1、第二输入端口P2、可重构声学超表面单元阵列（4×4排列，共计16个PMUT单元）、输出端口P3以及电控配置电路。每个PMUT单元为圆形悬臂式压电薄膜结构（图2），由底电极、压电层（AlN或PZT）、顶电极及硅基体构成。通过对顶电极与底电极之间施加不同幅值的直流偏置电压，可改变压电薄膜的等效弹性常数（刚度），从而调节单元的谐振频率和等效声速。当入射声波频率固定时，单元的等效相位延迟随偏置电压在0~2π范围内连续变化。

电控配置电路如图4所示，包括8位数字控制寄存器（可由I²C总线写入配置字）、双通道8位数模转换器（DAC）、以及16通道电压驱动阵列。配置查找表预存储于器件的非易失性存储器（NVM）中，记录了从“逻辑功能选择码”（3位二进制编码，对应8种基本逻辑功能）到16个PMUT单元各自所需偏置电压值的映射表。该映射表是通过全波仿真结合全局优化算法预先计算得到的：对于每种目标逻辑功能，求解使得输出端对(0,0)→0、(1,0)→0、(0,1)→0、(1,1)→1（对于AN