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基于壓電微結構的多功能聲學(xué)活性表面,可用于揚聲器和麥克風(fēng)
來(lái)源:麥姆斯咨詢(xún)  瀏覽次數:286  發(fā)布時(shí)間:2022-06-21

主動(dòng)噪聲控制、人機界面、機器人、超聲成像、自動(dòng)駕駛、觸覺(jué)傳感以及非接觸式物質(zhì)操控(聲音可作為傳感、驅動(dòng)和通信的媒介)等各類(lèi)工業(yè)和商業(yè)應用的功能需求,推動(dòng)了對聲學(xué)換能器需求的快速增長(cháng)。這些技術(shù)需求正推動(dòng)著(zhù)研究人員開(kāi)發(fā)適于大規模應用的低成本、高性能的聲學(xué)換能器技術(shù)。其中,壓電換能器憑借其多功能性、結構簡(jiǎn)單、功耗低、易于擴展等特性,在緊湊型和廣域應用中越來(lái)越受青睞。


為了解決對大面積形狀的需求,研究人員基于聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯與三氟乙烯共聚物[P(VDF-TrFE)]、壓電納米顆粒、孔洞帶電聚合物和電活性聚合物,開(kāi)發(fā)了各種柔性薄膜揚聲器。然而,大多數器件設計依賴(lài)于獨立的壓電層變形。當它們粘接于剛性物體表面時(shí),壓電層的彎曲度就會(huì )受到很大限制,從而導致聲學(xué)性能下降。該特點(diǎn)削弱了這些輕量化且具有成本效應的超薄揚聲器的優(yōu)勢,也限制了其應用前景。此外,作為聲音接收器而非聲音發(fā)生器,這些器件的微音反應往往沒(méi)有得到有效探索。


近日,美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的研究團隊在Nature旗下合作期刊Microsystems & Nanoengineering發(fā)表了以“基于壓電微結構的多功能聲學(xué)活性表面(A versatile acoustically active surface based on piezoelectric microstructures)”為主題的研究論文。該論文通訊作者為麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)的Jinchi Han、Jeffrey H. Lang和Vladimir Bulovi?。


這項研究展示了一種多功能的聲學(xué)活性表面,該表面由一組能夠發(fā)射和接受聲波的壓電微結構組成。在PVDF柔性壓電片上采用單步壓印的獨立微結構陣列,可通過(guò)壓印微結構的調諧獲得高質(zhì)量的聲學(xué)性能。這種聲活性表面所展示的高靈敏度和大帶寬的聲波產(chǎn)生,優(yōu)于以往報道的使用PVDF、PVDF共聚物或無(wú)微結構的孔洞帶電聚合物的薄膜揚聲器。這項研究工作還進(jìn)一步探討了該器件的指向性及其在曲面上的應用。


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聲學(xué)活性表面的概念和結構圖


聲學(xué)活性表面的制備流程


這項研究之所以選用PVDF作為壓電層,是由于它具有柔性、透明且可大規模、低成本制造的特點(diǎn)。該研究中的微結構為球形膜片,這些微圓頂陣列在PVDF層上采用真空誘導自對準微壓印工藝制備。首先通過(guò)“激光光柵+穿孔的掩膜版”制備穿孔的PET層。然后將穿孔的PET層壓在兩側都有電極的平滑PVDF薄膜上。隨后將層壓板附著(zhù)在多孔真空層上,PVDF層上的壓差使與PET薄膜中通孔對齊的區域變形為與通孔尺寸相同的微圓頂。最后,在PVDF的底部再層壓另一個(gè)穿孔的PET層,并手動(dòng)將通孔(與微圓頂尺寸相同)與PVDF上的微圓頂陣列對齊。正是由于這種簡(jiǎn)單的自對準壓印,微圓頂在振動(dòng)過(guò)程中不會(huì )接觸頂部的PET層。


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聲學(xué)活性表面的制備流程


微結構可調諧聲學(xué)性能


獨立壓電微圓頂的存在使得即便聲學(xué)表面附著(zhù)于剛性物體上,也能產(chǎn)生并感知聲波。微圓頂的形狀和尺寸對其在固定激勵下的撓度起著(zhù)重要作用,而撓度進(jìn)一步?jīng)Q定了聲學(xué)表面的整體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。因此,設計這些基本的功能單元可以實(shí)現在很大范圍內對聲學(xué)表面進(jìn)行特性調諧。


這項研究利用壓電微結構陣列作為聲波產(chǎn)生和感知的基本單元,開(kāi)發(fā)了一種多功能聲學(xué)活性表面。獨立微結構可以自由振動(dòng),從而使在各類(lèi)物體上用作揚聲器和/或麥克風(fēng)的聲學(xué)表面具有高靈敏度。這樣的應用對于依賴(lài)于大面積聲學(xué)薄膜彎曲的現有技術(shù)來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰,后者需要對整個(gè)聲學(xué)薄膜進(jìn)行獨立設計。


該研究工作中微結構的形狀和尺寸還提供了多種設計自由度,可以在大范圍內調諧聲學(xué)表面的靈敏度和帶寬,或在期望的頻率上實(shí)現更高的性能。由壓電微結構形成的聲學(xué)表面實(shí)現了高質(zhì)量的聲波產(chǎn)生特性。憑借其輕薄的外形,研究證明了該聲學(xué)表面可以附著(zhù)于彎曲的物體上,從而使其具有聲學(xué)活性。該特性允許這種“聲學(xué)壁紙”非侵入式貼裝且無(wú)處不在,以實(shí)現沉浸式虛擬體驗(包括虛擬現實(shí)(VR)/增強現實(shí)(AR),主動(dòng)噪聲控制以及局域性聲音傳播)。這項研究還表明,該聲學(xué)表面具有高靈敏度、低失真和寬動(dòng)態(tài)范圍的特征,可以感知并記錄人聲,這為機器人的智能皮膚和人機界面等應用提供了新平臺。


此外,該微結構可以單獨或在小區域內尋址,并作為聲學(xué)換能器的相控陣進(jìn)行控制。由此產(chǎn)生的對駐波和行波的控制能力以及其在超聲波范圍內的良好性能,為自動(dòng)駕駛汽車(chē)、立體顯示技術(shù)以及生命科學(xué)與生物醫學(xué)工程中的物質(zhì)操縱提供了替代聲學(xué)系統。這些研究成果均體現出該聲學(xué)表面作為現有和新興聲學(xué)應用中通用、可擴展及潛在的經(jīng)濟型接口的廣闊前景。


這項研究工作獲得了美國麻省理工學(xué)院-福特聯(lián)盟協(xié)議(MIT-Ford Alliance agreement,MIT 0224)和Lendlease集團的資金支持。


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