Новости

Jul 13, 2023

Универсальная акустически активная поверхность на основе пьезоэлектрических микроструктур.

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 55 (2022) Цитировать эту статью 3094 Доступов 3 Цитирования Показатели подробно Мы демонстрируем универсальную акустически активную поверхность, состоящую из

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 55 (2022) Цитировать эту статью

3094 Доступа

3 цитаты

Подробности о метриках

Мы демонстрируем универсальную акустически активную поверхность, состоящую из ансамбля пьезоэлектрических микроструктур, способных излучать и воспринимать акустические волны. Отдельностоящий массив микроструктур, тисненый за один этап на гибком пьезоэлектрическом листе поливинилиденфторида (ПВДФ), обеспечивает высококачественные акустические характеристики, которые можно настроить с помощью дизайна тисненых микроструктур. Высокая чувствительность и большая полоса пропускания для генерации звука, продемонстрированная этой акустически активной поверхностью, превосходят ранее сообщавшиеся тонкопленочные громкоговорители с использованием ПВДФ, сополимеров ПВДФ или полых заряженных полимеров без микроструктур. Далее мы исследуем направленность этого устройства и его использование на изогнутой поверхности. Кроме того, поверхность демонстрирует высококачественное восприятие звука, что позволяет использовать ее в микрофонных целях для записи голоса и распознавания говорящего. Универсальность, высококачественные акустические характеристики, минимальный форм-фактор и масштабируемость будущего производства этой акустически активной поверхности могут привести к широкому промышленному и коммерческому внедрению этой технологии.

Быстрорастущий спрос на акустические преобразователи мотивирован разнообразными промышленными и коммерческими потребностями, такими как активный контроль шума1,2, взаимодействие человека и машины3,4, робототехника5, ультразвуковая визуализация6, автоматическое вождение7, тактильное зондирование8 и бесконтактное манипулирование материей9,10. 11, где звук может выступать в качестве средства восприятия, срабатывания и связи. Эти технические потребности стимулируют интерес к разработке недорогих и высокопроизводительных технологий акустических преобразователей, подходящих для крупномасштабных применений12,13,14,15,16,17,18,19,20. Среди них пьезоэлектрические преобразователи становятся все более привлекательными благодаря своей универсальности, простой конструкции, низкому энергопотреблению и простоте масштабирования как для компактных, так и для широкомасштабных применений16,17,18.

Чтобы удовлетворить потребность в форм-факторах большой площади, были разработаны разнообразные гибкие тонкопленочные громкоговорители на основе поливинилиденфторида (ПВДФ)1,17, поли(винилиденфторид-ко-трифторэтилена) [P(VDF-TrFE)] 18,19,20,21, пьезоэлектрические наночастицы22, пористые заряженные полимеры23,24 и электроактивные полимеры25. Однако большинство конструкций основано на изгибе отдельно стоящих и/или изогнутых пьезоэлектрических слоев. Когда они приклеиваются к поверхности жестких объектов, изгиб слоев сильно ограничивается, что может привести к ухудшению акустических характеристик. Это сводит на нет преимущества этих ультратонких, легких и экономичных громкоговорителей и ограничивает перспективы их применения. Кроме того, микрофонные характеристики этих устройств, являющихся приемниками звука, а не генераторами звука, часто остаются неисследованными.

В настоящей работе мы разрабатываем акустический тонкопленочный преобразователь большой площади на основе ансамбля отдельно стоящих пьезоэлектрических микроструктур, способных воспринимать и генерировать звук. Эти активные акустические поверхности тонкие, гибкие и могут быть оптически прозрачными, что позволяет незаметно монтировать их на различных объектах и ​​таким образом использовать в качестве громкоговорителей, микрофонов и/или ультразвуковых приемопередатчиков. Отдельно стоящие выступающие микроструктуры могут свободно вибрировать, обеспечивая высокую чувствительность к генерации и восприятию звука акустической поверхностью, даже если она прикреплена к жесткому объекту. Широкие сценарии применения представляют собой значительное преимущество по сравнению с предшествующим уровнем техники, включающим аналогичные акустические пленки без таких микроструктур. Примеры применения акустически активных поверхностей для различных нужд показаны на рис. 1а. Наша работа показывает, что использование плотно расположенных активных микроструктур на больших площадях акустических поверхностей обеспечивает высококачественные характеристики и универсальность акустических поверхностей, что позволяет создать новый акустический интерфейс для использования в приложениях искусственного интеллекта, виртуальной и дополненной реальности, робототехнике, умном доме. технологии и биомедицинская инженерия.