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基于压电微结构的多功能声学活性表面,可用于扬声器和麦克风
2022-06-21    来源:麦姆斯咨询  浏览次数:
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主动噪声控制、人机界面、机器人、超声成像、自动驾驶、触觉传感以及非接触式物质操控(声音可作为传感、驱动和通信的媒介)等各类工业和商业应用的功能需求,推动了对声学换能器需求的快速增长。这些技术需求正推动着研究人员开发适于大规模应用的低成本、高性能的声学换能器技术。其中,压电换能器凭借其多功能性、结构简单、功耗低、易于扩展等特性,在紧凑型和广域应用中越来越受青睐。


为了解决对大面积形状的需求,研究人员基于聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物[P(VDF-TrFE)]、压电纳米颗粒、孔洞带电聚合物和电活性聚合物,开发了各种柔性薄膜扬声器。然而,大多数器件设计依赖于独立的压电层变形。当它们粘接于刚性物体表面时,压电层的弯曲度就会受到很大限制,从而导致声学性能下降。该特点削弱了这些轻量化且具有成本效应的超薄扬声器的优势,也限制了其应用前景。此外,作为声音接收器而非声音发生器,这些器件的微音反应往往没有得到有效探索。


近日,美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的研究团队在Nature旗下合作期刊Microsystems & Nanoengineering发表了以“基于压电微结构的多功能声学活性表面(A versatile acoustically active surface based on piezoelectric microstructures)”为主题的研究论文。该论文通讯作者为麻省理工学院电气工程与计算机科学的Jinchi Han、Jeffrey H. Lang和Vladimir Bulović。


这项研究展示了一种多功能的声学活性表面,该表面由一组能够发射和接受声波的压电微结构组成。在PVDF柔性压电片上采用单步压印的独立微结构阵列,可通过压印微结构的调谐获得高质量的声学性能。这种声活性表面所展示的高灵敏度和大带宽的声波产生,优于以往报道的使用PVDF、PVDF共聚物或无微结构的孔洞带电聚合物的薄膜扬声器。这项研究工作还进一步探讨了该器件的指向性及其在曲面上的应用。


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声学活性表面的概念和结构图


声学活性表面的制备流程


这项研究之所以选用PVDF作为压电层,是由于它具有柔性、透明且可大规模、低成本制造的特点。该研究中的微结构为球形膜片,这些微圆顶阵列在PVDF层上采用真空诱导自对准微压印工艺制备。首先通过“激光光栅+穿孔的掩膜版”制备穿孔的PET层。然后将穿孔的PET层压在两侧都有电极的平滑PVDF薄膜上。随后将层压板附着在多孔真空层上,PVDF层上的压差使与PET薄膜中通孔对齐的区域变形为与通孔尺寸相同的微圆顶。最后,在PVDF的底部再层压另一个穿孔的PET层,并手动将通孔(与微圆顶尺寸相同)与PVDF上的微圆顶阵列对齐。正是由于这种简单的自对准压印,微圆顶在振动过程中不会接触顶部的PET层。


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声学活性表面的制备流程


微结构可调谐声学性能


独立压电微圆顶的存在使得即便声学表面附着于刚性物体上,也能产生并感知声波。微圆顶的形状和尺寸对其在固定激励下的挠度起着重要作用,而挠度进一步决定了声学表面的整体静态和动态性能。因此,设计这些基本的功能单元可以实现在很大范围内对声学表面进行特性调谐。


这项研究利用压电微结构阵列作为声波产生和感知的基本单元,开发了一种多功能声学活性表面。独立微结构可以自由振动,从而使在各类物体上用作扬声器和/或麦克风的声学表面具有高灵敏度。这样的应用对于依赖于大面积声学薄膜弯曲的现有技术来说是个挑战,后者需要对整个声学薄膜进行独立设计。


该研究工作中微结构的形状和尺寸还提供了多种设计自由度,可以在大范围内调谐声学表面的灵敏度和带宽,或在期望的频率上实现更高的性能。由压电微结构形成的声学表面实现了高质量的声波产生特性。凭借其轻薄的外形,研究证明了该声学表面可以附着于弯曲的物体上,从而使其具有声学活性。该特性允许这种“声学壁纸”非侵入式贴装且无处不在,以实现沉浸式虚拟体验(包括虚拟现实(VR)/增强现实(AR),主动噪声控制以及局域性声音传播)。这项研究还表明,该声学表面具有高灵敏度、低失真和宽动态范围的特征,可以感知并记录人声,这为机器人的智能皮肤和人机界面等应用提供了新平台。


此外,该微结构可以单独或在小区域内寻址,并作为声学换能器的相控阵进行控制。由此产生的对驻波和行波的控制能力以及其在超声波范围内的良好性能,为自动驾驶汽车、立体显示技术以及生命科学与生物医学工程中的物质操纵提供了替代声学系统。这些研究成果均体现出该声学表面作为现有和新兴声学应用中通用、可扩展及潜在的经济型接口的广阔前景。


这项研究工作获得了美国麻省理工学院-福特联盟协议(MIT-Ford Alliance agreement,MIT 0224)和Lendlease集团的资金支持。