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Jul 13, 2023

圧電微細構造に基づいた多用途の音響活性表面

Microsystems & Nanoengineering volume 8、記事番号: 55 (2022) この記事を引用する 3094 アクセス数 3 引用数 メトリクスの詳細 私たちは、

Microsystems & Nanoengineering volume 8、記事番号: 55 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

我々は、音波を放射および感知できる圧電微細構造の集合体からなる多用途の音響活性表面を実証する。 ポリフッ化ビニリデン（PVDF）の柔軟な圧電シート上にワンステップでエンボス加工された自立型微細構造アレイにより、高品質の音響性能が得られ、エンボス加工された微細構造の設計によって調整できます。 この音響活性表面によって実証された音声生成の高感度と広い帯域幅は、PVDF、PVDF コポリマー、または微細構造を持たないボイド荷電ポリマーを使用したこれまでに報告された薄膜スピーカーよりも優れた性能を発揮します。 このデバイスの指向性と曲面での使用をさらに検討します。 さらに、表面によって高忠実度の音響認識が実証され、音声録音や話者認識のためのマイクロフォニック用途が可能になります。 この音響活性表面の多用途性、高品質の音響性能、最小限のフォームファクター、および将来の生産の拡張性により、この技術の広範な産業および商業的採用につながる可能性があります。

音響トランスデューサの需要が急成長しているのは、アクティブノイズ制御 1,2、ヒューマンマシンインターフェース 3,4、ロボット工学 5、超音波イメージング 6、自動運転 7、触覚センシング 8、非接触物質操作 9,10 など、産業および商業の多様なニーズによって動機付けられています。ここでは、音が感知、作動、通信の媒体として機能する場合があります。 これらの技術的ニーズにより、大規模アプリケーションに適した低コストで高性能の音響トランスデューサ技術の開発への関心が高まっています12、13、14、15、16、17、18、19、20。 中でも、圧電トランスデューサは、その多用途性、単純な構造、低消費電力、およびコンパクトおよび広域アプリケーションの両方に対する拡張性の容易さにより、ますます魅力的になっています16、17、18。

大面積フォームファクターのニーズに対応するために、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)1,17、ポリ(フッ化ビニリデン-co-トリフルオロエチレン) [P(VDF-TrFE)] をベースにしたさまざまなフレキシブル薄膜スピーカーが開発されています。 18、19、20、21、圧電ナノ粒子22、ボイド化荷電ポリマー23、24、および電気活性ポリマー25。 ただし、ほとんどの設計は、自立型および/または湾曲した圧電層の曲げに依存しています。 硬い物の表面に接着すると、層の曲がりが大幅に制限され、音響性能が低下する可能性があります。 これは、これらの超薄型、軽量、コスト効率の高いラウドスピーカーの利点を損ない、その用途の見通しを制限します。 さらに、サウンドジェネレーターではなくサウンドレシーバーとしてのこれらのデバイスのマイクロフォニック応答は、多くの場合未調査のままです。

現在の研究では、音を感知して生成できる自立型圧電微細構造の集合体に基づいた大面積音響薄膜トランスデューサを開発します。 これらのアクティブ音響表面は薄くて柔軟で、光学的に透明であるため、目立たない方法でさまざまな物体に取り付けることができ、それによってスピーカー、マイク、および/または超音波トランシーバーとして実装できます。 自立した突起状の微細構造は自由に振動することができ、硬い物体に接着されている場合でも、音響表面による音の生成と知覚に対する高い感度を保証します。 幅広い応用シナリオは、そのような微細構造を持たない同様の音響フィルムを含む従来技術に比べて大きな利点を示す。 さまざまなニーズに応える音響活性表面の応用例の概要を図 1a に示します。 私たちの研究は、広い音響表面積にわたって高密度に配置された活性微細構造の使用が、音響面に高品質のパフォーマンスと多用途性をもたらし、それにより、人工知能アプリケーション、仮想現実と拡張現実、ロボット工学、スマートホームでの使用のための新しい音響インターフェースを可能にすることを示しています。テクノロジーと生体医工学。