大幅改善音訊輸出的微型壓電陣列揚聲器

作者 : Bill Schweber,EE Times特約作者

壓電效應是一種非常有用且非常普及的現象,在其中一些應用中,施加在壓電材料上的電壓被轉換為機械應變輸出,可用來製作奈米定位致動器,甚至用作基本聲源。

壓電效應是一種非常有用且非常普及的現象,工程師已將其用於無數感測器應用。在其中一些應用中,施加在壓電材料上的電壓被轉換為機械應變輸出,可用來製作奈米定位致動器,甚至用作基本聲源。反過來,若機械應力被施加到壓電材料上,壓電材料則成為感測器並產生電壓。這聽起來好像都是非常陳舊的概念,但那些具有創造性的聰明頭腦,總能利用合適材料的這種獨特特性,發揮這種效應並製造出各種類型的堅固、可靠和低成本的元件。

作為聲源的壓電式揚聲器具有多種屬性。它們可以做得相當薄,並產生相對較高的聲壓值(SPL),但由於機械和物理材料問題,聲音品質一直受到約束。如今,麻省理工學院(MIT)的一個團隊設計出了一種密集的微型壓電圓頂揚聲器陣列,為這種經典類比功能提供了一種新的物理呈現。最終產品是一個薄如紙且極具柔軟度的揚聲器,它可以將任何表面變成主動聲源,為「聲牆」(wall of sound)一詞賦予新的含義(圖1)。

 

圖1:密集排列的壓電揚聲器陣列具有柔軟紙片的外觀和感覺。

(來源:麻省理工學院)

 

傳統薄膜揚聲器必須允許薄膜自由彎曲來產生聲音,而將揚聲器牢固地安裝在表面上,這不僅會抑制振動,還會對其輸出產生衰減,並對其頻率響應產生限制。

麻省理工學院的團隊採用不同的方式解決了這個問題。他們的設計不是讓整個材料振動,而是在一薄層的壓電材料上製造出很多微型圓頂,其中每個圓頂都可以獨立振動。這些高約15微米(μm)的圓頂在振動時上下僅移動約半微米。每個圓頂都是一個獨立的發聲單元,因此需要數千個這樣的小圓頂一起振動才能產生可聽到的聲音。基本型揚聲器僅重2克,厚120微米,並且可以使用MIT團隊一直延用的標準製程進行低成本製造(圖2)。

 

圖2:(a) 6步驟製造過程利用標準加工步驟對常見材料進行創新的排列和分層;(b)所得壓電片的柔韌性清晰可見;(c)這張顯微照片展示了圓頂陣列的密度。

 

圓頂被薄膜頂部和底部的間隔層所包圍,不僅可以保護圓頂免受安裝表面的影響,同時能讓它們自由振動。這些同樣的間隔層還可以保護圓頂在日常使用過程中免受磨損和衝擊,從而提高揚聲器的耐用性。

研究人員使用雷射在聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)——也稱為PET薄片、一種包括飲料瓶在內得到廣泛應用的標準塑膠上切出微小的孔,並將穿過孔的PET層的底面與8微米厚的薄膜聚氟乙烯(PVDF)、即一種常見的商業和工業塗料層壓在一起。接著研究人員將黏合緊密的片材上方抽真空,並在下方施加80℃的熱源。

由於PVDF層非常薄,真空和熱源產生的壓力差很容易讓它鼓起來。由於PVDF無法強行穿過堅韌的PET層,因此微小的圓頂會凸出在未被PET阻擋的區域,並且這些凸出部分會與PET層中的孔自動對齊。然後,研究人員將PVDF的另一面與另一個PET層壓在一起,作為圓頂和黏合表面之間的隔離層。

經過廣泛的測試,結果發現,用1kHz/25Vrms的訊號作為激勵時,在30cm處可以測量到的聲壓值為66dB,若激勵訊號電壓保持不變,而將頻率提高到10kHz時,所測得的聲壓值高達86dB,且與其黏合的剛性表面無關。

這種製造方案的另一個有趣的屬性是,它允許透過改變PET中孔徑的大小,來實現一定程度的可調性。半徑較大的圓頂會推動更多的空氣,從而產生更大的聲音,但這些較大的圓頂也具有較低的共振頻率。

該技術不僅只適用於聽覺範圍的聲音。由於振動的只是那些微小的圓頂而不是整個薄膜,因此揚聲器具有的諧振頻率很高,可有效地用於醫學成像等超聲波應用。

「拿起看似一張又薄又窄紙張的壓電片,在上面夾上兩個夾子,將它插入電腦的耳機埠,就可以欣賞它發出的聲音,這很了不起!」Fariborz Maseeh新興市場主席、有機與奈米結構電子實驗室(ONE Lab)負責人、MIT.nano主任Vladimir Bolovi表示。另外,這種壓電材料甚至可以貼到牆壁上,構成「牆紙」(wallpaper)聲源,他補充。

這項研究工作在IEEE Transactions on Industrial Electronics上發表的論文「An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array」中有描述;他們還發佈了一段約40秒的YouTube影片,影片中這位演講者正在播放Queen樂團的「We are the Champions」。

你是否曾經製造過自己的客製化壓電感測器,尤其是尺寸極小和/或高密度的感測器?還是你認為這是一項僅限實驗室的創新,對商業影響不大?

(參考原文:Piezo audio devices go micro, revitalize output in a big way,by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年11月號

 

 

 

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