这种柔性薄膜器件有可能将任何表面变成低功率、高质量的音源。
麻省理工学院的工程师们开发出了一种像纸一样薄的扬声器，可以将任何表面变成音源。它的重量相当于一个 10 美分的硬币，无论粘在什么表面上都能生成高品质的声音。这种薄膜扬声器产生的声音失真最小，而且使用的能量也比传统扬声器少得多。为了实现这些特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只需要三个基本步骤。利用这种技术，他们可以制造出足够大的超薄扬声器，覆盖汽车内部或整个房间。此外，这种薄膜扬声器可以通过产生振幅相同但相位相反的声音，在嘈杂的环境（如飞机驾驶舱）中进行主动降噪。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园里提供三维音频。由于它重量轻，运行时需要的电量很少，因此非常适合电池寿命有限的智能设备应用。这项研究成果近日发表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188「拿起一张看起来很薄的纸，用两个夹子夹住它，把它插到你电脑的耳机接口上，然后开始听到它发出的声音，这种感觉很棒。它可以在任何地方使用，只需要一点点电力就可以运行，」MIT.nano 的主任、论文作者 Vladimir Bulovi 表示。耳机或音频系统中常见的典型扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场移动扬声器薄膜，带动薄膜上方的空气，从而产生我们听到的声音。相比之下，MIT 工程师设计的新扬声器简化了传统设计，使用了一种成型的压电材料薄膜。当电压施加在其上时，薄膜会移动，从而带动其上方的空气并产生声音。大多数薄膜扬声器都被设计成独立式（不需依靠支撑物），因为薄膜必须自由弯曲才能发声。将这些扬声器安装在某个表面上会阻碍振动，并妨碍它们产生声音的能力。为了克服这一问题，MIT 的团队重新思考了薄膜扬声器的设计。他们给出的方案是：不让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶振动发声，其中的每个小圆顶都是单独振动。这些圆顶每个只有几根头发那么宽，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。在日常操作中，相同的间隔层保护圆顶免受磨损和冲击，提高了扬声器的耐用性。为了制造扬声器，研究人员使用激光在 PET 薄片上切割出微小的孔，PET 是一种轻质塑料。他们在穿孔 PET 层的下面贴上一层非常薄（8 微米）的压电材料薄膜，称为 PVDF。然后他们把粘合的薄片上方抽成真空，并在薄片下方施加 80 摄氏度的热源。由于 PVDF 层很薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF 不能强行穿过 PET 层，所以在没有被 PET 阻挡的地方会有微小的圆顶突起。这些突起与 PET 层中的孔自对准。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一层 PET 层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的隔离物。「这是一个非常简单明了的过程。如果我们将其与卷对卷制程工艺（roll-to-roll）相结合，我们就能量产这些扬声器，然后用类似贴墙纸的方式将其覆盖到墙壁、汽车或飞机内部。」论文一作 Jinchi Han 表示。薄膜扬声器中的小圆顶高 15 微米，大约是人类头发厚度的六分之一，它们振动时只能上下移动大约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元，所以需要成千上万个这样的小圆顶一起振动才能产生听得见的声音。制造过程简单的另一个好处是可调性强——研究人员可以改变 PET 上孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶能带动更多的空气振动，产生更大的声音，但较大的圆顶也有较低的共振频率，这会导致音频失真。在完善了制造技术之后，研究人员测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度，以达到最佳组合。他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风 30 厘米的墙上，测试其声压水平（以分贝为单位）。当 25 伏特的电压以 1 千赫兹的频率通过该装置时，扬声器产生了 66 分贝的高质量声音。在 10 千赫时，声压级增加到 86 分贝，大约相当于城市交通的音量。这种节能装置每平方米扬声器面积只需要大约 100 毫瓦的功率，相比之下，如果在类似距离内产生相近的声压，一个普通家用扬声器可能要消耗超过 1 瓦特的电力。Han 解释说，因为是微型的拱顶在振动，而不是整个薄膜振动，扬声器有足够高的共振频率，可以有效地用于超声波应用，比如成像方面。超声成像使用极高频的声波产生图像，更高的频率能够产生更高分辨率的图像。Bulović表示，这种装置还可以利用超声波探测人类站在房间里的位置，就像蝙蝠会利用回声定位一样，然后跟随人类的移动形成声波。如果在薄膜的振动圆顶上覆盖一层反射表面，它们可以用来为未来显示技术的发光模式提供思路。如果被浸泡于液体中，振动膜可以提供一种搅拌化学品的新方法，使得化学处理技术能够比大批量处理方法使用更少的能源。「我们有能力通过激活可伸缩的物理表面，精确地生成空气的机械运动。这种技术带给人的想象空间是无限的。」Bulović说道。原文链接：https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426 
带你走进MEMS的世界 （一）
