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Aug 03, 2023

Une surface acoustiquement active polyvalente basée sur des microstructures piézoélectriques

Microsystems & Nanoengineering volume 8, Numéro d'article : 55 (2022) Citer cet article 3174 Accès à 3 citations Détails des métriques Nous démontrons une surface acoustiquement active polyvalente composée d'un

Microsystèmes & Nanoingénierie volume 8, Numéro d'article : 55 (2022) Citer cet article

3174 Accès

3 citations

Détails des métriques

Nous démontrons une surface acoustiquement active polyvalente constituée d’un ensemble de microstructures piézoélectriques capables de rayonner et de détecter des ondes acoustiques. Un ensemble de microstructures autoportantes gaufrées en une seule étape sur une feuille piézoélectrique flexible de fluorure de polyvinylidène (PVDF) conduit à des performances acoustiques de haute qualité, qui peuvent être ajustées par la conception des microstructures gaufrées. La haute sensibilité et la large bande passante pour la génération sonore démontrées par cette surface acoustiquement active surpassent les haut-parleurs à couche mince précédemment rapportés utilisant du PVDF, des copolymères de PVDF ou des polymères chargés vides sans microstructures. Nous explorons plus en détail la directivité de ce dispositif et son utilisation sur une surface courbe. De plus, la perception sonore haute fidélité est démontrée par la surface, permettant son application microphonique pour l'enregistrement vocal et la reconnaissance du locuteur. La polyvalence, les performances acoustiques de haute qualité, le facteur de forme minimal et l’évolutivité de la production future de cette surface acoustiquement active peuvent conduire à une large adoption industrielle et commerciale de cette technologie.

La demande croissante de transducteurs acoustiques est motivée par divers besoins industriels et commerciaux, tels que le contrôle actif du bruit1,2, l'interface homme-machine3,4, la robotique5, l'imagerie ultrasonique6, la conduite automatisée7, la détection tactile8 et la manipulation de matière sans contact9,10. 11, où le son peut servir de moyen de détection, d’actionnement et de communication. Ces besoins techniques suscitent l’intérêt pour le développement de technologies de transducteurs acoustiques peu coûteuses et performantes, adaptées aux applications à grande échelle12,13,14,15,16,17,18,19,20. Parmi eux, les transducteurs piézoélectriques sont de plus en plus attrayants en raison de leur polyvalence, de leur structure simple, de leur faible consommation d'énergie et de leur facilité d'évolutivité pour les applications compactes et étendues16,17,18.

Pour répondre au besoin de facteurs de forme de grande surface, une variété de haut-parleurs flexibles à couches minces ont été développés à base de fluorure de polyvinylidène (PVDF)1,17, de poly(fluorure de vinylidène-co-trifluoroéthylène) [P(VDF-TrFE)] 18,19,20,21, nanoparticules piézoélectriques22, polymères chargés vides23,24 et polymères électroactifs25. Cependant, la plupart des conceptions reposent sur la flexion de couches piézoélectriques autoportantes et/ou incurvées. Lorsqu’elles sont collées à la surface d’objets rigides, la flexion des couches est fortement limitée, ce qui peut entraîner une dégradation des performances acoustiques. Cela compromet les avantages de ces haut-parleurs ultrafins, légers et économiques et limite leurs perspectives d'application. De plus, les réponses microphoniques de ces appareils, en tant que récepteurs de sons plutôt que générateurs de sons, restent souvent inexplorées.

Dans le présent travail, nous développons un transducteur acoustique à couche mince de grande surface basé sur un ensemble de microstructures piézoélectriques autonomes capables de détecter et de générer du son. Ces surfaces acoustiques actives sont minces et flexibles et peuvent être optiquement transparentes, ce qui leur permet d'être montées sur divers objets de manière discrète et ainsi mises en œuvre comme haut-parleurs, microphones et/ou émetteurs-récepteurs ultrasoniques. Les microstructures saillantes autonomes peuvent vibrer librement, garantissant une sensibilité élevée pour la génération et la perception du son par la surface acoustique, même lorsqu'elle est collée à un objet rigide. Les vastes scénarios d'application représentent un avantage significatif par rapport à l'art antérieur impliquant des films acoustiques similaires sans de telles microstructures. Des exemples d'applications de surfaces acoustiquement actives, répondant à divers besoins, sont présentés sur la figure 1a. Nos travaux montrent que l'utilisation de microstructures actives densément déployées sur de grandes surfaces acoustiques apporte des performances et une polyvalence de haute qualité aux surfaces acoustiques, permettant ainsi une nouvelle interface acoustique à utiliser dans les applications d'intelligence artificielle, de réalité virtuelle et augmentée, de robotique et de maison intelligente. technologies et génie biomédical.