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Jul 13, 2023

Una superficie acústicamente activa versátil basada en microestructuras piezoeléctricas

Microsystems & Nanoengineering volumen 8, Número de artículo: 55 (2022) Cita este artículo 3094 Accesos 3 Citas Detalles de métricas Demostramos una superficie acústicamente activa versátil que consta de una

Microsistemas y nanoingeniería volumen 8, número de artículo: 55 (2022) Citar este artículo

3094 Accesos

3 citas

Detalles de métricas

Demostramos una superficie acústicamente activa versátil que consta de un conjunto de microestructuras piezoeléctricas que son capaces de irradiar y detectar ondas acústicas. Una matriz de microestructura independiente grabada en un solo paso sobre una lámina piezoeléctrica flexible de fluoruro de polivinilideno (PVDF) conduce a un rendimiento acústico de alta calidad, que puede ajustarse mediante el diseño de las microestructuras en relieve. La alta sensibilidad y el gran ancho de banda para la generación de sonido demostrados por esta superficie acústicamente activa superan a los altavoces de película delgada previamente informados que utilizan PVDF, copolímeros de PVDF o polímeros con carga hueca sin microestructuras. Exploramos más a fondo la directividad de este dispositivo y su uso en una superficie curva. Además, la superficie demuestra una percepción del sonido de alta fidelidad, lo que permite su aplicación microfónica para la grabación de voz y el reconocimiento de locutores. La versatilidad, el rendimiento acústico de alta calidad, el factor de forma mínimo y la escalabilidad de la producción futura de esta superficie acústicamente activa pueden conducir a una amplia adopción industrial y comercial de esta tecnología.

La creciente demanda de transductores acústicos está motivada por diversas necesidades industriales y comerciales, como el control activo del ruido1,2, la interfaz hombre-máquina3,4, la robótica5, las imágenes ultrasónicas6, la conducción automatizada7, la detección táctil8 y la manipulación de materia sin contacto9,10. 11, donde el sonido puede actuar como medio para la detección, la actuación y la comunicación. Estas necesidades técnicas están impulsando el interés en desarrollar tecnologías de transductores acústicos de bajo costo y alto rendimiento adecuadas para aplicaciones a gran escala12,13,14,15,16,17,18,19,20. Entre ellos, los transductores piezoeléctricos son cada vez más atractivos debido a su versatilidad, estructura simple, bajo consumo de energía y facilidad de escalabilidad para aplicaciones compactas y de área amplia16,17,18.

Para abordar la necesidad de factores de forma de área grande, se ha desarrollado una variedad de altavoces flexibles de película delgada basados ​​en fluoruro de polivinilideno (PVDF)1,17, poli(fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno) [P(VDF-TrFE)] 18,19,20,21, nanopartículas piezoeléctricas22, polímeros cargados con huecos23,24 y polímeros electroactivos25. Sin embargo, la mayoría de los diseños se basan en la flexión de capas piezoeléctricas independientes y/o curvas. Cuando se unen sobre la superficie de objetos rígidos, la flexión de las capas se restringe en gran medida y puede producirse un rendimiento acústico degradado. Esto socava las ventajas de estos altavoces ultrafinos, ligeros y rentables y limita sus perspectivas de aplicación. Además, las respuestas microfónicas de estos dispositivos, como receptores de sonido más que como generadores de sonido, a menudo quedan sin explorar.

En el presente trabajo, desarrollamos un transductor acústico de película delgada de gran área basado en un conjunto de microestructuras piezoeléctricas independientes que son capaces de detectar y generar sonido. Estas superficies acústicas activas son delgadas y flexibles y pueden ser ópticamente transparentes, lo que permite montarlas en diversos objetos de manera discreta y, por lo tanto, implementarlas como altavoces, micrófonos y/o transceptores ultrasónicos. Las microestructuras salientes independientes pueden vibrar libremente, lo que garantiza una alta sensibilidad para la generación y percepción del sonido por parte de la superficie acústica, incluso cuando está adherida a un objeto rígido. Los amplios escenarios de aplicación representan una ventaja significativa sobre la técnica anterior que involucra películas acústicas similares sin tales microestructuras. En la Fig. 1a se describen ejemplos de aplicaciones de superficies acústicamente activas, que satisfacen diversas necesidades. Nuestro trabajo muestra que el uso de microestructuras activas densamente desplegadas sobre grandes superficies acústicas genera un rendimiento de alta calidad y versatilidad para las superficies acústicas, permitiendo así una interfaz acústica novedosa para su uso en aplicaciones de inteligencia artificial, realidad virtual y aumentada, robótica y hogares inteligentes. tecnologías e ingeniería biomédica.

a Perspectivas de aplicación de las superficies acústicas. b Esquema que muestra la sección transversal de una superficie acústica y una imagen ampliada de una microestructura activa dentro de la matriz.

La superficie acústica (Fig. 1b) consta de una capa piezoeléctrica activa con una matriz de microestructura intercalada entre dos películas perforadas de poliéster (PET). La película superior perforada, que es más gruesa que la altura de las microestructuras acústicamente activas, protege las microestructuras del colapso por abrasión mecánica y/o impacto del manejo humano diario sin afectar sus vibraciones. La capa inferior de PET eleva las microestructuras para garantizar la libre vibración y proporciona una cavidad posterior para cada una, así como aislamiento de las contiguas. Las microestructuras activas generan o detectan ondas acústicas basadas en la respuesta piezoeléctrica d31. La película piezoeléctrica está polarizada a lo largo de la dirección del espesor de la película. Cuando se aplica un voltaje de CA a través de la capa piezoeléctrica, el campo eléctrico a lo largo de la dirección del espesor de la película induce tensión en el plano y hace que las microestructuras piezoeléctricas con bordes sujetos se expandan y contraigan periódicamente. De este modo, la vibración de la microestructura desplaza el aire circundante para generar sonido. Por el contrario, el sonido que incide sobre la superficie acústica provoca la deformación de las microestructuras piezoeléctricas y conduce a la acumulación de carga en los electrodos, transduciendo así la presión acústica incidente. Aquí, todas las microestructuras están conectadas en paralelo mediante capas de electrodos continuas para lograr una mayor sensibilidad para la generación y percepción del sonido. Las microestructuras también se pueden abordar y controlar individualmente o en grupos segmentando los electrodos.

Se selecciona PVDF para la capa piezoeléctrica porque es flexible, transparente y puede fabricarse de manera rentable a gran escala. Las microestructuras en este trabajo toman el perfil de diafragmas esféricos, y la disposición de estas cúpulas a microescala en la capa de PVDF se prepara mediante un proceso de microestampado autoalineado inducido por vacío (Fig. 2a); Los detalles de fabricación se pueden encontrar en la sección "Métodos". Primero se prepara una capa de PET perforada mediante rasterizado láser complementado con una máscara de sombra perforada. Aquí se selecciona una oblea de silicio perforada como máscara de sombra para facilitar la adaptación del tamaño y la forma de las vías de paso en la oblea de silicio mediante microfabricación, pero puede no ser óptima para la fabricación de alto rendimiento. Luego, la capa de PET perforada se lamina sobre una película plana de PVDF que tiene electrodos en ambos lados. Posteriormente, el laminado se adhiere a una etapa de vacío porosa y la diferencia de presión a través de la capa de PVDF deforma las áreas que se alinean con las vías de paso en la película de PET en microdomos que tienen el mismo tamaño que las vías de paso. En este método, la capa de PET perforada (50 μm de espesor) sobre PVDF (12 μm de espesor) funciona como un molde para lograr un estampado autoalineado. Finalmente, se lamina otra capa de PET perforada en la parte inferior de PVDF y las vías pasantes (del mismo tamaño que los domos) se alinean manualmente con la matriz de microdomos en PVDF. Como resultado de este simple estampado autoalineado, las cúpulas no entran en contacto con la capa superior de PET durante sus vibraciones. La desalineación entre las vías de paso en la capa inferior de PET y las cúpulas también influye de manera insignificante en la vibración de estas microestructuras sobresalientes (Fig. 1b); dicha desalineación se minimiza en un entorno de fabricación industrial, ya que se pueden fabricar capas de PET superior e inferior perforadas idénticas (por ejemplo, mediante moldeo o fundición) y alinearlas fácilmente con sistemas automatizados. El proceso de microestampado propuesto es compatible con la mayoría de las técnicas de procesamiento de polímeros26 y puede integrarse con el procesamiento rollo a rollo para crear conjuntos de microestructuras en películas de PVDF de una manera de alto rendimiento. Aquí, nos centramos en muestras de 10 cm × 10 cm (lo que produce un área activa de 9 cm × 9 cm), limitadas únicamente por los conjuntos de herramientas disponibles en nuestro entorno de investigación. En la figura 2b se presenta un ejemplo de una superficie acústica flexible y transparente. Una superficie de este tipo se puede instalar sobre un objeto arbitrario sin cambiar su apariencia subyacente. Por ejemplo, la superficie acústica se puede adherir al exterior de una taza de vidrio, ampliándola para que tenga la funcionalidad de un altavoz (video complementario S1).

a Flujo de proceso de fabricación de dispositivos que implica un estampado autoalineado inducido por vacío para crear una matriz de microdomo piezoeléctrico. b Una superficie acústica representativa, flexible y transparente. En este ejemplo, se depositan electrodos transparentes de óxido de indio y estaño sobre la capa piezoeléctrica, generando una superficie acústica transparente y eléctricamente activa.

La existencia de microdomos piezoeléctricos independientes permite la generación y percepción del sonido incluso cuando la superficie acústica está unida a un objeto rígido. Las Figuras 3a yb presentan un análisis de elementos finitos de la distribución del potencial eléctrico bajo una carga uniforme (aplicación microfónica) y la distribución de desplazamiento bajo una excitación de campo eléctrico (aplicación de altavoz), respectivamente, sobre un microdomo con periferias sujetas. El perfil y las dimensiones de un microdomo juegan un papel importante en su deflexión bajo excitación fija, y la deflexión determina además el rendimiento estático y dinámico general de la superficie acústica. Como resultado, el diseño de estas unidades funcionales básicas permite una sintonización característica de la superficie acústica en un amplio rango. Las Figuras 3c-e describen la dependencia de la deflexión en el centro del domo y su frecuencia de resonancia en el radio del domo, el espesor de la película y la altura central del domo, respectivamente. El diseño de estas dimensiones del domo permite adaptar la sensibilidad y el ancho de banda para la generación de sonido. La simulación indica que una cúpula más grande con espesor reducido en general exhibe más deflexión y por lo tanto una mayor sensibilidad. Doblar previamente una placa delgada circular hasta cierto punto es favorable para su deflexión bajo la misma excitación. Esto da como resultado una altura de cúpula óptima relacionada con su rigidez a la flexión. Dado que la rigidez a la flexión depende del espesor de la película pero no del radio del domo, la altura óptima del domo debe depender sólo del espesor de la película. La Figura 3e muestra que las alturas óptimas de la cúpula central, H, para radios R = 350 μm y R = 800 μm son aproximadamente H = 12 μm cuando el espesor de la película es h = 12 μm. Los resultados de simulación adicionales (Figs. S1a y S2a) verifican que dicha altura óptima solo depende del espesor de la película. La variación en la deflexión máxima durante el escalado del radio del domo y el espesor de la película en función de las alturas centrales óptimas se puede encontrar en las figuras S1b y S2b. La frecuencia de resonancia de un transductor en forma de cúpula aumenta monótonamente al disminuir el radio de la cúpula y aumentar la altura central y el espesor de la película. Esta información numérica puede guiar el diseño de microestructuras piezoeléctricas para el ancho de banda deseado o un rendimiento mejorado en una frecuencia particular.

a Distribución de potencial eléctrico inducida por una carga uniforme (1 Pa) aplicada sobre un microdomo de PVDF. b Distribución de desplazamiento sobre un microdomo de PVDF bajo una excitación de voltaje de 10 V. El potencial eléctrico en a y el desplazamiento en b están representados por el color de cada figura. La cúpula simulada en a y b tiene un radio de 350 μm, una altura central de 15 μm y un espesor de película de 12 μm. c – e Dependencia de la deflexión de la cúpula (curvas continuas) y la frecuencia de resonancia (curvas discontinuas) del radio de la cúpula R (c), el espesor de la película h (d) y la altura central de la cúpula H (e). Las deflexiones corresponden a 10 V aplicados a través de los electrodos. La simulación en c mantiene una relación de aspecto constante (H/R = 5%) o una altura central constante (H = 15 μm) mientras aumenta el tamaño de la cúpula. La simulación en d establece una altura central constante de 15 μm, mientras que en e establece un espesor de película constante de 12 μm. El PVDF utilizado en la simulación es uniaxial con d31 = 22 pC/N.

La generación de sonido de la superficie acústica se mide en una configuración de cámara anecoica (Fig. S3a). La respuesta de frecuencia de la superficie acústica que actúa como altavoz se evalúa basándose en el nivel de presión sonora (SPL) medido a 30 cm de distancia del dispositivo bajo un voltaje de excitación sinusoidal con una amplitud de 10 V y una frecuencia variable. En la Fig. 4a se comparan los resultados de dos muestras de superficies acústicas basadas en microdomos de diferentes tamaños. Aunque las muestras se unen a un deflector plano rígido durante la medición, el conjunto de microdomo independiente permite un rendimiento acústico de alta calidad en rangos de frecuencia audibles y ultrasónicos. Específicamente, se producen 61 dB SPL, 79 dB SPL y 106 dB SPL a frecuencias de conducción de f = 1 kHz, 10 kHz y 100 kHz, respectivamente, y a una distancia de 30 cm mediante la muestra que tiene microdomos de 800 μm de radio impulsados ​​por una tensión sinusoidal con una amplitud de 10 V. La sensibilidad correspondiente para la generación de sonido supera a la de los altavoces de película delgada de gran superficie basados ​​en nanopartículas cerámicas piezoeléctricas22 y electretos celulares23,24, que normalmente tienen respuestas piezoeléctricas mucho más fuertes que el PVDF. Además, la generación de sonido basada en el accionamiento de las microestructuras en lugar de toda la película permite un gran ancho de banda y una alta sensibilidad también en el rango ultrasónico, superior a la de los altavoces curvos independientes de PVDF y P(VDF-TrFE)17,19, 20. En la Tabla 1 se proporciona una comparación más detallada del rendimiento acústico entre el dispositivo propuesto y los altavoces representativos de película delgada de área grande. Nuestra superficie acústica exhibe el rendimiento más alto para la generación de sonido en términos de sensibilidad normalizada y ancho de banda. Además, las dos muestras con diferentes radios de cúpula tienen diferentes picos de resonancia en la Fig. 4a. La frecuencia de resonancia disminuye como resultado del aumento del radio de la cúpula, lo que concuerda con la tendencia simulada en la Fig. 3c. Se evalúa más a fondo la generación de sonido en respuesta a un voltaje variable. En la Fig. 4b se presentan características de ejemplo en f = 10 kHz, que muestra una buena linealidad de la generación de sonido de la superficie acústica. Aumentar el tamaño de la cúpula da como resultado una mayor deflexión (Fig. 3c) y, por lo tanto, una mayor sensibilidad para la generación de sonido, como se muestra en la Fig. 4b. Las diferencias en la frecuencia de resonancia y la sensibilidad de las dos muestras verifican colectivamente las características sintonizables de la superficie acústica que se obtienen al diseñar las dimensiones del domo.

a Respuestas de frecuencia de superficies acústicas representativas. En la figura se comparan dos muestras de 10 cm × 10 cm (área activa: 9 cm × 9 cm) con el mismo espesor de película de 12 μm pero diferentes radios de cúpula. El nivel de presión sonora se mide a una distancia de 30 cm y una amplitud constante de 10 V de la tensión de conducción sinusoidal aplicada. Los pasos de la matriz de microdomo para la muestra de radio de 350 μm (R = 350 μm) y la muestra de radio de 800 μm (R = 800 μm) son 1 y 2 mm, respectivamente. b Niveles de presión sonora producidos por las muestras en respuesta a voltajes de accionamiento variables (RMS) en f = 10 kHz. c Respuestas de frecuencia de una superficie acústica fijada sobre un deflector plano rígido o sobre cilindros curvos de diferentes radios ρ en las mismas condiciones de prueba que en (a). El radio de la cúpula es R = 800 μm y el paso es de 2 mm. d Nivel de presión sonora producido por la muestra fijada en diferentes superficies en respuesta a la variación del voltaje de accionamiento (RMS) en f = 10 kHz. e Esquema que muestra la medición de los patrones de directividad de una superficie acústica montada sobre un deflector plano rígido y una superficie acústica montada sobre un cilindro rígido. f, g Patrones de directividad de una superficie acústica representativa (área activa: 9 cm × 9 cm) sobre un deflector rígido (curvas sólidas) y una superficie acústica representativa (área activa: 9 cm × 9 cm) sobre un cilindro de vidrio de radio ρ = 5 cm (curvas de puntos y rayas) en f = 2 kHz (f) y f = 20 kHz (g), respectivamente, en términos de SPL normalizado. El SPL en diferentes ángulos con respecto a la superficie acústica se mide manteniendo una distancia constante de 30 cm y se normaliza en función del valor máximo en el espacio. Las curvas discontinuas proporcionan las directividades teóricas de una superficie acústica plana a 2 y 20 kHz, predichas en función de la integral de Rayleigh.

Para demostrar la capacidad de nuestro dispositivo de trabajar en un objeto curvo, la superficie acústica con cúpulas de 800 μm de radio se retira del deflector plano y luego se une a cilindros de vidrio de diferentes radios (ρ = 3 o 5 cm) en secuencia para el mismo mediciones acústicas como en la Fig. 4a, b. No se observa ninguna degradación obvia en la respuesta de frecuencia o la linealidad del dispositivo en la Fig. 4c, d. Esto confirma que nuestra superficie acústica es capaz de lograr una generación de sonido de alta calidad cuando se monta sobre objetos curvos.

La directividad de generación de sonido del dispositivo se caracteriza midiendo el SPL a una distancia fija (30 cm) y variando el ángulo lejos de la normalidad del dispositivo (Fig. 4e). Las directividades en f = 2 kHz y f = 20 kHz se representan en las figuras 4f y g, respectivamente. Los patrones de radiación de la superficie acústica montada sobre un deflector plano rígido (curvas continuas) coinciden bien con los patrones teóricos (curvas discontinuas) predichos en función de la integral de Rayleigh (consulte los detalles en la Información complementaria). El resultado en f = 2 kHz (Fig. 4f) muestra una radiación sonora uniforme en el espacio, ya que el tamaño de la superficie acústica es menor que la longitud de onda acústica. Debido a que la longitud de onda acústica disminuye a una frecuencia más alta, la interferencia de las ondas acústicas irradiadas por los microdomos piezoeléctricos en diferentes puntos da como resultado una mayor direccionalidad (Fig. 4g) de la superficie acústica plana. Además, se puede formar y dirigir un haz acústico en el rango de frecuencia audible cuando se aumenta el tamaño de la superficie acústica y los microdomos se controlan individualmente o en bloques como una matriz en fase. Las directividades de una superficie acústica fijada en un cilindro de vidrio de un radio de 5 cm a 2 y 20 kHz también se miden y se muestran como curvas de puntos y rayas en las figuras 4f y g, respectivamente. De manera similar a la superficie acústica plana, la radiación sonora del dispositivo adherido a una superficie curva también es uniforme a 2 kHz. A 20 kHz, la radiación sonora se vuelve más uniforme en el espacio que la superficie acústica adherida a un deflector plano, ya que no todas las cúpulas piezoeléctricas miran en la misma dirección. También se ha estudiado la interferencia de la radiación sonora de dos superficies acústicas idénticas montadas sobre un deflector plano rígido y se muestra en la Fig. S8. Se obtienen mejoras de 13 dB SPL y 8 dB SPL a 2 y 20 kHz, respectivamente, colocando los dos dispositivos en fase en comparación con desfasándolos.

El sonido que incide en los microdomos provoca la acumulación de carga a través de los electrodos, que puede amplificarse y correlacionarse con la presión acústica. Esto también permite la aplicación microfónica de la superficie acústica. Aquí, utilizamos un amplificador de transimpedancia (Fig. S4) con una ganancia de 108 V/A y medimos la respuesta microfónica de la superficie acústica en una configuración de cámara anecoica (Fig. S3b). La sensibilidad para la percepción del sonido se evalúa mediante la relación entre la señal amplificada de la muestra y la presión acústica real, que se mide mediante un micrófono calibrado ubicado al lado de la muestra.

La respuesta de frecuencia de un dispositivo representativo se proporciona en la Fig. 5a. La variación en la sensibilidad por debajo de f = 2 kHz es relativamente pequeña, mientras que se observan tres picos de resonancia entre f = 3 kHz y f = 15 kHz, muy por debajo de la frecuencia de resonancia de los domos R = 350 μm (que la simulación predice que está en f = 91,7 kHz). Es probable que estos picos sean causados ​​por una resonancia del modo de flexión de toda la película, que podría atenuarse mejorando la unión interfacial entre la capa piezoeléctrica y las capas pasivas de PET. La distorsión armónica total (THD) de la superficie acústica para la detección de sonido se evalúa tomando la transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal de salida amplificada, presentada por la curva sólida roja en la Fig. 5a. De la misma forma se obtiene el THD del micrófono de referencia, que refleja la distorsión del propio sonido incidente. La THD de la superficie acústica por debajo de f = 1 kHz varía entre el 5% y el 15%, mientras que la THD dada por el micrófono de referencia es aproximadamente del 5%. La fidelidad de la superficie acústica mejora gradualmente a medida que aumenta la frecuencia. El THD es incluso menor que el del micrófono de referencia por encima de f = 2 kHz, debido a una mejor relación señal-ruido de la superficie acústica.

a Sensibilidad y THD de la superficie acústica. El THD correspondiente al micrófono de referencia se muestra como una curva discontinua en la figura para comparar. Se utiliza una muestra de 10 cm × 10 cm con microdomos de radio R = 350 μm y espesor h = 12 μm. b Salida de tensión de la superficie acústica en función de la presión acústica incidente. La señal de salida de la superficie acústica se amplifica mediante un amplificador de transimpedancia con una ganancia de 108 V/A. c Comparación entre las formas de onda de una serie de comandos de voz grabados por la superficie acústica y los grabados por el micrófono de referencia. d Espectrograma de la forma de onda del comando de voz “DERECHA” registrado por la superficie acústica. e Espectrograma de la forma de onda del comando de voz “DERECHA” registrado por el micrófono de referencia. f Espectrograma de la forma de onda registrada por la superficie acústica normalizada por la registrada por el micrófono de referencia. Las formas de onda de voz se registran con una frecuencia de muestreo de 200 kS/s. Los espectrogramas se trazan con una ventana de 5000 muestras y una superposición de 4000 muestras entre secciones contiguas. Los espectrogramas de otro ejemplo se pueden encontrar en la Fig. S5.

Las salidas de la superficie acústica en respuesta a la variación de la presión acústica incidente en f = 100 Hz, f = 1 kHz y f = 10 kHz se muestran en la Fig. 5b. Estas respuestas microfónicas exhiben una buena linealidad entre 10 mPa y 3 Pa. El límite inferior está limitado por la relación señal-ruido y el límite superior corresponde al volumen más alto generado por el altavoz utilizado en el experimento. Dicho rendimiento indica que la superficie acústica es capaz de detectar y registrar el habla humana (que suele ser de 20 mPa, o equivalentemente de 60 dB SPL).

Para demostrar la capacidad microfónica, se pide a tres personas que lean determinadas palabras y frases cortas delante del dispositivo que se está probando. Un osciloscopio adquiere las formas de onda de la señal de salida para registrar la voz y guardarla en diferentes archivos; Se proporciona una descripción detallada de este experimento en la Información complementaria. Un micrófono calibrado colocado junto a la superficie acústica también registra el discurso para proporcionar una referencia. En la Fig. 5c se comparan las formas de onda correspondientes a una serie de comandos de voz, registrados por la superficie acústica y el micrófono de referencia. Los espectrogramas de las formas de onda registradas de un comando de voz de ejemplo se pueden encontrar en la Fig. 5d, e. Se observan patrones similares en ambas formas de onda y en ambos espectrogramas, mientras que la superficie acústica exhibe una mejor relación señal-ruido que el micrófono de referencia. En la Fig. 5f también se proporciona el espectrograma de la forma de onda normalizada, es decir, la señal grabada utilizando la superficie acústica, normalizada por la correspondiente a la grabación del micrófono de referencia. Se observa un espectro de potencia uniforme para la mayoría de los componentes de frecuencia en el mapa de colores, excepto una pequeña región de color amarillo brillante cerca de 3,5 kHz, que coincide con el pico de resonancia de la respuesta de frecuencia en la Fig. 5a. Esto verifica la buena fidelidad de la superficie acústica que actúa como micrófono. Los archivos de voz grabados por la superficie acústica se pueden utilizar aún más para el reconocimiento del hablante basándose en un clasificador simple de k vecinos más cercanos (kNN). Dichos resultados se muestran en la Fig. S7 y demuestran las perspectivas de la superficie acústica como una nueva plataforma transductora para el reconocimiento de hablantes y las interfaces hombre-máquina.

Se desarrolla una superficie acústicamente activa versátil basada en una serie de microestructuras piezoeléctricas, que actúan como unidades básicas para la generación y percepción del sonido. Las microestructuras activas independientes pueden vibrar libremente y así permitir altas sensibilidades de la superficie acústica que funciona como altavoz y/o micrófono en diversos objetos. Una aplicación de este tipo sería un desafío para la técnica anterior que depende del doblado de una película acústica de gran superficie y, por lo tanto, requiere un diseño independiente para toda la película. El perfil y las dimensiones de estas estructuras activas también proporcionan varios grados de libertad de diseño para ajustar la sensibilidad y el ancho de banda de la superficie acústica en amplios rangos o para lograr un rendimiento mejorado en las frecuencias deseadas. Se han logrado características de generación de sonido de alta calidad mediante la superficie acústica atribuida a las microestructuras activas. Debido a su forma delgada y liviana, demostramos que la superficie acústica se puede montar en un objeto curvo y así hacerlo acústicamente activo. Esto permite la instalación ubicua y no intrusiva de dichos fondos de pantalla acústicos para permitir experiencias inmersivas (incluida la realidad virtual y aumentada, el control activo del ruido y la entrega de sonido localizado). También demostramos que la superficie acústica puede detectar y grabar la voz humana, debido a su alta sensibilidad, baja distorsión y amplio rango dinámico. Esto permite una plataforma novedosa para aplicaciones como máscaras inteligentes para robótica e interfaces hombre-máquina. Además, las microestructuras activas pueden abordarse individualmente o en pequeños bloques y controlarse como una matriz en fase de transductores acústicos. La capacidad resultante de control sobre ondas acústicas estacionarias y viajeras junto con su buen desempeño en el rango ultrasónico permite un sistema acústico alternativo para vehículos automatizados7, pantallas volumétricas27 y manipulación de materia en ciencias biológicas e ingeniería biomédica28. Estos resultados reflejan colectivamente las amplias perspectivas de las superficies acústicas como interfaces versátiles, escalables y potencialmente rentables para aplicaciones acústicas existentes y emergentes.

Para definir las películas de PET perforadas con alta precisión, primero se fabricó una máscara de sombra de silicona. Se depositó aluminio (100 nm de espesor) sobre una oblea de silicio de 6 pulgadas (625 μm de espesor). El fotorresistente AZ4620 se recubrió por rotación sobre el aluminio, se modeló mediante fotolitografía y se reveló en AZ435 antes de hornearlo en una placa calefactora a 120 °C durante 30 minutos. Luego, la capa de aluminio se grabó en húmedo para formar una máscara dura debajo de la máscara suave fotorresistente. Luego, la oblea se procesó mediante grabado profundo de iones reactivos para formar una serie de vías de paso. Posteriormente, esta máscara de sombra de silicio se colocó encima de una película PET comercial de 50 μm de espesor con adhesivo de una sola cara, mientras se escaneaba con un láser de CO2 toda la máscara de silicio. La luz láser de CO2 que llega a la película de PET la elimina, formando un patrón perforado que coincide con precisión con el patrón de matriz pasante de la máscara de sombra de silicio. Se utilizó como lámina piezoeléctrica una película de PVDF uniaxial de 12 μm de espesor (de Poly-K Technologies, Inc.). Los electrodos depositados en ambos lados de la película de PVDF pueden ser plata evaporada térmicamente (Ag) de 50 nm de espesor, óxido de indio y estaño transparente (ITO) pulverizado de 50 nm de espesor o Ag/ITO pulverizado de 4 nm/35 nm de espesor. Se depositaron electrodos de ITO de 50 nm de espesor para demostrar un dispositivo ópticamente transparente en la Fig. 2b, y los dispositivos utilizados para mediciones acústicas tienen electrodos de Ag de 50 nm de espesor. Los electrodos depositados se pueden segmentar utilizando una máscara de sombra con los patrones deseados. A continuación se laminó la película de PET perforada con adhesivo sobre la película de PVDF utilizando una laminadora. El laminado se adhirió a una etapa de vacío porosa (nivel de vacío de -25 kPa) para grabar una serie de cúpulas a microescala en la película de PVDF de forma autoalineada. Mientras estaba al vacío, el laminado se recoció a 80 °C durante 5 min y luego se enfrió durante otros 5 min. Este tratamiento térmico se repitió 3 veces para asegurar un estampado permanente de las microestructuras. Se recubrió una segunda película de PET perforada con vías pasantes del mismo tamaño que los domos con una capa de adhesivo curable por UV y se laminó en la parte posterior del conjunto de microdomos. La posición de la película de PET perforada inferior se ajustó manualmente hasta que se logró una buena alineación entre la matriz de paso de la película de PET y la matriz de microdomo de la película de PVDF antes de curar la capa adhesiva bajo UV.

Tanto la respuesta del altavoz como la respuesta microfónica de la superficie acústica se midieron en una configuración de cámara anecoica (Fig. S3). La muestra de superficie acústica se adhirió al centro de un deflector acústico de 1 m × 1 m, que actúa como un plano reflectante perfecto y reduce la difracción en los bordes de la muestra. En la medición del altavoz, se colocó un micrófono de condensador Brüel & Kjær (B&K) 4136 calibrado conectado con un preamplificador B&K 2669 y un multiplexor de micrófono B&K 2822 a 30 cm de distancia de la muestra de superficie acústica para medir su generación de sonido. La muestra fue excitada por una señal de voltaje sinusoidal producida por un generador de funciones Agilent 33522A y amplificada por un amplificador de potencia Crest AUDIO 1001A. El voltaje aplicado a la muestra y la salida del micrófono se midieron con un osciloscopio Tektronix TDS 2014B. Se adquirieron cien ciclos de formas de onda y la FFT extrajo las amplitudes para medir el voltaje de excitación real y calcular la presión acústica en función de la sensibilidad calibrada del micrófono de referencia. Una interfaz personalizada de LabVIEW controlaba el generador de funciones para el barrido de voltaje y el osciloscopio para la adquisición de datos. En la medición microfónica, se colocó un altavoz comercial a 50 cm de distancia de la muestra de la superficie acústica en la cámara para generar sonido de formas de onda sinusoidales, y el micrófono de referencia se colocó al lado de la muestra en el deflector. Los electrodos de la muestra se conectaron a un amplificador de transimpedancia (Fig. S4). Tanto la señal de salida de la muestra como la del micrófono de referencia fueron medidas mediante un osciloscopio. Se adquirieron cien ciclos de formas de onda y la FFT extrajo sus amplitudes para obtener una buena relación señal-ruido. La interfaz personalizada de LabVIEW controló el osciloscopio para la adquisición de datos y el altavoz para generar sonido con frecuencia y volumen de barrido durante la medición.

Los datos presentados en este artículo están disponibles a través de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el acuerdo MIT-Ford Alliance de enero de 2008 (MIT 0224) y una donación de financiación del Grupo Lendlease. Agradecemos el apoyo técnico y las conversaciones con Scott Amman, Thomas Chrapkiewicz y Andre Van Schyndel de Ford Motor Company. También agradecemos al Prof. Zoltan S. Spakovszky del MIT por su ayuda con la configuración de la medición acústica.

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.

Jinchi Han, Mayuran Saravanapavanantham, Matthew R. Chua, Jeffrey H. Lang y Vladimir Bulović

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JH, JHL, VB concibieron este trabajo. JHL y VB supervisaron el proyecto. JH realizó la simulación, la fabricación del dispositivo y la caracterización. JH, MS y MRC demostraron las aplicaciones microfónicas y de altavoz del dispositivo. Todos los autores discutieron y analizaron los resultados. JH y MS escribieron el manuscrito con aportaciones de todos los autores.

Correspondencia a Jinchi Han, Jeffrey H. Lang o Vladimir Bulović.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Han, J., Saravanapavanantham, M., Chua, MR et al. Una superficie acústicamente activa versátil basada en microestructuras piezoeléctricas. Microsyst Nanoeng 8, 55 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00384-0

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Recibido: 16 de noviembre de 2021

Revisado: 03 de marzo de 2022

Aceptado: 11 de abril de 2022

Publicado: 26 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00384-0

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