纳米技术让旗子变身扬声器

MEMS · 公众号 · · 2017-05-25 05:20

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美国密西根州立大学（Michigan State University；MSU）的研究人员最近发表有关铁电驻极纳米发电机（FENG）的最新突破，能进一步表征其薄膜FENG作为柔性声学换能器的行为特性——可同时作为扬声器和麦克风！

这项研究已发表于《自然通讯》（Nature Communications）期刊的「基于纳米发电机的双功能、自供电薄型贴片扬声器或麦克风」（Nanogenerator-based dual-functional and self-powered thin patch loudspeaker or microphone for flexible electronics）一文，探讨FENG在不同声压强度（SPL）下的能量转换机制。由于厚度仅0.1mm的聚丙烯铁电体（PPFE）包括在「金属-绝缘层-金属」结构中表现为可变形双极子的可压缩带电空隙，以及声压交替波被忠实地传导至交替的电信号。在此的研究重点主要是能量收集，研究人员专注于读取由聚合物FENG产生的模拟信号。

研究人员通过这种薄膜FENG打造出一种像纸般轻薄的柔性元件，不仅能从人类的动作产生能量，还可作为以作为扬声器和麦克风。这项在音频方面的突破最终将可用于开发诸如可折叠的扬声器、语音启动的安全贴片，甚至是会说话的报纸。

密西根州立大学电子和电脑工程系副教授Nelson Sepulveda表示：「这是第一款超薄、柔性、可调整且双向功能的换能器，能够将机械能转化为电能或电能转化为机械能，」用于打造出厚度可薄至0.1mm的扬声器或麦克风功能。

Sepulveda及其研究团队曾经在去年底展示薄如纸张的元件——即铁电发电器或FENG，可用于为键盘、LED灯和LCD触控屏幕供电。只需手指滑动或轻按的动作，即可启动装置，将机械能转化为电能。

如今的最新突破，更进一步扩展了FENG的可用性。研究人员发现，这种高科技材料可以作为麦克风（从声音或机械能中获取振动，并将其转换为电能）以及扬声器（反向操作：将电能转换为机械能）。

为了展示麦克风的效果，研究人员设计了一款FENG安全增补程序，可用语音识别存取电脑。这个增补程序成功地用于保护个人电脑免于外在使用者。Sepulveda说：「该元件对于振动极其敏感，因而能够捕捉到声音的频率组成。」

为了展现扬声器的效果，研究人员在一面学校校旗中嵌入FENG结构，并在iPad上通过放大器串流音乐至校旗，然后再完美无瑕地转录成声音。Sepulveda说：「旗子就变成了扬声器。因此，未来我们可用这种极轻薄、柔性的小型元件来取代尺寸较大、笨重且功耗大的扬声器。」

想像有一天，人们可以从口袋中取出一个轻薄的扬声器，随手贴在墙壁上，就能将演讲传送给室内的所有人，Sepulveda说。

或者，他并补充说：「想像一份报纸，每一张纸都是麦克风和扬声器。基本上，你就可以用语音启动这份报纸跟你对话。」

密西根州立大学工程研究员Wei Li表示，FENG的其他潜在应用包括降噪片以及语咅保护的健康监测腕带等。Wei Li同时也是在《自然通讯》期刊发表这项研究的主要作者。

「许多研究都专注于柔性电子产品的视觉和触控，」Li强调，「但我们也很重视这项技术的语音与听觉方面。」

制造FENG的创新过程必须先从硅胶晶圆开始，然后再以银、聚酰亚胺和聚丙烯铁电等环保的多层或薄片物质制造而成。再添加离子，让装置中的每一层都包含带电粒子。因此，当装置受到人体运动或机械能量压缩时，就会产生电能。

这项研究是由美国国家科学基金会（National Science Foundation；NSF）提供赞助。其他研究人员还包括密西根州立大学的David Torres、Ramon Diaz和Chuan Wang，以及乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的Zhengjun Wang、Changsheng Wu与Zhong Lin Wang等研究人员。