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Aug 03, 2023

Uma superfície acusticamente ativa versátil baseada em microestruturas piezoelétricas

Microsistemas e Nanoengenharia volume 8, Artigo número: 55 (2022) Citar este artigo 3174 Acessos 3 Citações Detalhes das métricas Demonstramos uma superfície acusticamente ativa versátil que consiste em um

Microssistemas e Nanoengenharia volume 8, Número do artigo: 55 (2022) Citar este artigo

3174 Acessos

3 citações

Detalhes das métricas

Demonstramos uma superfície acusticamente ativa versátil que consiste em um conjunto de microestruturas piezoelétricas que são capazes de irradiar e detectar ondas acústicas. Um conjunto de microestruturas independentes gravado em uma única etapa em uma folha piezoelétrica flexível de fluoreto de polivinilideno (PVDF) leva a um desempenho acústico de alta qualidade, que pode ser ajustado pelo design das microestruturas em relevo. A alta sensibilidade e grande largura de banda para geração de som demonstradas por esta superfície acusticamente ativa superam os alto-falantes de película fina relatados anteriormente usando PVDF, copolímeros de PVDF ou polímeros carregados vazios sem microestruturas. Exploramos ainda a diretividade deste dispositivo e seu uso em uma superfície curva. Além disso, a percepção sonora de alta fidelidade é demonstrada pela superfície, possibilitando sua aplicação microfônica para gravação de voz e reconhecimento de locutor. A versatilidade, o desempenho acústico de alta qualidade, o formato mínimo e a escalabilidade da produção futura desta superfície acusticamente ativa podem levar a uma ampla adoção industrial e comercial desta tecnologia.

A crescente demanda por transdutores acústicos é motivada por diversas necessidades industriais e comerciais, como controle ativo de ruído1,2, interface homem-máquina3,4, robótica5, imagem ultrassônica6, direção automatizada7, detecção tátil8 e manipulação de matéria sem contato9,10, 11, onde o som pode atuar como meio de detecção, atuação e comunicação. Essas necessidades técnicas estão gerando interesse no desenvolvimento de tecnologias de transdutores acústicos de baixo custo e alto desempenho, adequadas para aplicações em larga escala12,13,14,15,16,17,18,19,20. Dentre eles, os transdutores piezoelétricos são cada vez mais atrativos devido à sua versatilidade, estrutura simples, baixo consumo de energia e facilidade de escalabilidade para aplicações compactas e de área ampla16,17,18.

Para atender à necessidade de fatores de forma de grande área, uma variedade de alto-falantes flexíveis de película fina foram desenvolvidos com base em fluoreto de polivinilideno (PVDF)1,17, poli(fluoreto de vinilideno-co-trifluoroetileno) [P(VDF-TrFE)] 18,19,20,21, nanopartículas piezoelétricas22, polímeros carregados anulados23,24 e polímeros eletroativos25. No entanto, a maioria dos projetos depende da flexão de camadas piezoelétricas independentes e/ou curvas. Quando eles são colados na superfície de objetos rígidos, a flexão das camadas é bastante restrita e pode resultar na degradação do desempenho acústico. Isto prejudica as vantagens destes altifalantes ultrafinos, leves e económicos e limita as suas perspectivas de aplicação. Além disso, as respostas microfónicas destes dispositivos, como receptores de som em vez de geradores de som, são muitas vezes deixadas inexploradas.

No presente trabalho, desenvolvemos um transdutor acústico de filme fino de grande área baseado em um conjunto de microestruturas piezoelétricas independentes que são capazes de detectar e gerar som. Estas superfícies acústicas ativas são finas e flexíveis e podem ser opticamente transparentes, permitindo que sejam montadas em vários objetos de maneira discreta e, assim, implementadas como alto-falantes, microfones e/ou transceptores ultrassônicos. As microestruturas salientes independentes podem vibrar livremente, garantindo alta sensibilidade para geração e percepção de som pela superfície acústica, mesmo quando esta está colada a um objeto rígido. Os amplos cenários de aplicação representam uma vantagem significativa em relação à técnica anterior envolvendo filmes acústicos semelhantes sem tais microestruturas. Exemplos de aplicações de superfícies acusticamente ativas, atendendo a diversas necessidades, são descritos na Fig. Nosso trabalho mostra que o uso de microestruturas ativas densamente implantadas em grandes áreas de superfície acústica traz desempenho de alta qualidade e versatilidade para superfícies acústicas, permitindo assim uma nova interface acústica para uso em aplicações de inteligência artificial, realidade virtual e aumentada, robótica, casa inteligente tecnologias e engenharia biomédica.