美国密执安州立大学(Michigan State University;MSU)的研究人员最近发表有关铁电驻极奈米发电机(FENG)的最新突破,能进一步表征其薄膜FENG作为软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“基于奈米发电机的双功能、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讯号。在此的研究重点主要是能量采集,研究人员专注于读取由聚合物FENG产生的模拟讯号。

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研究人员透过这种薄膜FENG打造出一种像纸般轻薄的软性组件,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。这项在音讯方面的突破最终将可用于开发诸如可折迭的扬声器、语音启动的安全贴片,甚至是会说话的报纸。

密执安州立大学电子和计算机工程系副教授Nelson Sepulveda表示:“这是第一款超薄、软性、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组件——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(从声音或机械能中撷取振动,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,可用语音识别存取计算机。这个增补程序成功地用于保护个人计算机免于外在用户。Sepulveda说:“该组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上透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、软性的小型组件来取代尺寸较大、笨重且功耗大的扬声器。”

想象有一天,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:“想象一份报纸,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。”

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密执安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。

“许多研究都专注于软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执安州立大学的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。

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