柔性透明压电扬声器——未来智能设备的理想选择
2021-10-04 16:18:22   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

自从聚偏氟乙烯（PVDF）基聚合物的压电特性被发现以来，科学家和设计人员一直在探索如何将透明压电器件引入现代快速增长的智能化设备。PVDF基聚合物重量轻、透明，并且可以使用简单的技术进行加工，它们具有良好的铁电、热释电和压电性能，使其成为透明传感器和执行器的理想选择。

此外，研究人员还在研究这种聚合物的电声特性。透明薄膜扬声器，便是利用这种材料反向压电效应的一种应用。与能够在低电压下表现出高声学性能的传统磁性扬声器不同，当前的薄膜扬声器大多需要高压驱动。压电材料的高工作电压限制了它们在许多现有技术中的广泛应用。不过，传统磁性扬声器也存在很多局限性，它们基于电磁线圈，重量较大。

尽管传统磁性扬声器在音频应用领域几乎无处不在，但这类器件的设计和组成限制了它们在新兴智能设备中的应用。因为当今及未来的智能设备通常需要轻质、便携且透明的组件。与不透明且重量较大的压电陶瓷扬声器不同，聚合物压电扬声器结构简单，且易于制造。这种扬声器非常薄，可以粘贴在触摸屏上产生声学振动，而不会牺牲屏幕的可视性，也不会有不利的磁场发射问题。

据麦姆斯咨询报道，南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院的汪尧进教授及其研究团队研究了P（VDF-TrFE）和P（VDF-TrFE-CTFE）共混物的声学性能，开发了一种柔性、透明的压电扬声器原型，其中，研究人员通过将一定比例的共聚物共混到三元共聚物中实现了β相。非极性α相逐渐缓慢地转变为极性β相。共聚物与三元共聚物按一定比例混合，通过电极化和热极化增强β相反射。研究人员利用扫描器等电子组件在实验室搭建了一种涂附制造设备，并利用该设备制造了上述透明薄膜压电扬声器。由此工艺制造的薄膜平均厚度为12 μm。该研究成果已发表于npj Flexible Electronics，文献链接：https://doi.org/10.1038/s41528-021-00121-z。

研究人员通过将透明聚合物夹在两层氧化铟锡（ITO）电极之间制成了6.5 cm × 5 cm的压电扬声器。与以前的研究不同，这款扬声器没有在ITO电极之间夹任何纸张。尽管在层压结构中添加纸张可以降低电介质击穿，但这会降低器件的透明度。对残余极化（Pr）和磁滞回线进行表征，显示了β相增强。

研究人通过移动麦克风分别记录了移向和移离时的声音，此外，还在不同电场下连续极化记录声音，并借助声强（SI）和声压（Pa）测量了声压级（SPL）。结果表明，研究人员开发的这款柔性透明扬声器的SPL比此前文献报道的更高，同时还提供了更高的透明度。

通过将透明聚合物夹在两层氧化铟锡（ITO）电极之间制成的柔性、透明压电扬声器示意图

研究人员通过将透明聚合物夹在两层ITO电极之间制得了透明的压电扬声器薄膜，实验测量了共混物的SPL。通过傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）证实了SPL和β相之间的直接相关性。研究人员得出结论，结晶度百分比在1175 cm⁻¹随着β反射的增加而增加 ，这与增强的压电系数（d₃₃）相关。并且，进一步结论认为，在热极化后，极化增强，正如β反射峰增强所示。

换能与压电性能

凭借其简单的结构和高透明特性，这种柔性透明薄膜有望成为未来智能设备应用的压电扬声器的理想候选材料。

延伸阅读：

《压电能量收集和传感-2019版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》