CN113316487B - 用于可调谐声阻尼的纳米空隙聚合物 - Google Patents
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Abstract
声学元件包括纳米空隙聚合物层，该纳米空隙聚合物层在未致动状态中具有第一纳米空隙拓扑结构，并且在致动状态中具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。例如，纳米空隙聚合物层的电容致动可以被用于可逆地控制在聚合物层内纳米空隙的大小和形状，并因此例如在声学元件的操作期间调谐其声音阻尼特性或声音转导行为。声学元件可以被配置用于被动或主动声音衰减。还公开了多种其它装置、系统、材料和方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月10日提交的美国临时申请第62/790,549号、2019年2月21日提交的美国临时申请第62/808,471号和2020年1月6日提交的美国非临时申请第16/735,454号的优先权权益，以上申请的内容通过引用以其整体并入本文。
背景
声音阻尼或声学衰减材料可以被用于减少或消除通过物品或空间的不希望的声音传输。虽然普遍认为声音传输损失与声音阻尼材料的密度成正比，但对于许多应用而言，希望在不明显增加主体物品的总重量的情况下包含声音阻尼材料。此外，在各种应用中希望在一定频率范围内(例如在小于约1000Hz的频率下)实现声音阻尼(即，声音传输损失增加)，其中实现有效的声音衰减可能具有更多挑战性。
低密度(ρ<1.2g/cm3)聚合物材料可以包含到多种设备中，包括光学结构和电光结构，诸如主动和被动光学器件和电活性设备。例如，聚合物材料(诸如电活性聚合物(EAP)材料)可以在电场的影响下改变它们的形状。EAP材料已被研究用于多种技术，包括致动、感测和/或能量收集。轻质舒适的电活性聚合物可以被包含到可穿戴设备(诸如触觉设备)中，并且对于新兴技术是具有吸引力的候选。
多种应用可以利用薄膜聚合物材料的一种或更多种属性，包括它们的电学特性、机械特性和/或光学特性。尽管有最近的发展，但提供具有改进属性(包括动态的、可调谐的声音衰减特性)的聚合物或其它低密度材料将是有利的。
概述
如下文将更详细地描述的，本公开总体上涉及声学材料并且更具体地涉及含有纳米空隙聚合物(nanovoided polymer)的声学绝缘体(acoustic insulators)和换能器。纳米空隙聚合物材料可包括电活性材料，诸如适用于电活性设备的介电弹性体，包括例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)基聚合物(polydimethylsiloxane(PDMS)-based polymers)或聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物(polyvinylidene fluoride(PVDF)-based polymers)。纳米空隙聚合物材料的致动可以被用于可逆地控制聚合物基体内纳米空隙的大小和形状，并且从而改变纳米空隙聚合物层的阻尼特性或转导特性(transduction properties)。在某些实施例中，本公开涉及可切换声学元件，其中纳米空隙聚合物的空隙大小和/或空隙大小分布可以在其操作期间可逆地调谐。
根据一些实施例，声学元件可以包括纳米空隙聚合物层，其中纳米空隙聚合物在第一(例如，未致动)状态中具有第一纳米空隙拓扑结构，并且在第二(例如，致动)状态中具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。纳米空隙聚合物可以例如被电容性地致动，或者机械地或声学地致动。
根据一些实施例，声学元件可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的次电极、以及设置在主电极和次电极之间并邻接主电极和次电极的纳米空隙聚合物层，其中当第一电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层具有第一纳米空隙拓扑结构，以及当与第一电压不同的第二电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。
在某些实施例中，当第一电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层可以具有第一声音衰减系数，并且当第二电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层可以具有与第一声音衰减系数不同的第二声音衰减系数。
如将理解的，在致动状态或未致动状态中，纳米空隙聚合物层可具有均匀或非均匀的空隙拓扑结构。例如，纳米空隙可以是开孔的和/或闭孔的，并且可以周期性地或随机地分布在整个聚合物基体中。在一些实施例中，纳米空隙可以至少部分地填充有气体，诸如空气、氮气、氧气、氩气、六氟化硫或有机氟化物。
根据各种实施例，声学元件可以被配置为声学绝缘体或声学换能器。例如，作为声学绝缘体，声学元件可以被配置为响应于入射在声学元件上的声波而发射声波。发射的声波的振幅可以介于入射声波的振幅的约1％至大于100％之间，例如，约1％、2％、5％、10％、20％、50％、100％、150％或200％，包括介于前述任意值之间的范围。例如，对于谐振系统和非谐振系统，发射的声波的振幅可以介于入射声波的振幅的约50％到约150％之间。在某些实施例中，发射的声波和入射声波可以具有异相关系，使得发射的声波可以衰减(例如，抵消)入射声波。作为声学换能器，例如，在纳米空隙聚合物两端施加AC电压可用于产生声波。声学元件还可具有感测功能，其中入射在纳米空隙聚合物层上的声波可引起纳米空隙聚合物中的物理参数(例如，电阻、电容和/或电感等)的可测量的变化。例如，通过监测纳米空隙聚合物的电容，可以评估入射在声学元件上的声波的范围和性质。
根据某些实施例，设备可以包括声学元件的阵列，其中声学元件可以包括多个含有纳米空隙聚合物的声学绝缘体和/或多个含有纳米空隙聚合物的声学换能器。设置在阵列内的声学元件可以被布置在基板上，该基板可以是例如平面的或非平面的，并且可以是柔性的或刚性的。在一些实施例中，阵列内的声学元件间的间距可以从约0.5μm到约15cm变化。
来自这些实施例或其它实施例中的任一个实施例的特征可以根据本文描述的一般原理彼此组合使用。在结合附图和权利要求阅读以下详细描述时，将更全面地理解这些和其它实施例、特征和优点。
附图简述
附图示出了多个示例性实施例并且附图是说明书的一部分。连同以下描述，这些附图展示并解释了本公开的多个原理。
图1A是根据一些实施例的纳米空隙聚合物声学绝缘体的示意图。
图1B是根据一些实施例的描绘图1A的纳米空隙聚合物声学绝缘体的电容致动(capacitive actuation)的示意图。
图2A是根据某些实施例的具有均匀分布的纳米空隙的纳米空隙聚合物层的示意图。
图2B是根据某些实施例的具有非均匀分布的纳米空隙的纳米空隙聚合物层的示意图。
图3A是根据一些实施例的纳米空隙聚合物换能器的示意图。
图3B是根据一些实施例的图3A的纳米空隙聚合物换能器的示意图，其中描绘了换能器的致动和声波的生成。
图4A是根据一些实施例的纳米空隙聚合物声学传感器的示意图。
图4B是根据某些实施例的图4A的纳米空隙聚合物声学传感器的图示，其中描绘了传感器的基于传入声波的致动。
图5是根据一些实施例的具有设置在内玻璃窗格(glass pane)和外玻璃窗格之间的纳米空隙聚合物声学绝缘体/纳米空隙聚合物换能器复合架构的窗玻璃(windowglazing)的图。
图6A是根据一些实施例的纳米空隙聚合物多层结构的示意图。
图6B是根据某些实施例的在上子层的致动之后图6A的纳米空隙聚合物多层结构的示意图。
图7示出根据一些实施例的具有设置在基板上方的离散纳米空隙聚合物绝缘体和纳米空隙聚合物换能器元件的阵列的示例设备。
图8是可以结合本公开的实施例使用的示例性人工现实头带的图示。
图9是可以结合本公开的实施例使用的示例性增强现实眼镜的图示。
图10是可以结合本公开的实施例使用的示例性虚拟现实头戴式耳机的图示。
图11是可以结合本公开的实施例使用的示例性触觉设备的图示。
图12是根据本公开的实施例的示例性虚拟现实环境的图示。
图13是根据本公开的实施例的示例性增强现实环境的图示。
在所有附图中，相同的附图标记和描述表示相似但不一定相同的元件。尽管本文描述的示例性实施例易于进行各种修改和替代形式，但是特定实施例已经通过示例的方式在附图中示出并且将在本文详细描述。然而，本文描述的示例性实施例并不旨在限于所公开的形式。相反，本公开涵盖落入所附权利要求范围内的所有修改、等同物和替代物。
示例性实施方式的详细描述
本公开总体上涉及声学设备，并且更具体地涉及包括纳米空隙聚合物层的声学元件。如本文所使用的，在一些示例中，“声学设备”或“声学元件”可以包括被配置为与声音交互的物品，并且可以包括但不限于具有被动或主动功能的绝缘体、换能器或传感器。在这点上，“声音”或“声波”可以表征为辐射能量，该辐射能量通常以约20Hz到约20000Hz的频率作为可听的压力波传播，但是更高的频率也被设想。
根据一些实施例，纳米空隙聚合物可以被致动以控制在聚合物基体内空隙的大小和形状。对空隙几何形状的控制可以被用于控制声学元件或设备的机械(例如绝缘和/或转导)特性。例如，纳米空隙聚合物层在未致动状态中可具有第一声音衰减系数，并且在致动状态中可具有与第一声音衰减系数不同的第二声音衰减系数。在各种实施例中，声波的“衰减”可以指(例如，经由反射的)散射和吸收的组合效应。
在一些实施例中，如本文进一步详细公开的，声学元件可以被配置为用作声学绝缘体、声学换能器或声学传感器。举例来说，这里公开的声学元件可以提供至少约5％(例如约5％、约10％、约15％、约20％、约30％或约40％，包括在前述任意值之间的范围)的声音阻尼。
根据多种实施例，纳米空隙聚合物材料，即纳米空隙聚合物层，可以包括聚合物基体和分散在整个基体中的多个纳米尺度空隙。聚合物基体材料可以包括可变形的电活性聚合物。
电活性聚合物
声学元件可以包括一种或更多种电活性聚合物并且还可以包括附加部件。如本文所使用的，在一些示例中，“电活性聚合物”可以指当受到电场刺激时表现出大小或形状变化的聚合物。在一些实施例中，电活性聚合物可以包括关于电荷可以是对称的(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸酯等)或不对称的(例如，聚偏氟乙烯(PVDF)或其共聚物，诸如聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE))的可变形聚合物。
形成电活性聚合物的聚合物材料的附加示例可以包括但不限于苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂、有机硅聚合物和/或任何其它合适的聚合物或聚合物前体材料，包括乙酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸辛酯、乙基乙氧基丙烯酸乙酯、2-氯乙基乙烯基醚、丙烯酸氯甲酯、甲基丙烯酸、二甲基丙烯酸酯低聚物、异氰酸酯、烯丙基缩水甘油醚、N-羟甲基丙烯酰胺或它们的混合物。示例丙烯酸酯可以是自由基引发的。此类材料可以具有任何合适的介电常数或相对介电常数，诸如，例如范围从约2到约30的介电常数。
在存在静电场的情况下，电活性聚合物可以根据该电场的强度变形(例如，压缩、拉长、弯曲等)。例如，可以通过将电活性聚合物放置在各自处于不同电位的两个电极之间来实现此类场的生成。随着电极之间的电位差(即电压差)增加(例如，从零电位开始增加)，变形量也可以主要沿着电场线增加。当已经达到特定的静电场强度时，该变形可达到饱和。在没有静电场的情况下，电活性聚合物可以处于其松弛状态，不经历感应变形，或者等效地表述，没有内部或外部感应应变。
在存在静电场(E场)的情况下，电活性聚合物的压缩性质的物理起源，即相反电荷之间产生的力，是麦克斯韦应力的物理起源，其在数学上用麦克斯韦应力张量表达。给定E场感应的应变或变形的水平取决于E场强度的平方、电活性聚合物的介电常数以及所讨论材料的弹性柔量(elastic compliance)。在这种情况下，柔量是应变关于应力的变化，或者更实际地等效于，位移关于力的变化。在一些实施例中，纳米空隙聚合物层可以被预应变(或预加应力)以改变声学元件的刚度。
在一些实施例中，电活性聚合物可包括弹性体。如本文所使用的，在一些示例中，“弹性体”可以指具有粘弹性(即，粘性和弹性二者)、相对较弱的分子间力以及与其它材料相比通常低的弹性模量(固体材料的刚度的量度)和高的失效应变率的材料。在一些实施例中，电活性聚合物可包括具有小于约0.35(例如，小于约0.3、小于约0.25、小于约0.2、小于约0.15、小于约0.1或小于约0.05)的有效泊松比的弹性体材料。在至少一个示例中，弹性体材料可以具有小于在致密时(例如，当弹性体被压缩时，例如，通过电极使弹性体更致密)的弹性体的约90％(例如，小于约80％、小于约70％、小于约60％、小于约50％、小于约40％)的有效密度。
在一些实施例中，如本文所使用的，术语“有效密度”可指可使用测试方法获得的参数，其中纳米空隙聚合物(例如弹性体)的均匀厚层可以被放置于两个平坦的和刚性圆板之间。可以测量聚合物层的直径，然后可以将板压在一起以在聚合物层上施加至少约1×106Pa的压力，并且重新测量层的直径。有效密度可由表达式(DR＝D未压缩/D压缩)确定，其中DR可以表示有效密度比，D未压缩可以表示未压缩聚合物的密度，并且D压缩可以表示压缩聚合物的密度。
在一些实施例中，本文所述的声学元件可以包括弹性电活性聚合物，该弹性电活性聚合物具有小于约0.35的有效泊松比和小于弹性体致密化时约90％的有效未压缩密度。在一些实施例中，术语“有效泊松比”可以指材料中横向应变(例如，第一方向中的应变)与轴向应变(例如，第二方向上的应变)之比的负值。在多个实施例中，电活性聚合物可以包括纳米空隙聚合物材料。
空隙
在一些实施例中，电活性聚合物层可以包括聚合物基体和分布在整个聚合物基体中的空隙，诸如纳米空隙。声学元件的一部分可以具有空隙的体积分数，该体积分数可以被确定为声学元件的一部分内的空隙体积除以声学元件的该部分的总体积。
在一些实施例中，纳米空隙可占据电活性聚合物基体的体积的至少约10％(例如，约体积的10％、约体积的20％、约体积的30％、约体积的40％、约体积的50％、约体积的60％、约体积的70％、约体积的80％或约体积的90％，包括前述任意值之间的范围)。空隙和/或纳米空隙可以是闭孔或开孔的，或它们的混合。在开孔空隙的情况下，空隙大小可以是单元的最小平均直径。
在一些实施例中，纳米空隙可以均匀地或非均匀地分布在整个电活性聚合物中。例如，空隙体积分数可以是距离参数的函数，使得在一些实施例中，空隙体积分数可以是距声学元件的一个边缘的距离的线性函数，例如，以从一侧到另一侧大致线性的方式增加。在一些示例中，体积空隙分数可以是距离参数的非线性函数，诸如多项式函数(诸如二次函数)、阶跃函数、抛物线函数、波动函数、正弦函数等。距离参数可以是距声学元件边缘的距离。
在一些实施例中，复合电活性聚合物(即，包括具有分散在整个基体中的纳米空隙的聚合物基体的电活性聚合物)可包括具有小于约10GPa(例如、约10GPa、约5GPa、约2GPa、约1GPa、约0.5GPa、约0.2GPa、约0.1GPa或约0.05GPa，包括前述任意值之间的范围)的弹性模量的热固性聚合物或弹性聚合物基体。不希望受理论束缚，将纳米空隙结合到电活性聚合物基体中可降低聚合物材料的杨氏模量(Young’s modulus)，这可增加其声音衰减系数。
空隙和/或纳米空隙可以是任何合适的大小，并且在一些实施例中，空隙可以接近处于未变形状态的聚合物层的厚度的尺度。例如，空隙可以在约10nm到约等于成对的电极之间的间隙之间。
如本文所使用的，在一些示例中，术语“纳米空隙(nanovoids)”、“纳米级空隙(nanoscale voids)”、“纳米空隙(nanovoided)”等可指具有小于1000nm的至少一个亚微米尺寸(即长度和/或宽度和/或深度)的空隙。在一些实施例中，空隙大小可以在约10nm和约1000nm之间，诸如在约10nm和约200nm之间(例如，约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm、约90nm、约100nm、约110nm、约120nm、约130nm、约140nm、约150nm、约160nm、约170nm、约180nm、约190nm、约200nm、约250nm、约300nm、约400nm、约500nm、约600nm、约700nm、约800nm、约900nm或约1000nm，包括任何上述值之间的范围)。
在示例纳米空隙聚合物中，纳米空隙可以随机分布在整个聚合物基体中，而没有表现出任何长程顺序(long-range order)，或者纳米空隙可以表现出具有约20nm到约1000nm的重复距离的规则的周期性的结构。例如，空隙可以表现出晶格结构。在无序和有序结构二者中，纳米空隙可以是离散的、闭孔的空隙、可以至少部分互连的开孔的空隙、或它们的组合。
根据一些实施例，纳米空隙可以是基本上球形的，但是空隙形状没有特别限制。例如，除了球形空隙之外或代替球形空隙，纳米空隙聚合物材料可以包括扁圆的、扁长的、透镜状的、卵形等的空隙，并且可以表征为凸形和/或凹形横截面形状。空隙形状可以是各向同性的或各向异性的。此外，整个聚合物基体中的空隙的拓扑结构可以是均匀的或非均匀的。如本文所使用的，关于纳米空隙，术语“拓扑结构”可以指它们在纳米空隙聚合物内的整体排列并且可以包括它们的大小和形状以及它们在整个聚合物基体中的相应分布(密度、周期性等)。举例来说，空隙的大小和/或空隙大小分布可以在纳米空隙聚合物材料内在空间上变化，即横向地和/或相对于纳米空隙聚合物材料的厚度变化。
分布在整个电活性聚合物中的空隙通常可以彼此隔离，或者至少部分地可以通过开孔结构互连。在电活性聚合物内，多个空隙可以具有均匀或非均匀的分布，并且当电信号施加在主电极和次电极之间时，基于空隙的分布，包含纳米空隙电活性聚合物的声学元件可以具有均匀或非均匀的电活性响应。
空隙的非均匀分布可包括以下中的至少一个的空间变化：空隙直径、空隙体积、空隙数密度、空隙体积分数或空隙取向(例如，在各向异性空隙的情况下)。非均匀电活性响应可以包括与声学元件的第二部分的第二变形不同的声学元件的第一部分的第一变形。变形可以包括在一个或多个方向中的压缩(例如，平行于施加的电场)、曲率的变化或尺寸参数(诸如长度、宽度、高度等)的其它变化，以及如本文进一步讨论的，空隙拓扑结构中的伴随变化。
声学元件的纳米空隙聚合物层内空隙的非均匀分布可包括关于距离参数(诸如距元件边缘和/或中心的距离)的函数关系。例如，声学元件可以具有带有大致均匀厚度的大致矩形形状。在一些实施例中，空隙的体积分数可以沿着平行于矩形形状的长边和/或短边的方向单调增加。在一些示例中，空隙体积分数可以在声学元件的一些部分中具有最高值并且从最高部分减小到其它地方(例如靠近边缘)具有较低空隙体积分数的部分。在一些示例中，空隙体积分数可以在声学元件的一些部分中具有最低值并且从最低部分增加到其它地方具有更高空隙体积分数的部分，例如靠近声学元件的边缘。
在一些示例中，声学元件可具有大致盘形形状。空隙的体积分数可以根据距盘中心的径向距离而变化。在一些实施例中，体积分数可以在盘形声学元件的中心部分最高并且沿着径向方向到边缘减小。在一些实施例中，体积分数可以在中心部分最低并且沿着径向方向到边缘增加。空隙体积分数的变化可与距离参数具有函数关系，例如包括线性、二次、正弦、波动、抛物线中的一种或更多种，或与距离参数以及一个或更多个相关距离参数具有其它函数关系。例如，距离参数可被确定为给定声学元件的沿边缘、斜跨(obliquelyacross)、距中心的距离或其它距离测量结果。
添加剂
纳米空隙可以被合适的电活性聚合物材料基体互连(开孔)或完全封闭(闭孔)。在一些实施例中，纳米空隙可包括非聚合物材料。例如，空隙可以包括以下中的至少一种：气体、液体、凝胶、泡沫或非聚合物固体。在一些实施例中，声学元件可包括有助于形成空隙、支撑空隙区域和/或影响声学元件与声波的相互作用的材料颗粒。
在一些实施例中，纳米空隙聚合物可以包括具有高介电常数(即，高k)的材料的颗粒。此类颗粒可以具有在约10nm和约1000nm之间的平均直径。在一些实施例中，高介电常数颗粒可包括钛酸盐，诸如钛酸钡。
举例来说，钛酸钡(BaTiO3)是一种具有相对高介电常数(例如，在约500和约7000之间的值)和极化的铁电材料，并且可以被用于本文描述的多种电活性设备(例如，声学设备)。除了大的介电常数和极化率之外，用BaTiO3也可以实现大的应变。纯BaTiO3是绝缘体，而在掺杂后，它可以结合聚合物材料转变为半导体。
适合作为颗粒结合到纳米空隙电活性聚合物的其它示例高k材料包括TiO2、CeO2、BaSrTiO3、PbLaZrTiO3、PbMgNbO3+PbTiO3、Ta2O3和Al2O3、以及包括过渡金属氧化物的附加金属氧化物、及它们的组合。在一些实施例中，具有高介电常数的材料可以被结合到纳米空隙本身和/或结合到相邻的聚合物基体材料中。
在一些实施例中，可以将高k颗粒结合到电活性聚合物中以修改机械特性(例如泊松比或声音衰减系数)或电特性(例如电阻、电容等)。
在一些实施例中，纳米空隙可以至少部分地填充有适于抑制电活性聚合物的(例如，在电容致动期间)电击穿的介电液体或气体。气体可包括空气、氮气、氧气、氩气、六氟化硫、有机氟化物和/或任何其它合适的气体。在一些实施例中，此类气体可具有高介电强度。
向纳米空隙聚合物层施加电压可以改变其纳米空隙区域内的气体的内部压力。例如，在与纳米空隙聚合物的致动和变形相关联的尺寸变化期间，气体可以扩散进或扩散出纳米空隙聚合物。电活性聚合物层中的此类变化可以影响例如结合电活性聚合物的声学设备在尺寸变化期间的滞后，并且还可能在纳米空隙聚合物层的尺寸快速变化时导致漂移(drift)。
在一些实施例中，空隙的内表面可以至少部分地涂覆有合适的材料层。
电极
在一些实施例中，声学元件可包括成对的电极，该成对的电极允许产生迫使电活性聚合物收缩的静电场。在一些实施例中，如本文所使用的，“电极”可指导电材料，其可以为薄膜或层的形式。电极可以包括相对薄的导电的金属或金属合金，并且可以具有不顺应(non-compliant)或顺应(compliant)的性质。
电极可以包括一种或更多种导电材料，诸如金属、半导体(诸如掺杂半导体)、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、氢化石墨烯、其它石墨烯衍生物、炭黑、透明导电氧化物(TCO，例如氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)等)或其它导电材料。在一些实施例中，电极可以包括诸如铝、金、银、锡、铜、铟、镓、锌、它们的合金等的金属。其它示例透明导电氧化物包括但不限于铝掺杂氧化锌、氟掺杂氧化锡、铟掺杂氧化镉、铟锌氧化物、铟镓锡氧化物、铟镓锌氧化物、铟镓锌锡氧化物、钒酸锶、铌酸锶、钼酸锶、钼酸钙和氧化铟锌锡。
在一些实施例中，电极或电极层可以是自修复的，使得可以隔离由于电路局部短路引起的损坏。合适的自修复电极可包括金属(诸如，例如铝)薄膜。
在一些实施例中，主电极可以与次电极的至少一部分重叠(例如，在平行方向重叠)。主电极和次电极可大致平行且间隔开并由纳米空隙电活性聚合物层分离开。三级电极可以与主电极或次电极的至少一部分重叠。
声学元件可以包括第一聚合物(例如，纳米空隙弹性体材料)，该第一聚合物可以被设置在第一对电极(例如，主电极和次电极)之间。第二声学元件(如果被使用)可以包括第二纳米空隙弹性体材料并且可以被设置在第二对电极之间。在一些实施例中，可以存在第一对电极和第二对电极二者共用的电极。
在一些实施例中，一个或更多个电极可以可选地例如通过接触层电互连到公共电极。在一些实施例中，声学设备可以具有连接到第一多个电极的第一公共电极和连接到第二多个电极的第二公共电极。在一些实施例中，电极(例如，第一多个电极中的一个电极和第二多个电极中的一个电极)可以使用绝缘体(诸如介电层)彼此电隔离。绝缘体可以包括不具有明显导电率的材料，并且可以包括介电材料，诸如，例如丙烯酸酯或硅酮聚合物。
在一些实施例中，公共电极可以电耦合(例如，在具有低接触电阻的界面处电接触)到一个或更多个其它电极，例如位于主电极的任一侧上的次电极和三级电极。
在一些实施例中，当声学元件经历变形时，电极可以是柔性的和/或有弹性的并且可以例如弹性地拉伸。电极可以包括一种或更多种透明导电氧化物(TCO)，诸如氧化铟、氧化锡、氧化铟锡(ITO)等、石墨烯、碳纳米管等。在其它实施例中，例如，在声学设备具有包括纳米空隙电活性聚合物材料的电活性元件的实施例中，可以使用相对刚性的电极(例如，包括诸如铝的金属的电极)。
在一些实施例中，电极(例如，主电极和次电极)可以具有约1nm到约1000nm的厚度，示例厚度为约10nm到约50nm。包括自修复特性的电极(例如铝电极)的厚度可以是约20nm。在一些实施例中，公共电极可以具有倾斜形状，或者可以是更复杂的形状(例如，图案化或自由形状)。在一些实施例中，公共电极可以成形为允许在操作期间压缩和膨胀声学元件或设备。
在特定实施例中，电极可以具有至少约50％(例如约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约95％、约97％、约98％或约99％，包括前述任意值之间的范围)的透光率。
在一些实施例中，本文所述的电极(例如，主电极、次电极或包括任何公共电极的任何其它电极)可以使用任何合适的工艺制造。例如，可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、蒸发、喷涂、旋涂、原子层沉积(ALD)等来制造电极。在进一步的方面，电极可以使用热蒸发器、溅射系统、喷涂机、旋涂机、印刷、冲压等制造。
在一些实施例中，纳米空隙聚合物层可以被直接沉积在电极上。在一些实施例中，电极可以直接被沉积在纳米空隙聚合物上。在一些实施例中，电极可被预制并附接到纳米空隙聚合物。在一些实施例中，电极可以被沉积在基板上，例如玻璃基板或柔性聚合物膜。在一些实施例中，聚合物层可以直接接触电极。在一些实施例中，在纳米空隙聚合物层和电极之间可以存在介电层，诸如绝缘层。可以使用任何合适的工艺组合。
声学元件
在一些应用中，结合本文公开的原理使用的声学元件可以包括主电极、次电极和设置在主电极和次电极之间的电活性(纳米空隙聚合物)元件。电活性元件可以包括具有分布在整个电活性聚合物基体中的多个空隙的电活性聚合物，例如作为多孔聚合物结构。
在一些实施例中，可以存在一个或更多个附加电极，并且公共电极可以电耦合到一个或更多个附加电极。例如，声学元件可以以堆叠配置设置，其中第一公共电极耦合到第一多个电极，并且第二公共电极电连接到第二多个电极。第一多个和第二多个可以以堆叠配置交替，使得每个声学元件位于第一多个电极中的一个电极和第二多个电极中的一个电极之间。
在一些实施例中，声学元件可以具有约10nm至约10μm(例如，约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm、约90nm、约100nm、约200nm、约300nm、约400nm、约500nm、约600nm、约700nm、约800nm、约900nm、约1μm、约2μm、约3μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm、约9μm、约10μm)的厚度，示例厚度为约200nm至约500nm。
在一些实施例中，向电极(例如，主电极和/或次电极)施加电压可以在纳米空隙聚合物材料中在至少一个方向(例如，相对于定义的坐标系的x、y或z方向)中产生至少约0.01％的应变(例如，在由施加电压引起的施加力方向上的变形量除以材料的初始尺寸)。
在一些实施例中，电活性响应可以包括对电输入的机械响应，该机械响应在设备的空间范围内变化，电输入施加在主电极和次电极之间。机械响应可以被称为致动，并且示例设备可以是或包括致动器。
纳米空隙聚合物的电容致动可以降低层厚度。在特定实施例中，随着纳米空隙聚合物的厚度减小，聚合物基体的曲折度和表面积可能减小，这可能降低衰减声波的能力。此外，对于具有低泊松比的纳米空隙聚合物，压缩可能导致空隙表面积的减小，并且因此聚合物层与声波的相互作用较小。
当第一电压施加在主电极和次电极之间时，声学元件可以从初始状态变形到变形状态，并且当第二电压施加在主电极和次电极之间时，可以进一步变形到第二变形状态。
电信号可以包括电位差，该电位差可包括直流或交流电压。在一些实施例中，该频率可以高于设备的最高机械响应频率，使得可以响应于所施加的RMS电场而发生变形，但是对于所施加的频率没有明显的振荡机械响应。施加的电信号可在主电极和次电极之间生成纳米空隙聚合物层的非均匀收缩。非均匀电活性响应可以包括电活性元件的表面的曲率，在一些实施例中，该曲率可以是复合曲率。
在一些实施例中，声学元件可以在未变形状态中具有最大厚度并且在变形状态中具有压缩厚度。在一些实施例中，声学元件在未变形状态中可具有在变形状态中声学元件的密度的约90％或更小的密度。在一些实施例中，当电压施加在主电极和次电极之间时，声学元件可以表现出至少约0.01％的应变。
在一些实施例中，声学设备可包括一种或更多种声学元件，并且声学元件可包括一种或更多种纳米空隙电活性材料。在多个实施例中，声学元件可包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的次电极、以及设置在主电极和次电极之间的纳米空隙电活性聚合物层。在一些实施例中，声学元件可以包括电活性聚合物。
在一些实施例中，声学元件可以包括电活性聚合物，该电活性聚合物被配置为在第一区域内具有第一纳米空隙分布，使得第一区域具有与具有第二纳米空隙分布的第二区域不同的转导行为。在一些实施例中，施加在整个电活性元件上的全局电场可以在第一区域和第二区域之间生成不同的变形。
声学元件可具有多个图案化纳米空隙区域，使得当施加第一电压时，电活性聚合物表现出预定变形，例如复合曲率。当施加第二电压时，声学元件可以表现出与第一预定复合曲率不同的第二预定复合曲率。在一些实施例中，主电极和/或次电极可以被图案化，从而允许局部电场被施加到声学元件的一部分，例如，以提供局部变形和与声音的对应局部相互作用。
声学设备可包括多个堆叠层；例如，每一层可以包括设置在一对电极之间的电活性元件。在一些实施例中，电极可以在层之间共享；例如，设备可以具有交替的电极和位于相邻电极对之间的电活性元件。可以以不同的几何形状构建各种堆叠配置，该几何形状会改变层之间的形状、对齐方式和间距。当操作声学设备时，此类复杂的布置可以实现压缩、延伸、扭曲和/或弯曲。
在一些实施例中，声学设备可包括交错在电极之间(诸如以堆叠配置)的附加电活性元件。例如，电极可以形成电极的叉指堆叠，其中交替电极连接到第一公共电极而其余交替电极连接到第二公共电极。例如，附加的声学元件可以被设置在主电极的另一侧上。附加声学元件可以与第一声学元件重叠。附加电极可以被设置为邻接任何附加声学元件的表面。
在一些实施例中，声学设备可以包括更多(例如，两个、三个或更多个)此类附加声学元件和对应的电极。例如，声学设备可以包括两个或更多个声学元件和对应电极的堆叠。例如，声学设备可包括介于2个电活性元件至约5个、约10个、约20个、约30个、约40个、约50个、约100个、约200个、约300个、约400个、约500个、约600个、约700个、约800个、约900个、约1000个、约2000个或大于约2000个的声学元件。
在特定实施例中，声学元件可以被配置为声学绝缘体以阻挡(即，吸收或反射)声波。纳米空隙聚合物层的弯曲度和高表面积可以在聚合物基体和纳米空隙之间的多个边界处耗散声波能量。此外，将纳米空隙结合到电活性聚合物可降低聚合物的杨氏模量，这可增加声学元件的声音衰减系数和声音吸收。
根据一些实施例，声学元件可以将与声音的相互作用转换成电信号，诸如与变形参数(诸如施加的声压)成正比的电信号。声学元件还可以接收基于电信号(例如，基于电压平方或均方电压)感应出声音的电信号。声量的变化转换为电信号和/或反之亦然的过程可称为转导。因此，声学设备可以是具有基于电信号的声音输出程度的换能器，和/或基于声音输入的程度提供电信号的传感器。换能器可以包括电活性元件，诸如纳米空隙电活性聚合物元件。在一些示例中，电活性元件可以包括其中形成有空隙分布的电活性聚合物。电活性响应可以受声学元件的介电常数和弹性模量影响。在一些实施例中，换能器的电响应可以与声学输入的程度和/或位置相关。
在特定实施例中，使用单个纳米空隙聚合物层可以将换能器响应约束到跨设备的特定输入电信号/输出声学响应。在一些实施例中，声学设备根据单个设备内的位置，且不需要复杂的电极结构，使用简单的电气架构(诸如一对电极)，促进能够进行空间可变致动和感测响应的电活性设备(诸如换能器和/或传感器)，来产生和/或感测声波。
在一些实施例中，声学传感器可以包括电活性设备，其中电活性设备包括第一部分和第二部分，其中由于纳米空隙的特定分布，第一部分具有与第二部分不同的感知响应(sensory response)。
在一些实施例中，声学元件可以具有大致长方体形状，例如具有例如沿着大致相互正交的方向确定的长度、宽度和厚度。声学元件的厚度可以大约等于电极间距。在一些实施例中，声学元件可具有盘形、楔形、片形、诸如杆的细长形式或其它形状。距离参数可以(视情况而定)是沿边缘的距离(例如从一侧到另一侧的距离)、径向距离(例如在大致径向方向上距盘形形状的中心或边缘的距离)、或其它距离测量结果。
在一些实施例中，体积空隙分数可以是多个声学元件上的距离参数的函数，例如，包括具有不同平均空隙体积分数(可选地具有可察觉的空隙体积分数的内部变化，或在一些实施例中没有可察觉的空隙体积分数的内部变化)的多个声学元件被布置以获得空隙体积分数随着跨多个声学元件的距离的所需变化。
声学元件和设备制造
本文讨论了各种制造方法。可以理解，通过改变一个或更多个工艺参数(诸如波长、强度、基板温度、其它工艺温度、气压、辐射剂量、化学浓度梯度、化学成分变化(例如，控制胶束大小)或其它工艺参数)，声学元件或声学设备的特性可以在空间范围内变化。例如，非均匀的空隙大小分布可以通过改变电活性聚合物内的牺牲区域的大小来获得。
形成具有随机分布(即无序)空隙的纳米空隙聚合物薄膜的示例方法包括选择性地沉积聚合物组分或聚合物前体组分以原位形成空隙，或沉积含有指导空隙的结构形成的模板剂的聚合物或聚合物前体组分，并且然后选择性地去除模板剂。模板剂可以是物质的任何相(固体、液体、气体)。形成具有规则(即，有序)排列的空隙的纳米空隙聚合物薄膜的示例方法可以包括自组装或各种光刻技术。
根据一些实施例，可以使用沉积方法(包括旋涂、喷墨印刷、化学气相沉积、气相涂覆、热喷涂、挤出或层压)来形成纳米空隙聚合物层。在特定实施例中，纳米空隙聚合物层可以直接沉积在电极上。在替代实施例中，纳米空隙聚合物层可以被沉积在临时基板上并被转移到电极或电极化基板上。
形成声学元件的方法包括依次(例如，经由气相沉积、涂覆、印刷等)或同时(例如，经由共流(co-flowing)、共挤压(coextrusion)、槽模涂覆(slot die coating)等)形成电极和电活性元件。可替代地，纳米空隙聚合物层可使用引发化学气相沉积(iCVD)沉积，其中，例如，所需聚合物的合适单体可用于形成所需涂覆。在一些实施例中，单体、低聚物和/或预聚物可以可选地与溶剂混合并且可以在固化期间和/或之后从聚合物基体中去除溶剂以形成纳米空隙。示例溶剂包括醇、脂族、芳族或卤代烃、以及它们的组合。
制造声学元件的方法可以包括将可固化材料沉积到主电极上，固化所沉积的可固化材料以形成电活性层(例如，包括固化的弹性体材料)，以及将导电材料沉积到与主电极相对的电活性层的表面上以形成次电极。在一些实施例中，方法还可以包括将附加可固化材料沉积到与电活性层相对的次电极的表面上，固化所沉积的附加可固化材料以形成包括第二固化的弹性体材料的第二电活性层，以及将附加导电材料沉积到与次电极相对的第二电活性层的表面上以形成三级电极(tertiary electrode)。
在一些实施例中，制造声学元件的方法可以包括蒸发可固化材料或其前体，其中沉积可固化材料可以包括将蒸发的可固化材料沉积到主电极上。在一些实施例中，制造声学元件的方法可以包括将聚合物或其前体(例如可固化材料)印刷到电极上。在一些实施例中，方法还可包括将聚合物前体材料与至少一种其它组分组合以形成沉积混合物。在一些实施例中，方法可以包括将可固化材料与具有高介电常数的材料颗粒组合以形成沉积混合物。
根据一些实施例，方法可以包括将可固化材料定位在第一导电材料和第二导电材料之间。定位的可固化材料可以被固化以形成固化的弹性体材料。在一些实施例中，固化的弹性体材料可以具有约0.35或更小的泊松比。在一些实施例中，第一导电材料或第二导电材料中的至少一者可包括可固化导电材料，并且该方法还可以包括固化第一导电材料或第二导电材料中的至少一者以形成电极。在该示例中，固化第一导电材料或第二导电材料中的至少一者可以包括在固化定位的可固化材料期间固化第一导电材料或第二导电材料中的至少一者。
在一些实施例中，可固化材料和第一导电材料或第二导电材料中的至少一者在将可固化材料定位在主电极和次电极之间期间可以是可流动的。制造声学元件的方法还可以包括使可固化材料和第一导电材料或第二导电材料中的至少一者同时流到基板上。
在一些实施例中，用于制造声学元件(例如，致动器)的方法可以包括掩模(例如，阴影掩模)以控制一种或更多种沉积材料的图案。
在一些实施例中，纳米空隙聚合物层可以在由沉积室封闭的表面上制造，该沉积室可以被抽空(evacuated)(例如，使用一个或多个机械真空泵被抽空达到预定水平，诸如10-6Torr或更低)。沉积室可以包括刚性材料(例如，钢、铝、黄铜、玻璃、丙烯酸等)。用于沉积的表面可包括转鼓。在一些实施例中，旋转可生成离心能并导致沉积的材料更均匀地散布在机械耦合到表面的任何下面的顺序沉积的材料(例如，电极、聚合物元件等)上。在一些实施例中，表面可以是固定的并且沉积和固化系统可以相对于表面移动，或者表面、沉积和/或固化系统可以同时移动。
在一些实施例中，声学设备(例如，致动器、传感器等)可以通过以下方式制造：提供具有第一表面的导电层(例如，主电极)；将纳米空隙聚合物(例如电活性聚合物)或聚合物前体(例如单体)沉积(例如气相沉积)到电极上；根据需要，(例如，通过固化或类似过程)由聚合物前体形成纳米空隙聚合物，诸如电活性聚合物；以及在电活性聚合物上沉积另一个导电层(例如，次电极)。在一些实施例中，方法还可以包括重复上述一个或更多个以制造附加层(例如，第二电活性元件、其它电极、聚合物层和电极的交替堆叠等)。电活性(例如，声学)设备可具有堆叠配置。
在一些实施例中，声学元件可以通过以下方式来制造：首先沉积主电极，并且然后在主电极上沉积可固化材料(例如，单体)(例如，使用气相沉积工艺沉积)。在一些实施例中，沉积室的入口可以打开并且可以输入合适的单体引发剂以开始化学反应。在一些实施例中，如本文所使用的，“单体”可指形成给定聚合物(即，作为电活性元件的一部分)的单体。在其它示例中，聚合物前体(诸如单体)的聚合可包括暴露于电磁辐射(例如，可见光、UV、X-射线或伽马辐射)、暴露于其它辐射(例如，电子束、超声)、热、暴露于化学物质(诸如催化剂、引发剂等)或它们的一些组合。
沉积的可固化材料可以用辐射源(例如，电磁辐射，诸如UV和/或可见光)固化以例如通过光聚合形成包括固化的弹性体材料的纳米空隙聚合物层。在一些实施例中，辐射源可包括可生成电磁辐射的通电丝极阵列、诸如发光二极管(LED)或半导体激光器的半导体设备、其它激光器、荧光或光谐波生成源等。单体和引发剂(如果使用)可在暴露于辐射时反应以形成电活性元件。
在一些实施例中，辐射可以包括具有能够破坏材料中的共价键的能量(例如，强度和/或光子能量)的辐射。辐射示例可包括电子、电子束、离子(诸如质子、原子核和电离原子)、x射线、伽马射线、紫外光、可见光或例如具有适当高能级的其它辐射。在一些实施例中，固化的弹性体材料可以包括在多个限定区域中的至少一种非聚合物组分，并且该方法还可以包括从固化的弹性体材料去除至少一种非聚合物组分的至少一部分以形成空隙化(例如纳米空隙)聚合物元件。
然后可将导电材料沉积到第一电活性元件的与主电极相对的表面上以形成次电极。附加可固化材料可以沉积到与电活性元件相对的次电极的表面上。例如，可以将沉积的附加可固化材料固化以形成第二电活性元件，例如包括第二固化弹性体材料。在一些实施例中，附加导电材料可以沉积到第二电活性元件的与次电极相对的表面上以形成三级电极。
在一些实施例中，沉积室可具有排气口，该排气口被配置为打开以在材料(例如，单体、低聚物、单体、引发剂、导电材料等)的一次或更多次沉积期间和/或之间释放室中至少一部分的蒸气。在一些实施例中，沉积室可以被吹扫(例如，用气体或施加真空，或二者)以去除一部分蒸气(例如，单体、低聚物、单体引发剂、金属颗粒和任何所得副产物)。此后，(例如，对于第二电活性元件等)可以重复一个或更多个先前步骤。以该方式，声学设备的各个层可以保持在高纯度水平。
在一些实施例中，声学设备的材料(例如，单体、低聚物、单体引发剂、导电材料等)的沉积可以使用沉积工艺(诸如化学气相沉积(CVD))来执行。CVD可以指用于产生高质量、高性能、固体材料的真空沉积方法。在CVD中，基板可暴露于一种或更多种前体，该一种或更多种前体可在基板表面上反应和/或分解以产生所需沉积物(例如，一种或更多种电极、电活性聚合物等)。通常，还会产生挥发性副产物，该副产物可以通过流经腔室的气流去除。
在一些实施例中，可以使用大气压CVD(APCVD)涂层形成技术(例如，大气压下的CVD)来制造声学设备。在一些实施例中，可以使用低压CVD(LPCVD)工艺(例如，在亚大气压下的CVD)制造声学设备。在一些实施例中，LPCVD可以利用降低的压力，该降低的压力可以减少不想要的气相反应并提高在整个基板上的沉积材料的均匀性。在一方面，制造装置可以应用超高真空CVD(UHVCVD)工艺(例如，在非常低的压力下(通常低于约10-6Pa(相当于约10-8torr))的CVD)。
在一些实施例中，声学设备可以使用气溶胶辅助CVD(AACVD)工艺(例如，其中前体被传输到基板的CVD工艺)借助于液体/气体气溶胶制造，该液体/气体气溶胶可以以超声波或电喷雾生成。在一些实施例中，AACVD可以与非挥发性前体一起使用。在一些实施例中，声学设备可使用直接液体注入CVD(DLI-CVD)工艺(例如，其中前体为液体形式(例如溶解在溶剂中的液体或固体)的CVD工艺)制造。可以使用一个或多个注射器将液体溶液注入到沉积室中。然后可以如在CVD中那样传输前体蒸气。DLI-CVD可以被用于液体或固体前体，并且使用该技术可达到沉积材料的高生长速率。
在一些实施例中，声学设备可以使用热壁CVD工艺(例如，其中沉积室由外部电源加热并且声学设备由来自沉积室的加热壁的辐射加热的CVD)制造。在另一方面，声学设备可使用冷壁CVD工艺(例如，其中仅设备被例如通过感应直接加热而腔室的壁保持在室温下的CVD)制造。
在一些实施例中，可以使用微波等离子体辅助CVD(MPCVD)工艺制造声学设备，其中使用微波来提高前体的化学反应速率。在另一方面，可以使用等离子体增强CVD(PECVD)工艺(例如，使用等离子体来增强前体的化学反应速率的CVD)来制造声学设备。在一些实施例中，PECVD处理可允许在较低温度下沉积材料，这可用于承受对设备的损坏或用于沉积某些材料(例如，有机材料和/或一些聚合物)。
在一些实施例中，可以使用远程等离子体增强CVD(RPECVD)工艺来制造声学元件或设备。在一些实施例中，RPECVD可以类似于PECVD，不同之处在于声学元件或设备可以不直接在等离子体放电区域中。在一些实施例中，从等离子体区域去除电活性设备可以允许将处理温度降低至室温(即，约23℃)。
在一些实施例中，可以使用原子层CVD(ALCVD)工艺制造声学设备。在一些实施例中，ALCVD可以沉积不同物质的连续层以在声学设备上产生分层的结晶膜涂层。
在一些实施例中，可以使用燃烧化学气相沉积(CCVD)工艺制造声学设备。在一些实施例中，CCVD(也称为火焰热解)可指用于沉积高质量薄膜(例如，范围从几分之一纳米(单层)到几微米厚度的材料层)和(可用于形成声学设备的)纳米材料的开放大气的基于火焰的技术。
在一些实施例中，声学设备可使用热丝CVD(HFCVD)工艺制造，该工艺也可称为催化CVD(cat-CVD)或引发CVD(iCVD)。在一些实施例中，该工艺可以使用热丝极来化学分解源气体以形成设备的材料。此外，丝极温度和声学设备的部分的温度可以独立控制，允许在声学设备处获得更好的吸附速率的更冷温度，以及在丝极处分解为自由基的前体所需的更高温度。
在一些实施例中，可以使用混合物理-化学气相沉积(HPCVD)工艺来制造声学设备。HPCVD可涉及前体气体的化学分解和固体源的蒸发以在声学设备上形成材料。
在一些实施例中，可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺(例如，使用金属有机前体的CVD)制造声学设备以在声学设备上形成材料。例如，可以使用该方法在电活性聚合物元件上形成电极。
在一些实施例中，声学设备可使用快速热CVD(RTCVD)工艺制造。该CVD工艺使用加热灯或其它方法来快速加热声学元件。在其制造期间仅加热声学元件而不是前体或室壁可以减少不想要的气相反应，气相反应可能导致声学元件中的颗粒形成。
在一些实施例中，可以使用光引发CVD(PICVD)工艺来制造声学元件。该工艺可以使用UV光来刺激用于制造声学元件的材料的前体材料中的化学反应。在特定条件下，PICVD可以在大气压或接近大气压下操作。
在一些实施例中，声学元件可以通过包括以下项的工艺来制造：将可固化材料(例如，单体，诸如丙烯酸酯或硅树脂)和用于可固化材料的溶剂沉积到基板上，加热具有与固化单体一起残留的至少一部分溶剂的可固化材料，并从固化单体中去除该溶剂。使用该工艺，可以在电活性元件中形成空隙(诸如纳米空隙)。在一些实施例中，可流动材料(例如，溶剂)可与可固化材料(例如，单体和导电材料)组合以产生可用于产生纳米空隙电活性聚合物的可流动混合物。单体可以是单官能的或多官能的、或它们的混合。多官能单体可用作交联剂以增加刚性或形成弹性体。多官能单体可包括双官能材料(诸如双酚芴(EO)二丙烯酸酯)、三官能材料(诸如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA))和/或更高官能的材料。可以使用其它类型的单体，包括例如异氰酸酯，并且这些单体可以与具有不同固化机制的单体混合。
在一些实施例中，可流动材料可以与可固化材料(例如单体)组合(例如，混合)。在一些实施例中，可固化材料可与至少一种不可固化组分(例如，具有高介电常数的材料的颗粒)组合以例如在声学设备的电极(例如，主电极或次电极)上形成包括可固化材料和至少一种不可固化组分的混合物。可替代地，可将可流动材料(例如，溶剂)引入蒸发器以将可固化材料(例如，经由蒸发，或在替代实施例中，经由印刷)沉积到电极上。在一些实施例中，可流动材料(例如，溶剂)可以作为单独的层沉积在可固化材料(例如，单体)的顶部或下方，并且在被辐射源固化以生成纳米空隙电活性聚合物之前，可以允许溶剂和可固化材料彼此扩散。在一些实施例中，在固化可固化材料之后，可以在形成另一电活性聚合物或另一电极之前允许溶剂蒸发。在一些实施例中，溶剂的蒸发可以通过如下方式来加速：用加热器向表面施加热量，该加热器可以例如设置在鼓成型表面和/或任何其它合适的位置内；或者使用冷阱(例如，将蒸气冷凝成液体或固体的设备)降低基板上方溶剂的压力；或它们的组合。
在一些实施例中，溶剂可具有类似于被蒸发的单体中的至少一种单体的蒸气压力。溶剂可以溶解单体和生成的电活性聚合物二者，或者溶剂可以仅溶解单体。可替代地，如果施加单体的混合物，则溶剂可以对单体或多种单体具有低溶解度。此外，溶剂可以与单体中的至少一种单体不混溶并且当冷凝在基板上时可以至少部分地相分离。
在一些实施例中，生成与声学设备(诸如本文不同描述的声学设备)结合使用的纳米空隙聚合物的方法可包括共沉积单体或单体混合物、表面活性剂和与表面活性剂相容的单体相关联的非溶剂材料。
在多个示例中，单体可包括但不限于丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸乙氧基乙酯、2-氯乙基乙烯基醚、丙烯酸氯甲酯、甲基丙烯酸、烯丙基缩水甘油醚、和/或N-羟甲基丙烯酰胺。
在一些方面，表面活性剂可以是离子的或非离子的(例如SPAN 80，可从Sigma-Aldrich Company获得)。在另一方面，非溶剂材料可包括有机和/或无机非溶剂材料。例如，非溶剂材料可包括水或烃或可包括高极性有机化合物，诸如乙二醇。如上所述，一种或多种单体、非溶剂和表面活性剂可以共沉积。可替代地，一种或多种单体、非溶剂和/或表面活性剂可以顺序沉积。一方面，可以控制基板温度以生成和控制通过共沉积或顺序沉积一种单体或多种单体、非溶剂和表面活性剂而生成的所得乳液的一种或更多种特性。可以处理基板以防止乳液不稳定。例如，铝层可以用通过沉积单体然后固化单体而制成的薄聚合物层进行涂覆。根据多个实施例，基板可以包括电极。
例如，固化剂(如果提供的话)可包括多胺、高级脂肪酸或其酯、硫或氢化硅烷化催化剂。在一些实施例中，可使用可固化单体与固化聚合物的混合物。此外，例如可以使用稳定剂来抑制纳米空隙聚合物的环境降解。示例稳定剂包括抗氧化剂、光稳定剂和热稳定剂。
如本公开通篇所讨论的，所公开的设备、系统和方法可以提供优于传统设备、系统和方法的一个或更多个优点。例如，与现有设备相比，本文提出的声学设备可包括纳米空隙电活性元件，该纳米空隙电活性元件在由成对电极之间的电位差产生的静电场存在的情况下实现基本上均匀的应变，从而允许声学设备实现例如声音衰减、转导和感测方面的改进。此类均匀应变可以减少或消除声学元件中不想要的变形，并且可以导致声学元件更大的整体变形，诸如压缩，从而例如提供更大程度的声音消除，但需要更低量的能量来提供此类变形。
声学元件可以包括含有纳米空隙区域的聚合物材料，与无空隙材料相比，该纳米空隙区域允许在存在电压梯度的情况下附加压缩。此外，声学设备可形成为具有用多个电极层叠的多个声学元件的堆叠结构，使得与具有单个电活性元件或层的设备相比，多个声学元件能够在可经受更大程度的变形(例如，压缩和/或膨胀)的单个设备中彼此结合地被致动，这可以在声音吸收、声音转导和/或声音感测应用中提供改进的控制和性能。
包括具有纳米级尺寸的空隙的聚合物材料可具有许多有利的属性。例如，将纳米空隙结合到聚合物基体中可以增加所得复合材料的介电常数和声阻尼特性，而不会增加其密度。此外，与纳米空隙聚合物相关联的高表面积与体积比将在纳米空隙和周围聚合物基体之间提供更大的界面面积，这可有助于更有效的声音吸收。例如，声音衰减量可以与纳米空隙聚合物的曲折度以及多孔基体的表面积成正比。
在一些实施例中，向纳米空隙聚合物层施加电压可以改变聚合物内空隙的拓扑结构。根据各种实施例，对纳米空隙拓扑结构的操纵可用于主动控制纳米空隙聚合物层和相关联的声学元件的声音衰减系数。
如下文将更详细解释的，本公开的一些实施例涉及包括纳米空隙聚合物层的可切换声学元件。例如，纳米空隙聚合物层可以在未致动状态中表现出第一声音衰减系数，以及在致动状态中表现出与第一声音衰减系数不同的第二声音衰减系数。纳米空隙聚合物层的电容致动、机械致动或通过其它方法的致动可用于可逆地操纵空隙拓扑结构并因此操纵聚合物层的机械(例如，绝缘、转导和/或感测)特性。
下面将参考图1-13提供与用于可调谐声阻尼或转导的纳米空隙聚合物的制造和实现方式相关的方法和系统的详细描述。与图1A和图1B相关联的讨论包括对纳米空隙聚合物声学绝缘体的描述。与图2A和图2B相关联的讨论涉及示例纳米空隙聚合物层内的空隙分布。与图3A和图3B相关联的讨论包括纳米空隙聚合物换能器的描述。图4A和图4B描绘了具有纳米空隙聚合物层的声学传感器。与图5相关联的讨论包括具有纳米空隙聚合物声学绝缘体/纳米空隙聚合物换能器阵列的层叠玻璃产品(诸如汽车或建筑玻璃)的描述。与图6A和图6B相关联的讨论涉及纳米空隙聚合物多层结构。与图7相关联的讨论包括具有设置在基板上方的纳米空隙聚合物绝缘体和纳米空隙聚合物换能器元件的阵列的设备的描述。与图8-13相关联的讨论涉及示例性虚拟现实和增强现实设备架构，该架构可包括如本文所公开的纳米空隙聚合物层、纳米空隙聚合物声学绝缘体或纳米空隙聚合物换能器。
在一些示例中，“纳米空隙聚合物声学绝缘体”(NVPI)可以包括纳米空隙聚合物的多层堆叠。可选地，一层或更多层纳米空隙聚合物可以包括热固性材料并且可以设置在导电电极之间。纳米空隙聚合物声学绝缘体可用于主动或被动降噪。在示例实施例中，纳米空隙聚合物声学绝缘体可具有范围从约1mm到约10mm的总厚度。在特定实施例中，纳米空隙聚合物声学绝缘体也可作为热绝缘体操作。在特定实施例中，纳米空隙聚合物声学绝缘体可被配置为用作致动器。
在一些示例中，“纳米空隙聚合物换能器”(NVPT)可以包括纳米空隙聚合物的多层堆叠，其中纳米空隙聚合物堆叠设置在至少一个电极对之间。在一些实施例中，纳米空隙聚合物换能器可以被配置为基于电容效应感测或测量声波，例如作为麦克风。在一些实施例中，纳米空隙聚合物换能器可被配置为当AC信号(即，AC电压)通过电极施加到堆叠时产生声波。例如，声波可以在换能器的表面产生，例如作为扬声器。在又一些另外的实施例中，纳米空隙聚合物换能器可以被配置为感测(例如，测量)和发射声音。在示例实施例中，纳米空隙聚合物换能器可具有范围从约100微米到约1mm的总厚度。在特定实施例中，纳米空隙聚合物换能器也可用作热绝缘体。
根据多个实施例，纳米空隙聚合物层可以设置在主电极和次电极之间。根据一些实施例，声学元件可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的次电极、以及设置在主电极和次电极之间并邻接主电极和次电极的纳米空隙聚合物层。
在电极之间施加电压可以导致纳米空隙聚合物层在施加电场的方向上压缩、以及纳米空隙聚合物层在一个或更多个横向尺寸上的相关膨胀或收缩。此类致动可用于操纵聚合物基体内纳米空隙的拓扑结构，并且进而操纵聚合物层的声学特性。
如上所述，声学元件可以包括致动器，该致动器包括电活性聚合物。在一些实施例中，声学元件可包括至少两层，每一层由一对电极驱动。图1A示出了具有第一电活性聚合物层(例如，第一纳米空隙弹性体材料)105和第二电活性聚合物层(例如，第二纳米空隙弹性体材料)110、主电极130a、次电极115和三级电极130b的声学元件(例如，声学绝缘体)100。
在一些实施例中，主电极130a和三级电极130b可选地通过第一接触(例如，schoopage)层135连接到主公共电极140。在一些示例中，次电极115可以连接到第二可选接触(例如，schoopage)层120到次公共电极125。次电极115可以例如用绝缘体145与主电极130a和三级电极130b电隔离。绝缘体145可以是电活性的聚合物或不同的介电材料，诸如例如丙烯酸酯或硅树脂聚合物。在一些实施例中，第一接触层135或第二接触层120可以包括金属。在另一方面，第一接触层135或第二接触层120可以包括与一个或多个电极(例如，主电极130a、次电极115、三级电极130b、主公共电极140，或次公共电极125)相似但不一定相同的材料。
在一些实施例中，次电极115可以与主电极130a的至少一部分重叠(例如，在水平方向中重叠)，并且三级电极130b可以与次电极115的至少一部分重叠。第一电活性聚合物层105可以包括设置在主电极130a和次电极115之间并邻接主电极130a和次电极115的第一弹性体材料。第二电活性聚合物层110可以包括设置在次电极115和三级电极130b之间并邻接次电极115和三级电极130b的第二弹性体材料。
在一些实施例中，主公共电极140可以电耦合(例如，在具有低接触电阻的界面处电接触)到主电极130a和三级电极130b。次公共电极125可以电耦合到次电极115。
在一些实施例中，声学元件100可以包括图1A中未示出的附加层。例如，附加电活性聚合物层(未示出)可以设置在三级电极130b的与第二电活性聚合物层110相对的一侧上。附加电活性聚合物层可以与第一电活性聚合物层105和第二电活性聚合物层110重叠。此外，附加电极可以设置为邻接附加电活性聚合物层中的一层的背离第二电活性聚合物层110的表面。在一些实施例中，声学元件100可以包括更多(例如，两个、三个、或更多)此类附加电活性聚合物层和对应的电极(未示出)。例如，声学元件可以包括从两个电活性聚合物层和对应电极到10000个电活性聚合物层(例如，2个、3个、4个、5个、10个、20个、50个、100个、200个、500个、1000个、2000个、5000个或10000个电活性聚合物层，包括前述任意值之间的范围)的堆叠。
在一些实施例中，公共电极(例如，主公共电极140和次公共电极125)可以以与图1A中所示不同的多种方式构造。例如，公共电极可以形成倾斜形状，或者可以是更复杂的形状(例如，图案化或自由形状)。在一些实施例中，公共电极可以成形为允许声学设备在操作期间压缩和膨胀。
参考图1B，例如通过电路155施加电压，纳米空隙聚合物层105、110可以被压缩或膨胀。此类致动可用于生成通过声学元件100传播的声波的声学衰减的变化。
根据特定实施例，例如，通过电容致动可实现的衰减的动态范围可以通过包括但不限于以下因素来控制：纳米空隙形状、纳米空隙互连、聚合物渗透(即，通过非纳米空隙聚合物基体的扩散)、材料分解、纳米空隙多分散性、纳米空隙大小、纳米空隙堆积结构、纳米空隙孔隙率和施加电场。
除上述之外，可以通过在纳米空隙聚合物中引入多分散性(包括纳米空隙大小和形状的可变性、纳米空隙的准随机分布)以及通过控制纳米空隙的开放或闭合特性来增加声音衰减。在这方面，根据一些实施例，图2A示出具有带有分散在整个聚合物基体212中规则的均匀分布的纳米空隙214的聚合物基体212的纳米空隙聚合物层210，而图2B中示出具有分散在整个聚合物基体222中不规则分布的纳米空隙224的多分散纳米空隙聚合物层220。
在一些实施例中，对低频噪声(<1000Hz)的抑制可通过将含有纳米空隙聚合物的声学元件操作为换能器而受影响。参考图3A，在未致动状态中示出的此类声学元件(换能器)300可具有与图1A中描绘的声学元件100相同的结构。
参考图3B，在向电极施加AC电场355时，致动的声学元件300可以经历膨胀和收缩。如示意性所示，该周期性应变可用于生成作为输出的声场310。声学元件300因此可作为AC信号转换成声波的换能器操作。
根据另一些实施例，含有纳米空隙聚合物的声学元件可以作为声波传感器操作。参考图4A，此类声学元件(传感器)400被示出为处于未致动状态，并且可以具有与图1A中描绘的声学元件100相同的结构。参考图4B，传入的声波410可以在声学元件400中引起振动，这可以产生纳米空隙聚合物层105、110的压缩和/或膨胀。引起的变形可以被检测为声学元件400两端的电容变化，该电容变化可通过电路455测量。
在示例应用中，包含纳米空隙聚合物的声学元件(例如，声学元件100)可以被结合到建筑(architectural)结构中，其中声学元件被设置在其固体表面上，诸如在内壁或外壁上。在操作中，声学元件100可以减少噪声穿过壁的渗透，即从外部到内部，或反之亦然。在声学元件100设置在外壁上方的实施例中，可以在声学元件100上方形成合适的涂层以提供免受环境影响的保护。
在另一应用中，可以通过共同集成多种声学元件来形成噪声消除结构。例如，包括声学元件(传感器)400的设备可以被配置为记录入射声波410，例如低频声波。该设备还可以包括声学元件(换能器)300，该声学元件(换能器)300被配置为发射与入射声波410幅度匹配但异相的输出310。可以使用输出声波310和入射声波410之间的破相消干涉来抵消入射声波。如本文所使用的，“幅度匹配”或具有“基本上相等的幅度”的声波可包括例如具有相差至多10％(例如0、2％、4％、6％、％8或10％，包括任何上述值之间的范围)的幅度的声波。可以理解，此类设备可以包括合适的控制单元和实时硬件。
在一些实施例中，可以通过感测声音振动并向声学元件施加电压以生成异相力以至少部分地消除不期望的噪声来抑制声音或不期望的噪声。可替代地，可以使用远程传感器来提供关于可以到达声学设备的声音的信息，并且可以向声学元件施加适当的电压波形以至少部分地消除感测的声音。可替代地或附加地，可以使用例如傅立叶频率分析来识别重复的声音振动，并且可以向声学元件施加适当的电压波形以至少部分地抵消声音振动。
根据又一些另外的实施例，可以将多个基于纳米空隙聚合物的声学元件结合到各种组件中，例如头戴式耳机或窗组件，包括汽车玻璃窗或建筑玻璃窗。在一些实施例中，NVPI/NVPT阵列可结合到双窗格或三窗格玻璃窗中。举例来说，声学元件阵列可以具有高透明度并且可以包括例如声学绝缘体100和声学换能器300，该声学换能器300可以被调谐以提供主动噪声消除。在一些实施例中，三层玻璃窗可以通过用透明的重量轻的NVPI/NVPT阵列代替中央玻璃窗格来被重新设计为双层玻璃窗。
参考图5，其示出了示例双窗格玻璃窗500，该双窗格玻璃窗500具有结合在内和外玻璃窗格510之间的NVPI/NVPT阵列505。NVPI/NVPT阵列505可以衰减入射声波530以形成透射声波540。如将理解的，NVPI和NVPT元素可以独立地或共同地结合到阵列中。
在一些实施例中，通过使纳米空隙聚合物层的近表面区域(即面向外的部分)与空气阻抗匹配，并逐渐改变纳米空隙聚合物层的阻抗以形成强声学吸收体，可以减少来自纳米空隙聚合物层表面的反射。在这方面，图6A示出示例纳米空隙聚合物多层结构610，从上到下包括上EAP层630、中间EAP层640、下EAP层650，其中结构610在纳米空隙620的大小上具有厚度梯度。如图6B中所示，纳米空隙聚合物的致动可优先在具有较大平均空隙大小的层630、640中引起压缩。例如，此类多层结构610可以通过共挤压或使用逐层方法来制造。
根据另外的实施例，并参考图7，单独的NVPI和NVPT元件710的设备阵列700可以设置在基板705上方。元件710的面积尺寸可以在从约0.5微米×0.5微米到约15cm×15cm的范围内。在特定实施例中，元件间间距可以是约0.5微米到约15cm。可以在基板705上方形成电连接715、720以提供与主电极和次电极(未示出)的电连通。
尽管图7中所示的实施例描绘了平面基板705，但是NVPI和NVPT元件710可以形成在弯曲的(例如，凹的或凸的)基板上方。示例基板705包括刚性基板，诸如玻璃、金属或硅基板、以及柔性基板，诸如玻璃或聚合物基板，例如聚酰亚胺或聚乙烯基板。
本文所示和描述的方法和系统可用于形成具有单层或多层纳米空隙聚合物的声学元件。例如，多个电极/电活性聚合物层/电极堆叠中的每一个可以独立地配置为具有所需的空隙大小和空隙大小分布、以及层之间的形状、排列和间距。此类复杂的布置可以实现对声学元件的绝缘或转导特性的动态的局部控制。
在多个实施例中，所公开的声学元件可以在薄的、重量轻的封装中提供所需程度的声音衰减，例如在低频范围(<1000Hz)上。除了虚拟现实、增强现实和混合现实设备之外，所公开的可提供被动和主动噪声消除的声学元件还可用于各种环境，包括汽车、建筑、航空航天、电子等。也就是说，单个纳米空隙聚合物层或多层可以被配置为提供被动和主动噪声消除二者。此外，在特定实施例中，声音衰减的程度可以动态调节。
在一些实施例中，声学元件可包括纳米空隙聚合物层，该纳米空隙聚合物层具有小于入射在声学元件上的光的波长的平均空隙大小。此外，包含电极的声学元件可以包括透明电极。此类声学元件本身可以是光学透明的。如本文所使用的，“透明”或“光学透明”的材料或元件可例如在可见光谱内具有至少约50％(例如50％、60％、70％、80％、90％、95％、97％、98％、99％或99.5％，包括前述任意值之间的范围)的透射率以及小于约80％的雾度(haze)，例如1％、2％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％的雾度，包括前述任意值之间的范围。根据一些实施例，“完全透明”材料或元件在可见光谱内具有至少约80％(例如80％、90％、95％、97％、98％、99％或99.5％，包括前述任意值之间的范围)的透射率(即，光透射率)和小于约10％的雾度，例如0、1％、2％、4％、6％或8％的雾度，包括前述任意值之间的范围。
本文公开了一种用于具有集成主动模式操作能力的可调谐声阻尼的纳米空隙聚合物(NVP)材料。NVP材料可包括随机排列的纳米大小的孔隙网络，并且可用于被动和主动噪声消除二者。NVP可以是电活性材料，该电活性材料在成对电极之间施加电场时，开始在电场方向上压缩或膨胀。材料厚度的变化可用于调谐NVP的衰减特性。随着材料厚度减小，材料的曲折度减小，这可以减小衰减。此外，对于具有低泊松比的NVP，这可导致空隙表面积的减少，并且从而导致材料与声波的相互作用。以纳米级，分隔闭孔空隙的孔壁可以足够薄到使得空气扩散发生在微秒级。因此，闭孔空隙材料可以变成纳米级的高空隙材料的衰减器。在一些示例中，多个NVP元件可以排列在基板上。
示例实施例
示例1：一种声学元件包括纳米空隙聚合物层，纳米空隙聚合物层在第一状态中具有第一纳米空隙拓扑结构，以及在第二状态中具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。
示例2：根据示例1所述的声学元件，其中，第一状态包括未致动状态，以及第二状态包括致动状态。
示例3：根据示例1和2中任一项所述的声学元件，其中，纳米空隙聚合物层包括纳米空隙的周期性分布。
示例4：根据示例1-3中任一项所述的声学元件，其中，纳米空隙聚合物层内的纳米空隙包括气体，所述气体选自空气、氮气、氧气、氩气、六氟化硫和有机氟化物。
示例5：一种声学绝缘体，所述声学绝缘体包括根据示例1-4中任一项所述的声学元件。
示例6：根据示例5所述的声学绝缘体，其中，所述声学元件被配置为响应于入射在声学元件上的声波而发射声波。
示例7：根据示例6所述的声学绝缘体，其中，所发射的声波和所入射的声波包括异相关系。
示例8：一种声学换能器，所述声学换能器包括示例1-4中任一项所述的声学元件。
示例9：根据示例8所述的声学换能器，其中，声波是通过在所述纳米空隙聚合物两端施加AC电压来产生的。
示例10：根据示例8和9中任一项所述的声学换能器，其中，入射在所述纳米空隙聚合物层上的声波引起所述纳米空隙聚合物层中电容的变化。
示例11：一种声学元件，所述声学元件包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的次电极，以及设置在所述主电极和所述次电极之间并邻接所述主电极和所述次电极的纳米空隙聚合物层，其中当第一电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有第一纳米空隙拓扑结构，并且当与所述第一电压不同的第二电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有与所述第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。
示例12：根据示例11所述的声学元件，其中，声波是通过在所述纳米空隙聚合物层两端施加AC电压来产生的。
示例13：根据示例11和12中任一项所述的声学元件，其中，入射到所述纳米空隙聚合物层上的声波引起所述纳米空隙聚合物层中电容的变化。
示例14：根据示例11-13中任一项所述的声学元件，其中，当所述第一电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有第一声音衰减系数，并且当所述第二电压施加在所述主电极与所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有与所述第一声音衰减系数不同的第二声音衰减系数。
示例15：根据示例11-14中任一项所述的声学元件，所述声学元件的特征在于在可见光谱内至少约50％的光学透明度。
示例16：一种包括声学元件的阵列的设备，其中，所述声学元件包括以下中的至少一个：(a)多个含有纳米空隙聚合物的声学绝缘体，以及(b)多个含有纳米空隙聚合物的声学换能器。
示例17：根据示例16所述的设备，其中，各个声学元件之间的间距为从约0.5μm到约15cm。
示例18：根据示例16和17中任一项所述的设备，其中，声学元件的阵列被设置在非平面基板上。
示例19：根据示例16-18中任一项所述的设备，其中，声学元件的阵列被设置在柔性基板上。
示例20：根据示例16-19中任一项所述的设备，其中，在所述阵列内的每个声学元件包括电极对。
本公开的实施例可以包括各种类型的人工现实系统或结合各种类型的人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以一些方式进行调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实(mixed reality)、混杂现实(hybridreality)或它们的一些组合和/或派生。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合，其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如向观众产生三维(3D)效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实(例如，以在其中执行活动)的应用程序、产品、配件、服务或它们的一些组合相关联。
人工现实系统可以以多种不同的形式因素和配置来实现。一些人工现实系统可以被设计为在没有近眼显示器(NED)的情况下工作，其示例是图8中的增强现实系统800。其它人工现实系统可以包括NED，该NED也提供对真实世界的可见性(例如，图9中的增强现实系统900)或使用户在视觉上沉浸在人工现实中(例如，图10中的虚拟现实系统1000)。虽然一些人工现实设备可以是自包含系统，但其它人工现实设备可以与外部设备通信和/或协调以向用户提供人工现实体验。此类外部设备的示例包括手持控制器、移动设备、台式计算机、用户穿戴的设备、一个或更多个其他用户穿戴的设备、和/或任何其它合适的外部系统。
转向图8，增强现实系统800通常表示尺寸设计为适合用户的身体部位(例如，头部)周围的可穿戴设备。如图8中所示，系统800可以包括框架802和相机组件804，该相机组件804耦合到框架802并且被配置为通过观察本地环境来收集关于本地环境的信息。增强现实系统800还可以包括一个或更多个音频设备，诸如输出音频换能器808(A)和808(B)以及输入音频换能器810。输出音频换能器808(A)和808(B)可以向用户提供音频反馈和/或内容，并且输入音频换能器810可以捕获用户环境中的音频。
如图所示，增强现实系统800可能不一定包括被定位于用户眼睛前方的NED。不具有NED的增强现实系统可以采用多种形式，诸如头带、帽子、发带、腰带、手表、腕带、脚踝带、戒指、颈带、项链、胸带、眼镜架和/或任何其它合适的装置类型或形式。虽然增强现实系统800可能不包括NED，但增强现实系统800可以包括其它类型的屏幕或视觉反馈设备(例如，集成到框架802一侧的显示屏)。
本公开中讨论的实施例还可以在包括一个或更多个NED的增强现实系统中实现。例如，如图9中所示，增强现实系统900可以包括具有框架910的眼镜设备902，该框架910被配置为将左显示设备915(A)和右显示设备915(B)保持在用户眼睛前方。显示设备915(A)和915(B)可以一起或独立地向用户呈现图像或图像系列。虽然增强现实系统900包括两个显示器，但是本公开的实施例可以在具有单个NED或多于两个的NED的增强现实系统中实现。
在一些实施例中，增强现实系统900可以包括一个或更多个传感器，诸如传感器940。传感器940可以响应于增强现实系统900的运动生成测量结果信号，并且传感器940可以位于框架910的基本上任何部分上。传感器940可以表示定位传感器、惯性测量单元(IMU)、深度相机组件或它们的任何组合。在一些实施例中，增强现实系统900可以包括或可以不包括传感器940或者可以包括多于一个的传感器。在其中传感器940包括IMU的实施例中，IMU可以基于来自传感器940的测量结果信号生成校准数据。传感器940的示例可以包括但不限于加速度计、陀螺仪、磁力计、检测运动的其它合适类型的传感器、用于IMU的纠错的传感器、或它们的一些组合。
增强现实系统900还可以包括具有多个声学换能器920(A)-920(J)的麦克风阵列，统称为声学换能器920。声学换能器920可以是检测由声波引起的气压变化的换能器。每个声学换能器920可以被配置为检测声音并将检测到的声音转换成电子格式(例如，模拟或数字格式)。图2中的麦克风阵列可以包括例如十个声学换能器：920(A)和920(B)，920(A)和920(B)可以被设计成放置在用户的对应耳朵内；声学换能器920(C)、920(D)、920(E)、920(F)、920(G)和920(H)，声学换能器920(C)、920(D)、920(E)、920(F)、920(G)和920(H)以被定位在框架910上的不同位置处；和/或声学换能器920(I)和920(J)，声学换能器920(I)和920(J)可以被定位在对应的颈带905上。
在一些实施例中，声学换能器920(A)-(F)中的一个或更多个可以用作输出换能器(例如，扬声器)。例如，声学换能器920(A)和/或920(B)可以是耳塞或任何其它合适类型的头戴式耳机或扬声器。
麦克风阵列的声学换能器920的配置可以变化。虽然增强现实系统900在图9中被示为具有十个声学换能器920，但是声学换能器920的数量可以大于或小于十。在一些实施例中，使用更多数量的声学换能器920可以增加收集的音频信息的量和/或音频信息的灵敏度和准确度。相反，使用较少数量的声学换能器920可以降低相关联控制器950处理收集的音频信息所需的计算能力。此外，麦克风阵列的每个声学换能器920的定位可以变化。例如，声学换能器920的定位可以包括在用户身上限定的定位、框架910上限定的坐标、与每个声学换能器920相关联的取向、或它们的一些组合。
声学换能器920(A)和920(B)可以被定位在用户耳朵的不同部分上，诸如在耳廓(pinna)后面或在耳廓(auricle)或窝内。或者，除了耳道内的声学换能器920之外，在耳朵上或耳朵周围可以有附加声学换能器920。将声学换能器920定位在用户的耳道附近可以使麦克风阵列能够收集关于声音如何到达耳道的信息。通过将声学换能器920中的至少两个定位在用户头部的任一侧(例如，作为双耳麦克风)，增强现实设备900可以模拟双耳听力并捕获用户头部周围的3D立体声声场。在一些实施例中，声学换能器920(A)和920(B)可以经由有线连接930连接到增强现实系统900，并且在其它实施例中，声学换能器920(A)和920(B)可以经由无线连接(例如，蓝牙连接)连接到增强现实系统900。在其它实施例中，声学换能器920(A)和920(B)可能根本不与增强现实系统900结合使用。
在框架910上的声学换能器920可以沿着镜腿的长度、跨过鼻梁架、在显示设备915(A)和915(B)的上方或下方、或它们的一些组合进行定位。声学换能器920可以被取向成使得麦克风阵列能够在穿戴增强现实系统900的用户周围的各个方向上检测声音。在一些实施例中，可以在增强现实系统900的制造期间执行优化工艺0以确定麦克风阵列中每个声学换能器920的相对定位。
在一些示例中，增强现实系统900可以包括或连接到外部设备(例如，配对设备)，诸如颈带905。颈带905通常表示任何类型或形式的配对设备。因此，以下对颈带905的讨论也适用于各种其它配对设备，诸如充电盒、智能手表、智能手机、腕带、其它可穿戴设备、手持控制器、平板计算机、膝上型计算机和其它外部计算设备等。
如图所示，颈带905可以经由一个或更多个连接器耦合到眼镜设备902。连接器可以是有线的或无线的，并且可以包括电气和/或非电气(例如，结构)部件。在一些情况下，眼镜设备902和颈带905可以独立操作，它们之间没有任何有线或无线连接。虽然图9示出眼镜设备902和颈带905的在眼镜设备902和颈带905上的示例位置中的部件，但是这些部件可以位于别处和/或不同地分布在眼镜设备902和/或颈带905上。在一些实施例中，眼镜设备902和颈带905的部件可以位于与眼镜设备902、颈带905或它们的一些组合配对的一个或更多个附加外围设备上。
将外部设备(诸如颈带905)与增强现实眼镜设备配对可以使眼镜设备能够实现一副眼镜的形状因子，同时仍然提供足够的电池和计算能力来用于扩展能力。增强现实系统900的一些或全部电池功率、计算资源和/或附加特征可以由配对设备提供或在配对设备和眼镜设备之间共享，从而降低整体眼镜设备的重量、热量分布和形状因子，同时仍保持所需的功能。例如，颈带905可以允许将原本被包括在眼镜设备上的部件包括在颈带905中，因为用户可以在肩上承受比他们头上承受的重量更重的重量。颈带905还可以具有更大的表面积，通过该表面积将热量扩散并分散到周围环境。因此，颈带905可以允许比在独立的眼镜设备上可能具有的更大的电池和计算容量。由于颈带905中承载的重量可能比眼镜设备902中承载的重量对用户的侵入性更小，因此用户可以承受穿戴较轻的眼镜设备以及承载或穿戴配对设备比用户承受穿戴重的独立眼镜设备更长的时间，从而使用户能够更充分地将人工现实环境融入他们的日常活动中。
颈带905可以与眼镜设备902和/或其它设备通信耦合。这些其它设备可以向增强现实系统900提供特定功能(例如，跟踪、定位、深度映射、处理、存储等)。在图9的实施例中，颈带905可以包括两个声学换能器(例如，920(1)和920(J))，它们是麦克风阵列的一部分(或可能形成它们自己的麦克风子阵列)。颈带905还可包括控制器925和电源935。
颈带905的声学换能器920(I)和920(J)可以被配置为检测声音并将检测到的声音转换成电子格式(模拟或数字)。在图9的实施例中，声学换能器920(I)和920(J)可以被定位在颈带905上，从而增加颈带声学换能器920(I)和920(J)与定位在眼镜设备902上的其它声学换能器920之间的距离。在一些情况下，增加麦克风阵列的声学换能器920之间的距离可以提高经由麦克风阵列执行的波束形成的准确度。例如，如果声学换能器920(C)和920(D)检测到声音并且声学换能器920(C)和920(D)之间的距离大于例如声学换能器920(D)和920(E)之间的距离，则所确定的检测声音的源位置可能比在由声学换能器920(D)和920(E)检测声音时更准确。
颈带905的控制器925可以处理由颈带905和/或增强现实系统900上的传感器生成的信息。例如，控制器925可以处理来自麦克风阵列的描述由麦克风阵列检测到的声音的信息。对于每个检测到的声音，控制器925可以执行到达方向(DOA)估计以估计检测到的声音到达麦克风阵列的方向。当麦克风阵列检测到声音时，控制器925可以用该信息填充音频数据集。在其中增强现实系统900包括惯性测量单元的实施例中，控制器925可以根据位于眼镜设备902上的IMU来计算所有惯性和空间计算。连接器可以在增强现实系统900和颈带905之间以及在增强现实系统900和控制器925之间传送信息。信息可以是光学数据、电数据、无线数据或任何其它可传输数据形式的形式。将对由增强现实系统900生成的信息的处理移动到颈带905可以减轻眼镜设备902的重量和热量，使其对用户来说更舒适。
颈带905中的电源935可以为眼镜设备902和/或颈带905提供功率。电源935可包括但不限于锂离子电池、锂聚合物电池、原锂电池、碱性电池或任何其它形式的电力储存。在一些情况下，电源935可以是有线电源。在颈带905上而不是在眼镜设备902上包括电源935可以帮助更好地分布由电源935生成的重量和热量。
如上所述，一些人工现实系统可以代替将人工现实与实际现实混合，而是基本上用虚拟体验替换用户对真实世界的一种或更多种感官感知。该类型的系统的一个示例是头戴式显示系统，诸如图10中的虚拟现实系统1000，其大部分或完全覆盖用户的视野。虚拟现实系统1000可以包括前刚性体1002和形状适合围绕用户头部的带1004。虚拟现实系统1000还可以包括输出音频换能器1006(A)和1006(B)。此外，虽然图10中未示出，前刚性体1002可以包括一个或更多个电子元件，包括一个或更多个电子显示器、一个或更多个惯性测量单元(IMU)、一个或更多个跟踪发射器或检测器、和/或用于创建人工现实体验的任何其它合适的设备或系统。
人工现实系统可以包括多种类型的视觉反馈机制。例如，增强现实系统900和/或虚拟现实系统1000中的显示设备可以包括一个或更多个液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器和/或任何其它合适类型的显示屏。人工现实系统可以包括用于双眼的单个显示屏或可以为每只眼睛提供显示屏，这可以允许用于变焦调节或用于校正用户的屈光不正的附加灵活性。一些人工现实系统还可以包括具有用户可以通过其观看显示屏的一个或更多个透镜(例如，传统的凹透镜或凸透镜、菲涅耳透镜、可调液体透镜等)的光学子系统。
除了使用显示屏之外或代替使用显示屏，一些人工现实系统可以包括一个或更多个投影系统。例如，增强现实系统900和/或虚拟现实系统1000中的显示设备可以包括(使用例如波导)将光投射到显示设备中的微型LED投影仪，诸如允许环境光通过的透明组合器透镜。显示设备可以将投射的光折射到用户的瞳孔并且可以使用户能够同时观看人工现实内容和真实世界二者。人工现实系统还可以配置有任何其它合适类型或形式的图像投影系统。
人工现实系统还可以包括各种类型的计算机视觉部件和子系统。例如，增强现实系统800、增强现实系统900和/或虚拟现实系统1000可以包括一个或更多个光学传感器，诸如二维(2D)或3D相机、飞行时间深度传感器、单光束或扫描激光测距仪、3D LiDAR传感器和/或任何其它合适类型或形式的光学传感器。人工现实系统可以处理来自这些传感器中的一个或更多个传感器的数据以识别用户的位置，以绘制(map)真实世界的地图，向用户提供关于真实世界环境的上下文，和/或执行各种其它功能。
人工现实系统还可以包括一个或更多个输入和/或输出音频换能器。在图8和图10中示出的示例中，输出音频换能器808(A)、808(B)、1006(A)和1006(B)可以包括音圈扬声器、带式扬声器、静电扬声器、压电扬声器、骨传导换能器、软骨传导换能器、和/或任何其它合适类型或形式的音频换能器。类似地，输入音频换能器810可以包括电容式麦克风、动态麦克风、带式麦克风和/或任何其它类型或形式的输入换能器。在一些实施例中，单个换能器可以被用于音频输入和音频输出二者。
虽然未在图8-10中示出，但是人工现实系统可以包括触知(即，触觉)反馈系统，该反馈系统可以结合到头饰、手套、紧身衣、手持控制器、环境设备(例如椅子、地垫等)、和/或任何其它类型的设备或系统。触觉反馈系统可以提供各种类型的皮肤反馈，包括振动、力、牵引力、质地和/或温度。触觉反馈系统还可以提供各种类型的动觉反馈(kinestheticfeedback)，诸如运动和顺应性。触觉反馈可以使用电机、压电致动器、流体系统和/或各种其它类型的反馈机制来实现。触觉反馈系统可以独立于其它人工现实设备、在其它人工现实设备内和/或结合其它人工现实设备来实现。
通过提供触觉、听觉内容和/或视觉内容，人工现实系统可以在各种背景和环境中创建完整的虚拟体验或增强用户的真实世界体验。例如，人工现实系统可以帮助或扩展用户在特定环境内的感知、记忆或认知。一些系统可以增强用户与真实世界中的其他人的交互，或者可以实现与虚拟世界中的其他人的更加沉浸式的交互。人工现实系统还可用于教育目的(例如，用于学校、医院、政府组织、军事组织、商业企业等的教学或培训)、娱乐目的(例如，用于玩视频游戏、听音乐、观看视频内容等)，和/或用于可访问性目的(例如，作为助听器、视觉辅助设备等)。本文公开的实施例可以在这些背景和环境中的一个或更多个背景和环境和/或其它背景和环境中实现或增强用户的人工现实体验。
如上所述，人工现实系统800、900和1000可以与各种其它类型的设备一起使用以提供更引人注目的人工现实体验。这些设备可以是具有提供触觉反馈和/或收集关于用户与环境交互的触觉信息的换能器的触觉界面。本文公开的人工现实系统可以包括各种类型的触觉界面，其检测或传达各种类型的触觉信息，包括触知反馈(例如，用户经由皮肤中的神经检测到的反馈，也可以称为皮肤反馈)和/或动觉反馈(例如，用户经由位于肌肉、关节和/或肌腱中的受体检测到的反馈)。
触觉反馈可由被定位于用户环境内的界面(例如，椅子、桌子、地板等)和/或可由用户穿戴或携带的物品(例如，手套、腕带等)上的界面提供。作为示例，图11示出可穿戴手套(触觉设备1110)和腕带(触觉设备1120)形式的振动触觉系统1100。触觉设备1110和触觉设备1120被示为可穿戴设备的示例，该可穿戴设备包括柔性的可穿戴纺织材料1130，该可穿戴纺织材料1130可被成形和配置分别用于抵靠用户的手和手腕定位。本公开还包括振动触觉系统，其可以被成形和配置为抵靠其他人体部位(诸如手指、手臂、头部、躯干、脚或腿)定位。作为示例而非限制，根据本公开的各种实施例的振动触觉系统还可以是手套、头带、臂带、袖子、头罩、袜子、衬衫或裤子的形式、以及其它可能的形式。在一些示例中，术语“纺织品”可以包括任何柔性的可穿戴材料，包括机织织物、无纺布、皮革、布、柔性聚合物材料、复合材料等。
一个或更多个振动触觉设备1140可以至少部分地被定位在振动触觉系统1100的纺织材料1130中形成的一个或更多个对应口袋内。振动触觉设备1140可以被定位在向振动触觉系统1100的用户提供振动的感觉(例如，触觉反馈)的位置中。例如，振动触觉设备1140可以被定位成抵靠用户的手指、拇指或手腕，如图11中所示。在一些示例中，振动触觉设备1140可以足够灵活以符合用户的对应身体部位或关于用户的对应身体部位弯曲。
用于向振动触觉设备1140施加电压以激活其的电源1150(例如，电池)可以诸如经由导线1152电耦合到振动触觉设备1140。在一些示例中，振动触觉设备1140中的每个振动触觉设备1140可以独立地电耦合到电源1150以用于单独激活。在一些实施例中，处理器1160可以可操作地耦合到电源1150并且被配置(例如，被编程)以控制振动触觉设备1140的激活。
振动触觉系统1100可以以多种方式实现。在一些示例中，振动触觉系统1100可以是具有用于独立于其它设备和系统操作的集成子系统和部件的独立系统。作为另一个示例，振动触觉系统1100可以被配置用于与另一个设备或系统1170交互。例如，在一些示例中，振动触觉系统1100可以包括用于接收和/或发送信号到另一个设备或系统1170的通信接口1180。另一个设备或系统1170可以是移动设备、游戏机、人工现实(例如，虚拟现实、增强现实、混合现实)设备、个人计算机、平板计算机、网络设备(例如，调制解调器、路由器等)、手持控制器等。通信接口1180可以经由无线(例如，Wi-Fi、蓝牙、蜂窝、无线电等)链路或有线链路实现振动触觉系统1100和另一个设备或系统1170之间的通信。如果存在，通信接口1180可以与处理器1160通信，诸如向处理器1160提供信号以激活或停用一个或更多个振动触觉设备1140。
振动触觉系统1100可以可选地包括其它子系统和部件，诸如触敏垫1190、压力传感器、运动传感器、定位传感器、照明元件和/或用户接口元件(例如，开/关按钮、振动控制元件等)。在使用期间，振动触觉设备1140可以被配置为出于各种不同的原因被激活，诸如响应于用户与用户接口元件的交互、来自运动或定位传感器的信号、来自触敏垫1190的信号、来自压力传感器的信号、来自另一个设备或系统1170的信号等。
虽然电源1150、处理器1160和通信接口1180在图11中示为定位在触觉设备1120中，但本公开不限于此。例如，电源1150、处理器1160或通信接口1180中的一个或更多个可以被定位于触觉设备1110内或另一可穿戴纺织品内。
触觉可穿戴设备，诸如图11中所示和结合图11描述的那些触觉可穿戴设备，可以在各种类型的人工现实系统和环境中实现。图12示出示例人工现实环境1200，其包括一个头戴式虚拟现实显示器和两个触觉设备(即，手套)，并且在其它实施例中，任何数量和/或组合的这些部件和其它部件可以被包括在人工现实系统中。例如，在一些实施例中，可能存在多个头戴式显示器，每个头戴式显示器具有相关联的触觉设备，每个头戴式显示器和每个触觉设备与相同的控制台、便携式计算设备或其它计算系统通信。
头戴式显示器1202通常表示任何类型或形式的虚拟现实系统，诸如图10中的虚拟现实系统1000。触觉设备1204通常表示通过使用人工现实系统而穿戴的任何类型或形式的可穿戴设备，其向用户提供触觉反馈以给予用户他或她在物理上与虚拟对象接触的感知。在一些实施例中，触觉设备1204可以通过向用户施加振动、运动和/或力来提供触觉反馈。例如，触觉设备1204可以限制或增加用户的运动。举一个具体示例，触觉设备1204可以限制用户的手向前移动，使得用户感觉他或她的手已经与虚拟壁进行了物理接触。在该具体示例中，触觉设备内的一个或更多个致动器可以通过将流体泵送到触觉设备的可膨胀囊中来实现物理运动限制。在一些示例中，用户还可以使用触觉设备1204向控制台发送动作请求。动作请求的示例包括但不限于启动应用程序和/或结束应用程序的请求和/或执行应用程序内的特定动作的请求。
虽然如图12中所示触觉界面可以与虚拟现实系统一起使用，但是如图13中所示触觉界面也可以与增强现实系统一起使用。图13是用户1310与增强现实系统1300交互的透视图。在该示例中，用户1310可以穿戴一副增强现实眼镜1320，该增强现实眼镜具有一个或更多个显示器1322并且与触觉设备1330配对。触觉设备1330可以是腕带，该腕带包括多个带元件1332和将带元件1332彼此连接的张紧机构1334。
一个或更多个带元件1332可以包括适合于提供触觉反馈的任何类型或形式的致动器。例如，带元件1332中的一个或更多个带元件可以被配置为提供各种类型的皮肤反馈中的一种或更多种皮肤反馈，包括振动、力、牵引力、质地和/或温度。为了提供此类反馈，带元件1332可以包括各种类型的致动器中的一种或更多种。在一些实施例中，致动器可以包括夹在导电电极之间的一层成形的电活性聚合物。在一个示例中，带元件1332中的每一个可以包括振动器(例如，振动触觉致动器)，其被配置为一致地(in unison)或独立地振动以向用户提供各种类型的触觉中的一种或更多种。可替代地，仅单个带元件或带元件的子集可包括振动器。
触觉设备1110、1120、1204和1330可以包括任何合适数量和/或类型的触觉换能器、传感器和/或反馈机构。例如，触觉设备1110、1120、1204和1330可以包括一个或更多个机械换能器、压电换能器和/或流体换能器。触觉设备1110、1120、1204和1330还可以包括不同类型和形式的换能器的各种组合，它们一起工作或独立地工作以增强用户的人工现实体验。在一个示例中，触觉设备1330的带元件1332中的每一个带元件可以包括振动器(例如，振动触觉致动器)，其被配置为一致地或独立地振动以向用户提供各种类型的触觉中的一种或更多种感觉。
本文描述和/或示出的工艺参数和步骤顺序仅作为示例给出并且可以根据需要改变。例如，虽然本文所示和/或描述的步骤可以按特定顺序示出或讨论，但这些步骤不一定需要按照所示或讨论的顺序执行。本文描述和/或示出的各种示例性方法还可以省略本文描述或示出的步骤中的一个或更多个步骤，或者除了所公开的步骤之外还包括附加步骤。
已经提供了前面的描述以使本领域的其他技术人员能够最好地利用本文公开的示例性实施例的各个方面。该示例性描述并非旨在穷举或限于所公开的任何精确形式。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，许多修改和变化是可能的。本文公开的实施例应该在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。在确定本公开的范围时应参考所附权利要求及其等同物。
除非另有说明，如在说明书和权利要求中使用的术语“连接到”和“耦合到”(及其派生词)被解释为允许直接和间接(即，经由其它元件或部件)连接。此外，在说明书和权利要求书中使用的术语“一个(a)”或“一个(an)”应被解释为表示“至少一个”。最后，为了便于使用，在说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“具有”(及其派生词)可与词“包括”互换并具有相同的含义。
应当理解，当诸如层或区域的元件被称为形成、沉积或设置在另一元件“之上”或“上方”时，它可以直接位于另一元件的至少一部分上，或者也可能存在一个或更多个中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上或“直接在”另一个元件上方时，它可以位于另一个元件的至少一部分上，且不存在中间元件。
虽然可能使用过渡短语“包括”来公开特定实施例的多个特征、元素或步骤，但是应当理解，替代实施例(包括可以使用过渡短语“由……组成(consisting)”或“基本上由……构成(consisting essentially of)”描述的那些实施例)是隐含的。因此，例如，包含或包括铝的电极的隐含替代实施例包括电极基本上由铝构成的实施例和电极由铝构成的实施例。
Claims (15)
1.一种声学元件，包括：
主电极；
次电极，所述次电极与所述主电极的至少一部分重叠；以及
纳米空隙聚合物层，所述纳米空隙聚合物层被设置在所述主电极和所述次电极之间并邻接所述主电极和所述次电极，其中：
当第一电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有第一纳米空隙拓扑结构，
当与所述第一电压不同的第二电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有与所述第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构；以及
其中，当所述第一电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有第一声音衰减系数，并且当所述第二电压施加在所述主电极和所述次电极之间时，所述纳米空隙聚合物层具有与所述第一声音衰减系数不同的第二声音衰减系数；
其中，入射到所述纳米空隙聚合物层上的声波引起所述纳米空隙聚合物层中的电容的变化；以及
电容监测被配置为监测所述纳米空隙聚合物层的电容。
2.根据权利要求1所述的声学元件，其中，所述纳米空隙聚合物层在第一状态中具有所述第一纳米空隙拓扑结构，并且在第二状态中具有所述第二纳米空隙拓扑结构，所述第一状态包括未致动状态，以及所述第二状态包括致动状态。
3.根据权利要求1所述的声学元件，其中，所述纳米空隙聚合物层包括纳米空隙的周期性分布。
4.根据权利要求1所述的声学元件，其中，在所述纳米空隙聚合物层内的纳米空隙包括气体，所述气体选自包括以下项的组：空气、氮气、氧气、氩气、六氟化硫和有机氟化物。
5.根据权利要求1所述的声学元件，其中，声波通过在所述纳米空隙聚合物层两端施加AC电压来产生。
6.根据权利要求1所述的声学元件，所述声学元件的特征在于在可见光谱内至少50％的光学透明度。
7.根据权利要求1所述的声学元件，所述纳米空隙聚合物层包括BaTiO3、TiO2、CeO2、BaSrTiO3、PbLaZrTiO3、PbMgNbO3+PbTiO3、Ta2O3或Al2O3的颗粒。
8.根据权利要求7所述的声学元件，其中，BaTiO3、TiO2、CeO2、BaSrTiO3、PbLaZrTiO3、PbMgNbO3+PbTiO3、Ta2O3或Al2O3的所述颗粒被结合到纳米空隙中。
9.根据权利要求7所述的声学元件，其中，BaTiO3、TiO2、CeO2、BaSrTiO3、PbLaZrTiO3、PbMgNbO3+PbTiO3、Ta2O3或Al2O3的所述颗粒被结合到所述纳米空隙聚合物层的聚合物基体材料中。
10.根据权利要求7所述的声学元件，其中，BaTiO3、TiO2、CeO2、BaSrTiO3、PbLaZrTiO3、PbMgNbO3+PbTiO3、Ta2O3或Al2O3的所述颗粒修改所述纳米空隙聚合物层的电容。
11.一种包括根据权利要求1所述的声学元件的阵列的设备，其中，所述声学元件包括以下中的至少一个：
(i)多个含有纳米空隙聚合物的声学绝缘体，以及
(ii)多个含有纳米空隙聚合物的声学换能器。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，各个声学元件之间的间距是从0.5μm到15cm。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述声学元件的阵列被设置在非平面基板上。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述声学元件的阵列被设置在柔性基板上。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，在所述阵列内的每个声学元件包括电极对。
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