В изобретенном в далеком 1860 году Иоганном Райсом приборе для передачи речи по проводам на расстоянии до 100 м – телефоне – ключевым компонентом было изобретенное этим же выдающимся немецким физиком устройство, преобразующее звуковые волны в электрические сигналы – микрофон. За пошедшие более чем полтора века было разработано множество разновидностей микрофонов, работающих с использованием различных физических эффектов и принципов.
В подавляющем большинстве эти устройства имели довольно внушительные габариты, не соответствующие определению «микро», заложенному в их названии. Но для настольных телефонов и профессиональной концертной и звукозаписывающей аппаратуры эти размеры были вполне приемлемы. Первые микрофоны, которые с полным основанием можно было назвать маленькими (маленький – по-гречески – микрос), использовались в подслушивающем оборудовании, выпускаемом в секретных лабораториях спецслужб. А в массы действительно маленькие микрофоны пришли с развитием мобильной телефонии.
Микрофоны для мобильных телефонов, смартфонов, планшетов, ноутбуков создаются на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые, как правило, изготавливаются на кремниевой подложке с помощью полупроводниковых технологий, используемых при производстве однокристальных интегральных схем. Средние линейные размеры МЭМС-микрофонов находятся в интервале 0,02-1 мм.
МЭМС-микрофоны имеют достаточно хороший показатель звукопередачи (преобразование акустических колебаний в электрические сигналы в широкой полосе частот), но обладают низкой чувствительностью (порогом восприятия звуковых колебаний) и высоким уровнем собственных шумов, что обусловлено свойствами базового материала преобразователя – кремния. В работе мобильных девайсов эти недостатки незаметны, но для использования в сверхчувствительных системах измерений, например, механического или барометрического давления, массы, ускорения (акселерометрах) современные МЭМС-сенсоры непригодны. К тому же эти датчики недостаточно миниатюрны.
И вот учеными Западного резервного университет Кейза (Case Western Reserve University, USA) создан прототип микрофона с рекордно высокой чувствительностью, ультранизким уровнем собственных шумов, площадь которого составляет всего 8 кв. нм, а потому его можно назвать «нанофоном». Для сравнения: площадь барабанной перепонки человека равна примерно 85 кв. мм = 85 000 000 000 000 кв. нм, то есть «нанофон» в 10 триллионов раз меньше, а чувствительность его не хуже, чем у человека с самым «тонким слухом».
«Нанофон» разработали и изготовили сотрудники научно-исследовательской группы Фенга (профессор Филип Фенг – ее руководитель), специализирующейся на наноэлектромеханических системах (НЭМС), наноэлектронике и нанодевайсах. Конструкция наноустройства состоит из кремниевой подложки, на которой закреплена пленка дисульфида молибдена. В подложке выполнены цилиндрические углубления, каждое из которых имеет диаметр в несколько сотен нанометров. Когда на этот «сэндвич» воздействует луч лазера (или электрический ток), он возбуждает высокочастотные колебания. А при дополнительном воздействии на пленку звукового давления или механических вибраций, частота ее колебаний изменяется. Эти изменения считываются при помощи второго «зондирующего» лазера. В случае возбуждения колебаний пленки электрическим током, подаваемым с электродов, «наведенные» изменения частоты считываются дополнительными «электродами-приемниками».
Еще одно достоинство «нанофона» – экстремально низкое энергопотребление, составляющее единицы пиковатт, что на несколько порядков меньше, чем у самых энергоэффективных МЭМС-устройств. Осталось дождаться внедрения новинки в современные мобильные устройства!
См. также:
- 4 самых важных нововведения в протоколе TLS 1.3
- Производственная аналитика – отзывы!
- IoT в Европе: страны ЕС массово внедряют газовые счетчики с поддержкой Narrowband IoT
Комментарии
Отправить комментарий