基于鋁箔襯底上氧化鋅薄膜的柔性聲學(xué)平臺(tái)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江大學(xué)謝金教授和英國諾森比亞大學(xué)Fu Yongqing教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)并優(yōu)化了一種基于鋁箔襯底上氧化鋅（ZnO）薄膜的柔性聲學(xué)平臺(tái)；根據(jù)激發(fā)頻率的選擇，該平臺(tái)可以用作揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)或環(huán)境傳感器。當(dāng)用作揚(yáng)聲器時(shí)，所提出的結(jié)構(gòu)顯示出約90dB的高聲壓級（SPL）（標(biāo)準(zhǔn)偏差約為3.6dB）、約1.41%的總諧波失真（THD）和均勻的方向性（標(biāo)準(zhǔn)偏差約為4dB）。當(dāng)用作麥克風(fēng)時(shí)，所提出的結(jié)構(gòu)顯示出98%的語音識(shí)別準(zhǔn)確度，并且測出的音頻信號與原始音頻信號表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性，與剛性商用麥克風(fēng)相比具有相當(dāng)?shù)男阅?。作為一種柔性傳感器，該結(jié)構(gòu)顯示出較高的頻率溫度系數(shù)（?289?ppm/K）和良好的呼吸監(jiān)測性能。

歸因于極大的興趣和巨大的需求，許多研究人員最近廣泛研究了柔性可穿戴電子產(chǎn)品，例如柔性晶體管、柔性熱界面、柔性電池、柔性聲波器件、柔性顯示器、即時(shí)醫(yī)療診斷技術(shù)和可穿戴產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)系統(tǒng)的快速發(fā)展也需要柔性、緊湊、可靠、便攜和低功耗的電子設(shè)備。這些具有多種功能集成的柔性平臺(tái)可以有效地減少傳感/執(zhí)行單元的數(shù)量及其體積和/或功耗。

大多數(shù)現(xiàn)有的柔性聲波器件在應(yīng)用于揚(yáng)聲器等場景時(shí)，往往會(huì)犧牲其功能性來換取其靈活性，與剛性同類器件相比，通常導(dǎo)致性能相對較差，集成功能較少。基于沉積在柔性襯底上的壓電薄膜的柔性聲波器件是多功能、柔性、緊湊和高性能應(yīng)用的有前景的解決方案。柔性襯底的剛度遠(yuǎn)低于剛性襯底（如Si），在大的力或彎矩下很容易變形?；谌嵝砸r底的聲波器件具有作為麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器等柔性/可穿戴器件應(yīng)用的潛力。這些器件可以進(jìn)一步與人機(jī)接口（HMI）和傳感功能集成，實(shí)現(xiàn)界面友好、易于使用、緊湊的可穿戴器件。然而，迄今為止所報(bào)道的大多數(shù)柔性聲學(xué)器件僅僅是其剛性器件的簡單修改版本（例如，通過減薄或軟化襯底），并且通常不適用于可穿戴應(yīng)用。

基于此，研究人員開發(fā)了一種基于沉積在鋁（Al）箔襯底上的氧化鋅（ZnO）薄膜的柔性聲學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)可輕松與聲學(xué)人機(jī)接口和多種功能集成，用于揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和環(huán)境感知等應(yīng)用。該平臺(tái)包含三個(gè)不同的層：襯底為鋁箔（50μm厚）；其上沉積了壓電ZnO薄膜（約5?μm厚）；頂層是由Cr（5nm厚）/Au（80nm厚）組成的圖案化叉指電極（IDE）。下圖示意性地說明了所提出的柔性壓電平臺(tái)的工作機(jī)制。

柔性平臺(tái)整體工作框架

研究人員首先使用有限元分析（FEA）軟件進(jìn)行模擬，以研究設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并優(yōu)化柔性器件的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)以研究柔性聲波器件的性能。作為揚(yáng)聲器，在測量距離為5cm和激勵(lì)電壓為5V的條件下，?該器件在1到20kHz頻率范圍內(nèi)顯示出穩(wěn)定的約90?dB平均SPL（標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6dB）。此外，器件的SPL表現(xiàn)出較低的THD（從1到10kHz的范圍內(nèi)平均值約為1.41%）、均勻的方向性（標(biāo)準(zhǔn)偏差約為4dB）、良好的時(shí)間穩(wěn)定性以及與激勵(lì)電壓保持高線性關(guān)系?（R2》98%）。

柔性器件作為揚(yáng)聲器的性能評估

為了評估器件作為麥克風(fēng)的性能，對基于該柔性器件記錄的音頻信號進(jìn)行了語音識(shí)別實(shí)驗(yàn)。基于柔性麥克風(fēng)的語音識(shí)別準(zhǔn)確率為98%，與基于商用麥克風(fēng)的語音識(shí)別準(zhǔn)確率相當(dāng)。為了確定原始音頻信號和麥克風(fēng)記錄的信號之間的相似性，計(jì)算了互相關(guān)函數(shù)的最大值，柔性麥克風(fēng)的性能比商用麥克風(fēng)高約11%，體現(xiàn)了其出色的音頻保真度。

柔性器件作為麥克風(fēng)的性能評估

最后，研究人員通過測量環(huán)境溫度的變化和監(jiān)測呼吸過程，證明了這種柔性聲波器件作為傳感器的能力。該柔性傳感器具有較高的頻率溫度系數(shù)（?289?ppm/K）和良好的呼吸監(jiān)測性能。

柔性蘭姆（Lamb）波傳感器的性能

總之，研究人員開發(fā)了一種性能良好的柔性多功能聲學(xué)平臺(tái)。除了一般研究的傳感應(yīng)用之外，通過合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其可以完美地作為揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)工作，兩者都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。作為一個(gè)高度集成、高性能、多功能的柔性平臺(tái)，在醫(yī)療應(yīng)用、體溫監(jiān)測、呼吸或紫外傳感、火災(zāi)報(bào)警和智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域顯示出廣闊的前景。

審核編輯：郭婷