介紹一種可貼附在皮膚上的聲學傳感器

# 背景介紹

可穿戴式聽覺傳感器對智能人機交互和物聯網中的聲音識別系統至關重要。本文介紹了一種可貼附在皮膚上的聲學傳感器，具有更高的感知準確性、平坦的頻率響應和良好的線性范圍。該傳感器利用聚合物材料設計了薄膜結構的振膜，實現了高音質感知。這種超小尺寸且薄型的傳感器適用于柔性基板，并在廣泛的溫度范圍內保持良好的聲音檢測質量。連接到商業移動設備上時，該傳感器能夠成功識別聲音，展示了聽覺電子皮膚的潛力。

# 本文亮點

1. 該傳感器具有高可塑性和可附著性，適用于柔性表面和人體皮膚。通過設計復雜的電容膜結構并利用聚合物材料制造，傳感器在較小的面積內具有較高的靈敏度，并能夠感知人類可聽頻率和聲壓范圍內的聲音。該傳感器具有高保真度，可以無失真地感知各種聲音，甚至是人耳無法察覺的聲音。

2. 它具有超小尺寸、薄結構，在柔性基板和人體皮膚上的附著穩定，并能在不同溫度下保持穩定響應。與手機和專業錄音麥克風相比，傳感器展現了高保真度。更重要的是，該傳感器能夠在人體皮膚上實現準確的聲音感知，為語音識別等應用提供了潛在可能性。

# 圖文解析

▲圖1. 可附著于皮膚的聲學傳感器的構造。a）聲學傳感器的截面示意圖。b）可附著于皮膚的聲學傳感器中振膜結構的頂視光學顯微圖像（比例尺：500μm）。c）可附著于皮膚的聲學傳感器的橫截面掃描電子顯微鏡圖像，包括懸浮振膜、支撐部分和穿孔背板（（a）中虛線邊界框內）。該圖像樣品通過聚焦離子束切割懸浮振膜結構的上部獲得（比例尺：10 μm）。d）可附著于皮膚的聲學傳感器的照片，貼附在一個4 mL玻璃瓶（外半徑：7.5 mm）上。（直徑分別為1600、1200和800 μm）。

▲圖2. 高保真可附著于皮膚的聲學傳感器的聲學響應。a)聲學傳感器對應的聲電耦合等效電路模型。

▲圖3. 感知響應和操作穩定性的比較。a)聲學傳感器與先前報道的柔性聲學傳感器相比，每個感測區域的靈敏度進行了比較。b) 可附著于皮膚的聲學傳感器與先前報道的柔性聲學傳感器的動態范圍和帶寬進行了比較。根據參考文獻[45]中的信息，用疼痛/聽力閾值和聲音范圍來定量繪制人類聽覺領域。c) 歸一化靈敏度作為溫度的函數在25-120°C范圍內顯示了聲學傳感器的溫度穩定性。

▲圖4. 聲學傳感器的高保真演示。a)在無反射室中進行聲音感知質量比較的實驗設置的照片。b-d) 使用商用手機（iPhoneXR）(b) 聲學傳感器 (c) 和專業錄音麥克風（AT 2035, Audio-Technica）(d)記錄和測量的輸出波形和頻譜圖。

▲圖5. 柔性電子和聽覺電子皮膚的應用。a) 一張超小型可穿戴聲學傳感器的照片（振膜直徑：1600微米；整體設備尺寸：9平方毫米；厚度：420微米），附著在對應柔性和聽覺電子皮膚的柔性基板上。b) 歸一化靈敏度隨彎曲半徑的變化（從平坦到5毫米），顯示我們的聲學傳感器的靈敏度沒有降低。c) 使用的聲學傳感器附著在彎曲表面（彎曲半徑：5毫米；左側）和平坦表面（右側）進行錄音和測量的輸出波形和頻譜圖，用戶說出“電子皮膚”的聲音。d) 展示了附有讀出電路的皮膚可附著聲學傳感器的語音識別應用設置的照片，該電路直接連接到運行最新人工智能虛擬助手（Google Assistant）的移動電子設備（Galaxy S10 5G, Samsung Electronics）。e) 將高保真度的聲學傳感器附著在人手上的照片，展示了其作為聽覺電子皮膚的潛在應用。高保真度聲學傳感器與手機之間的電連接細節在支持信息的圖S26和視頻S2中顯示。f,g) 移動設備屏幕顯示用戶的命令“搜索電子皮膚”，被人工智能助手識別（f），并顯示人工智能助手在互聯網上執行該命令的搜索結果（g）

# 結論

本文介紹了一種超小型可穿戴聲學傳感器，采用了聚合物材料和復雜的膜片結構，具有商業級別的高保真聲音檢測能力。該傳感器支持人類聽力的不完美特征，并可以在彎曲表面和人體皮膚上使用。通過配對讀出電路，該聲學傳感器與最新的語音識別技術兼容，具有高實用性。然而，雖然使用了適當的聚合物材料SU-8，但仍存在其他聚合物材料可能更適合這種聲學傳感器結構的可能性。因此，進一步研究各種聚合物材料以實現更高保真度的聲學傳感器和聽覺電子皮膚具有潛力。

審核編輯：劉清