据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学谢金教授和英国诺森比亚大学Fu Yongqing教授团队开发并优化了一种基于铝箔衬底上氧化锌（ZnO）薄膜的柔性声学平台；根据激发频率的选择，该平台可以用作扬声器、麦克风或环境传感器。当用作扬声器时，所提出的结构显示出约90dB的高声压级（SPL）（标准偏差约为3.6dB）、约1.41%的总谐波失真（THD）和均匀的方向性（标准偏差约为4dB）。当用作麦克风时，所提出的结构显示出98%的语音识别准确度，并且测出的音频信号与原始音频信号表现出很强的相似性，与刚性商用麦克风相比具有相当的性能。作为一种柔性传感器，该结构显示出较高的频率温度系数（−289 ppm/K）和良好的呼吸监测性能。
归因于极大的兴趣和巨大的需求，许多研究人员最近广泛研究了柔性可穿戴电子产品，例如柔性晶体管、柔性热界面、柔性电池、柔性声波器件、柔性显示器、即时医疗诊断技术和可穿戴产品。物联网（IoT）生态系统的快速发展也需要柔性、紧凑、可靠、便携和低功耗的电子设备。这些具有多种功能集成的柔性平台可以有效地减少传感/执行单元的数量及其体积和/或功耗。
大多数现有的柔性声波器件在应用于扬声器等场景时，往往会牺牲其功能性来换取其灵活性，与刚性同类器件相比，通常导致性能相对较差，集成功能较少。基于沉积在柔性衬底上的压电薄膜的柔性声波器件是多功能、柔性、紧凑和高性能应用的有前景的解决方案。柔性衬底的刚度远低于刚性衬底（如Si），在大的力或弯矩下很容易变形。基于柔性衬底的声波器件具有作为麦克风和扬声器等柔性/可穿戴器件应用的潜力。这些器件可以进一步与人机接口（HMI）和传感功能集成，实现界面友好、易于使用、紧凑的可穿戴器件。然而，迄今为止所报道的大多数柔性声学器件仅仅是其刚性器件的简单修改版本（例如，通过减薄或软化衬底），并且通常不适用于可穿戴应用。
基于此，研究人员开发了一种基于沉积在铝（Al）箔衬底上的氧化锌（ZnO）薄膜的柔性声学平台，该平台可轻松与声学人机接口和多种功能集成，用于扬声器、麦克风和环境感知等应用。该平台包含三个不同的层：衬底为铝箔（50μm厚）；其上沉积了压电ZnO薄膜（约5 μm厚）；顶层是由Cr（5nm厚）/Au（80nm厚）组成的图案化叉指电极（IDE）。下图示意性地说明了所提出的柔性压电平台的工作机制。
柔性平台整体工作框架
研究人员首先使用有限元分析（FEA）软件进行模拟，以研究设计标准并优化柔性器件的结构，然后进行综合实验以研究柔性声波器件的性能。作为扬声器，在测量距离为5cm和激励电压为5V的条件下， 该器件在1到20kHz频率范围内显示出稳定的约90 dB平均SPL（标准偏差为3.6dB）。此外，器件的SPL表现出较低的THD（从1到10kHz的范围内平均值约为1.41%）、均匀的方向性（标准偏差约为4dB）、良好的时间稳定性以及与激励电压保持高线性关系 （R²>98%）。
柔性器件作为扬声器的性能评估
为了评估器件作为麦克风的性能，对基于该柔性器件记录的音频信号进行了语音识别实验。基于柔性麦克风的语音识别准确率为98%，与基于商用麦克风的语音识别准确率相当。为了确定原始音频信号和麦克风记录的信号之间的相似性，计算了互相关函数的最大值，柔性麦克风的性能比商用麦克风高约11%，体现了其出色的音频保真度。
柔性器件作为麦克风的性能评估
最后，研究人员通过测量环境温度的变化和监测呼吸过程，证明了这种柔性声波器件作为传感器的能力。该柔性传感器具有较高的频率温度系数（−289 ppm/K）和良好的呼吸监测性能。
柔性兰姆（Lamb）波传感器的性能
总之，研究人员开发了一种性能良好的柔性多功能声学平台。除了一般研究的传感应用之外，通过合理的结构优化，其可以完美地作为扬声器和麦克风工作，两者都表现出优异的性能。作为一个高度集成、高性能、多功能的柔性平台，在医疗应用、体温监测、呼吸或紫外传感、火灾报警和智能可穿戴设备等领域显示出广阔的前景。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00402-1
延伸阅读：
《MEMS扬声器期刊文献检索与分析-2022版》
