據麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學謝金教授和英國諾森比亞大學Fu Yongqing教授團隊開發并優化了一種基于鋁箔襯底上氧化鋅（ZnO）薄膜的柔性聲學平臺；根據激發頻率的選擇，該平臺可以用作揚聲器、麥克風或環境傳感器。當用作揚聲器時，所提出的結構顯示出約90dB的高聲壓級（SPL）（標準偏差約為3.6dB）、約1.41%的總諧波失真（THD）和均勻的方向性（標準偏差約為4dB）。當用作麥克風時，所提出的結構顯示出98%的語音識別準確度，并且測出的音頻信號與原始音頻信號表現出很強的相似性，與剛性商用麥克風相比具有相當的性能。作為一種柔性傳感器，該結構顯示出較高的頻率溫度系數（?289?ppm/K）和良好的呼吸監測性能。

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、即時醫療診斷技術和可穿戴產品。物聯網（IoT）生態系統的快速發展也需要柔性、緊湊、可靠、便攜和低功耗的電子設備。這些具有多種功能集成的柔性平臺可以有效地減少傳感/執行單元的數量及其體積和/或功耗。

大多數現有的柔性聲波器件在應用于揚聲器等場景時，往往會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、緊湊和高性能應用的有前景的解決方案。柔性襯底的剛度遠低于剛性襯底（如Si），在大的力或彎矩下很容易變形。基于柔性襯底的聲波器件具有作為麥克風和揚聲器等柔性/可穿戴器件應用的潛力。這些器件可以進一步與人機接口（HMI）和傳感功能集成，實現界面友好、易于使用、緊湊的可穿戴器件。然而，迄今為止所報道的大多數柔性聲學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用。

基于此，研究人員開發了一種基于沉積在鋁（Al）箔襯底上的氧化鋅（ZnO）薄膜的柔性聲學平臺，該平臺可輕松與聲學人機接口和多種功能集成，用于揚聲器、麥克風和環境感知等應用。該平臺包含三個不同的層：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的工作機制。

柔性平臺整體工作框架

研究人員首先使用有限元分析（FEA）軟件進行模擬，以研究設計標準并優化柔性器件的結構，然后進行綜合實驗以研究柔性聲波器件的性能。作為揚聲器，在測量距離為5cm和激勵電壓為5V的條件下，?該器件在1到20kHz頻率范圍內顯示出穩定的約90?dB平均SPL（標準偏差為3.6dB）。此外，器件的SPL表現出較低的THD（從1到10kHz的范圍內平均值約為1.41%）、均勻的方向性（標準偏差約為4dB）、良好的時間穩定性以及與激勵電壓保持高線性關系?（R2》98%）。

柔性器件作為揚聲器的性能評估

為了評估器件作為麥克風的性能，對基于該柔性器件記錄的音頻信號進行了語音識別實驗。基于柔性麥克風的語音識別準確率為98%，與基于商用麥克風的語音識別準確率相當。為了確定原始音頻信號和麥克風記錄的信號之間的相似性，計算了互相關函數的最大值，柔性麥克風的性能比商用麥克風高約11%，體現了其出色的音頻保真度。

柔性器件作為麥克風的性能評估

最后，研究人員通過測量環境溫度的變化和監測呼吸過程，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（?289?ppm/K）和良好的呼吸監測性能。

柔性蘭姆（Lamb）波傳感器的性能

總之，研究人員開發了一種性能良好的柔性多功能聲學平臺。除了一般研究的傳感應用之外，通過合理的結構優化，其可以完美地作為揚聲器和麥克風工作，兩者都表現出優異的性能。作為一個高度集成、高性能、多功能的柔性平臺，在醫療應用、體溫監測、呼吸或紫外傳感、火災報警和智能可穿戴設備等領域顯示出廣闊的前景。

審核編輯：郭婷