聲學(xué)檢測(cè)與識(shí)別在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、環(huán)境感知及人機(jī)交互（HRI）等領(lǐng)域至關(guān)重要，但傳統(tǒng)聲學(xué)傳感器因體積大、靈敏度低、動(dòng)態(tài)范圍有限和缺乏柔性，難以集成到新一代可穿戴設(shè)備中?，F(xiàn)有柔性傳感器在彎曲時(shí)性能顯著下降，嚴(yán)重制約其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。

該傳感器由振動(dòng)膜、間隔層和氟化乙烯丙烯（FEP）駐極體層組成，利用電暈極化使氣隙充分帶電，通過解耦振動(dòng)膜與駐極體層顯著提升帶寬與靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明，PETAS在0–830 Hz頻段輸出穩(wěn)定，靈敏度達(dá)2.744 pC/Pa（500 Hz），耐久性超10萬次工作循環(huán)和1000次彎曲循環(huán)，人機(jī)交互指令識(shí)別準(zhǔn)確率超96%，抗環(huán)境噪聲能力遠(yuǎn)超商用麥克風(fēng)。

核心設(shè)計(jì)與工作機(jī)制

PETAS采用多層堆疊結(jié)構(gòu)（圖1）：8 μm厚聚酰亞胺（Kapton）振動(dòng)膜覆蓋鉻/銅電極，50 μm聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）間隔層防止高壓塌陷，雙層FEP駐極體通過激光切割形成交叉溝槽陣列，熱壓封裝后實(shí)現(xiàn)15/16孔隙率（圖1c）。氣隙壁捕獲電荷形成電偶極子，聲壓引發(fā)振動(dòng)膜與駐極體層間距變化，破壞電場平衡并驅(qū)動(dòng)電荷重新分布，產(chǎn)生壓電響應(yīng)（圖1d-e）。仿真優(yōu)化顯示，15 mm邊長振動(dòng)膜可平衡靈敏度與帶寬，一階諧振頻率1001 Hz覆蓋生理聲信號(hào)頻段（圖1f-h）。

圖1 壓電駐極體薄膜聲學(xué)傳感器（PETAS）整體設(shè)計(jì) a) PETAS應(yīng)用于人機(jī)交互的場景示意圖。 b) PETAS結(jié)構(gòu)示意圖。 c) (i) 雙層FEP薄膜頂視圖；(ii) 圖(i)虛線框區(qū)域放大圖；(iii) 截面SEM顯微圖（A-A平面），顯示精密溝槽封裝形成的氣隙通道。比例尺：500 μm。 d) 含雙層FEP儲(chǔ)電膜與Kapton振動(dòng)膜的組件截面圖。 e) PETAS工作原理示意圖。 f) PETAS中Kapton振動(dòng)膜的一階（1001 Hz）和二階（2051 Hz）振動(dòng)模態(tài)仿真結(jié)果。 g) 一階諧振頻率隨振動(dòng)膜邊長變化呈平方反比趨勢(shì)。 h) 表面最大位移隨振動(dòng)膜邊長呈四次方趨勢(shì)。

制備工藝與器件特性

制備流程（圖2a）包括激光刻蝕FEP溝槽、正交堆疊熱壓、銅電極貼合、聲學(xué)孔加工及電暈極化（-20 kV/8分鐘）。成品厚度僅146 μm，重量0.32 g（圖2b），可貼合高曲率表面（半徑30 mm）及人體皮膚。性能測(cè)試（圖3）證實(shí)其頻響覆蓋0–830 Hz（94 dB聲壓），靈敏度線性范圍達(dá)20 Pa，信噪比超48 dB，動(dòng)態(tài)范圍70–120 dB。經(jīng)1000次彎曲循環(huán)（圖3g）及不同曲率測(cè)試（圖3h），電荷輸出保持穩(wěn)定，方向性呈"8"字形分布。

圖2 PETAS制備流程與特性 a) 激光切割與多層組裝工藝示意圖。 b) PETAS實(shí)物圖：(i) 總厚度146 μm；(ii) 總重0.32 g；(iii) 貼合高曲率表面；(iv) 貼合人體皮膚。

圖3 PETAS性能表征 a) 94 dB聲壓級(jí)（1 Pa）下電荷傳輸?shù)念l率響應(yīng)曲線。 b) 500 Hz輸入時(shí)不同聲壓級(jí)下的電荷變化，插圖為20 Pa內(nèi)線性響應(yīng)及2.744 pC/Pa靈敏度。 c) 500 Hz/94 dB輸入下的等效噪聲測(cè)試，信噪比超48 dB。 d) 頻率分辨率測(cè)試：1 Hz差異混合聲的時(shí)/頻域電荷響應(yīng)。 e) 260秒（>10?周期）連續(xù)聲壓下的電荷輸出穩(wěn)定性，插圖為始末階段波形對(duì)比。 f) 方向性測(cè)試結(jié)果。 g) 柔性性能測(cè)試：(i) 彎曲循環(huán)流程；(ii) 1000次彎曲中四種狀態(tài)的電荷輸出。 h) 不同曲率下的電荷輸出。

多源聲學(xué)信號(hào)檢測(cè)

PETAS在鋼琴音階檢測(cè)中頻率相對(duì)誤差低于0.1%（表1），精準(zhǔn)分離復(fù)合音（圖4a-c）；錄制英文" sensor"及中文"傳感器"時(shí)，輸出電壓比商用麥克風(fēng)高近一個(gè)量級(jí)，諧波成分更清晰（圖4d）。志愿者元音測(cè)試（圖4e）顯示其可提取基頻（F0）、抖動(dòng)度等語音健康參數(shù)（表2）。此外，成功捕捉人體拍手聲（圖4f-i）、心音S1/S2成分（圖4f-iii）及狗吠等復(fù)雜聲源。

圖4 多聲源測(cè)量與分析 a) 鋼琴單音/復(fù)合音對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列（上）與短時(shí)傅里葉變換（STFT）譜圖（下）。 b) 圖a中0–7.5秒段的FFT結(jié)果。 c) 圖a中7.5–10.5秒段的FFT結(jié)果。 d) PETAS與參考麥克風(fēng)對(duì)中英文"傳感器"的響應(yīng)對(duì)比：時(shí)間序列（上）及STFT譜圖（下）。 e) 志愿者發(fā)元音/a:/時(shí)PETAS與參考麥克風(fēng)響應(yīng)對(duì)比，展示語音健康評(píng)估潛力。 f) 其他應(yīng)用場景：(i) 人體彈指聲；(ii) 拍手聲；(iii) 心音信號(hào)；(iv) 狗吠聲。

噪聲環(huán)境下的語音識(shí)別

基于梅爾頻率倒譜系數(shù)（MFCC）模板匹配算法（圖5a），PETAS在96.5 dB高噪聲下仍保持92%指令識(shí)別率（圖5c）。不同彎曲半徑（30–80 mm）、中英文指令及志愿者差異測(cè)試中，識(shí)別準(zhǔn)確率均超96%（圖5d）?？臻g定位測(cè)試（圖5e）表明，在10–20 cm距離與±30°角度范圍內(nèi)，各曲率下識(shí)別率超90%。

圖5 不同測(cè)試條件下的語音識(shí)別準(zhǔn)確率 a) 基于MFCC特征提取的PETAS人機(jī)交互系統(tǒng)框架。 b) 八種指令的混淆矩陣。 c) 背景噪聲對(duì)識(shí)別率的影響。 d) 三位志愿者的中英文指令在不同彎曲半徑下的識(shí)別率。 e) 不同曲率下說話角度/距離對(duì)識(shí)別率的影響。

人機(jī)交互驗(yàn)證

頸戴式PETAS在家庭陪護(hù)（安靜環(huán)境）和工業(yè)機(jī)器人（噪聲環(huán)境）場景中均表現(xiàn)卓越（圖6）。工業(yè)場景中，其輸出指令信號(hào)純凈，而商用麥克風(fēng)受環(huán)境噪聲嚴(yán)重干擾（圖6d），凸顯其抗噪優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)有望推動(dòng)語音安防、無人機(jī)控制及AI通信等領(lǐng)域發(fā)展。

圖6 頸戴式PETAS人機(jī)交互實(shí)驗(yàn) a) 實(shí)驗(yàn)流程示意圖。 b) 機(jī)器人兩種工作環(huán)境設(shè)計(jì)。 c) 安靜環(huán)境下的指令與機(jī)械手響應(yīng)。 d) 噪聲干擾下的指令與機(jī)械臂動(dòng)作。

總結(jié)與展望

PETAS以解耦設(shè)計(jì)和微結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高柔性、高靈敏度與強(qiáng)噪聲免疫，為人機(jī)交互系統(tǒng)提供可靠平臺(tái)。未來研究將聚焦熱穩(wěn)定性提升（超100℃）、FEP孔隙率優(yōu)化及高頻超聲檢測(cè)（5–50 kHz）拓展，進(jìn)一步釋放其在可穿戴電子與先進(jìn)HRI系統(tǒng)中的潛力。

來源：高分子科學(xué)前沿