AM：实现听觉电子皮肤的高保真皮肤附着式声学传感器

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研究背景

随着物联网(IoT )和人机交互的发展，声音识别通过提供各种服务渗透到日常生活中，如导航、调整硬件/软件设置和网上购物。对于更多的用户友好型应用, 如医疗保健和智能家居厂/城市，声音识别技术需要一个面向户的可穿戴式声学传感器，它既可以是个性化的，又可以舒适地附着在人体上。可穿戴式声学传感器缓解了靠近设备或大声说话的不适感，尤其是在嘈杂的环境中。这些传感器还能通过声音监测为增强现实/虚拟现实、医疗保健、音频监控和噪声污染提供周围环境信息，从而实现用户友好型智能系统。可穿戴式声学传感器应具有与人类听觉能力相当的感应性能。传感器必须有足够的带宽( 20-10,000 Hz)和声压范围( 30-120 dBSPL )。此外，声学传感器应该能够补偿人类听觉能力的固有缺陷，以及由于衰老或健康状况下降而导致的听觉退化。

各种利用压电、电容或压阻机制的可穿戴和柔性声学传感器己被开发。然而，这些可穿戴式传感器只用灵敏度作为性能参数进行了评估。高灵敏度是一个好的声学传感器的必要条件，但不是一个充分条件。只有当传感器具有足够的带宽和动态范围以及高灵敏度时，才可能实现精确的声音感应。然而，所报道的传感器不能在人类可听声音的频率上具有一致的灵敏度，因为共振位于该频段内。他们的多共振可以在共振附近促成高灵敏度，但它们会造成严重的灵敏度波动，大大限制了带宽。此外，由于传感结构和柔性材料的高阻尼特性，大多数报告的传感器难以检测到高频声音(>1,000 Hz)。此外，据报道，动态范围只有55 dB，这表明以前的传感器在检测微小的声音时，输出信号的噪声可能和灵敏度一样高，在检测大的声音时也有非线性。用这些传感器测量声音时，信号不可遍避免地会失真。到目前为止，所报道的可穿戴式声学传感器己经显示出它们的潜力，但还没有一个传感器显示出准确的声音感应，供实践使用。

成果简介

可穿戴式听觉传感器对于智能人机交互和物联网的用户友好型声音识别系统至关重要。然而，以前报道的可穿戴式传感器由于频率响应差和声压范围窄而导致声音感应质量有限。在这里，韩国浦项科技大学Wonkyu Moon和 Kilwon Cho教授团队提出了一种皮肤附着式声学传感器，它在比人更宽的听觉领域具有更高的感应精度，具有平坦的频率响应(15-10,000 Hz)和良好的线性范围(29-134 dB_SPL)，以及对柔性表面和人体皮肤的高保真性。相关工作以“High-fidelity skin-attachable acoustic sensor for realizing auditory electronic skin”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1、提出了一种皮肤附着式声学传感器，它在比人更宽的听觉领域具有更高的感应精度，具有平坦的频率响应(15-10,000 Hz)和良好的线性范围(29-134 dB_SPL)，以及对柔性表面和人体皮肤的高保真性。

2、该声学传感器证明了实现听觉电子皮肤的可能性，因为它具有出色的传感性能，以及对人体皮肤和柔性基底的高可穿戴性和一致性。

图文导读

Figure 1. Configuration of the skin attachable acoustic sensor.

Figure 2. Mechanical properties of the skin attachable acoustic sensor.

Figure 3. Acoustic response of the high-fidelity skin attachable acoustic sensor.

Figure 4. Comparison of sensing response and operation stability.

Figure 5. Demonstration of high fidelity of the acoustic sensor.

Figure 6. Applications for flexible electronics and an auditory electronic skin.

总结展望

作者开发了一种超小的皮肤可附着的声学传感器，由超薄的聚合物薄膜和使用声学-机械-电学耦合等效电路模型设计的精密膜片结构组成。通过使用高分子材料，首次实现了复杂的电容式膜片结构的听觉传感器，该结构主要由无机材料如硅基材料和金属制成。该装置在可穿戴式听觉传感器中首次展示了具有高信噪比( 65 dB(A) )、宽带宽( 15-10,000 Hz )和宽动态范围( 29-134 dB_SPL )的商业级高保真声音检测。所提出的声学传感器可以支持人类先天和后天对低频声音( 小于200 Hz)、大声音(超过85 dB_SPL )和频率响应的不完善的听力能力。由于低杨氏模量和工艺优化，使热不匹配和聚合过程中产生的残余应力最小化，聚合物膜片显示出高灵敏度。此外，聚合物的高可加工性使得高侧视比电容结构( 400:1 )成为可能，与先前的可穿戴式听觉传感器相比，它在更宽的带宽和线性的基础上具有出色的声音感应精度。超小( 4-9 mm²)和薄( 420 μm)的声学传感器在附着在弯曲的表面(曲率半径<5 mm)和人体皮肤上时保持了其性能。与读出电路配对的声学传感器显示了高度的实用性，以及与手机中最新的语音识别技术的兼容性。因此，该声学传感器证明了实现听觉电子皮肤的可能性，因为它具有出色的传感性能，以及对人体皮肤和柔性基底的高可穿戴性和一致性。此外，该装置显示了作为下一代超小型可穿戴麦克风的强大潜力，以及可以集成到柔性电子器件上的声音识别装置。

文献链接

High-fidelity skin-attachable acoustic sensor for realizing auditory electronic skin.

DOI: DOI10.1002/adma.202109545.

AM：实现听觉电子皮肤的高保真皮肤附着式声学传感器

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