听觉电子皮肤？高保真皮肤附加声学传感器

# 背景介绍

可穿戴式听觉传感器对智能人机交互和物联网中的声音识别系统至关重要。本文介绍了一种可贴附在皮肤上的声学传感器，具有更高的感知准确性、平坦的频率响应和良好的线性范围。该传感器利用聚合物材料设计了薄膜结构的振膜，实现了高音质感知。这种超小尺寸且薄型的传感器适用于柔性基板，并在广泛的温度范围内保持良好的声音检测质量。连接到商业移动设备上时，该传感器能够成功识别声音，展示了听觉电子皮肤的潜力。

# 本文亮点

1. 该传感器具有高可塑性和可附着性，适用于柔性表面和人体皮肤。通过设计复杂的电容膜结构并利用聚合物材料制造，传感器在较小的面积内具有较高的灵敏度，并能够感知人类可听频率和声压范围内的声音。该传感器具有高保真度，可以无失真地感知各种声音，甚至是人耳无法察觉的声音。

2. 它具有超小尺寸、薄结构，在柔性基板和人体皮肤上的附着稳定，并能在不同温度下保持稳定响应。与手机和专业录音麦克风相比，传感器展现了高保真度。更重要的是，该传感器能够在人体皮肤上实现准确的声音感知，为语音识别等应用提供了潜在可能性。

# 图文解析

▲图1. 可附着于皮肤的声学传感器的构造。a）声学传感器的截面示意图。b）可附着于皮肤的声学传感器中振膜结构的顶视光学显微图像（比例尺：500 µm）。c）可附着于皮肤的声学传感器的横截面扫描电子显微镜图像，包括悬浮振膜、支撑部分和穿孔背板（（a）中虚线边界框内）。该图像样品通过聚焦离子束切割悬浮振膜结构的上部获得（比例尺：10 µm）。d）可附着于皮肤的声学传感器的照片，贴附在一个4 mL玻璃瓶（外半径：7.5 mm）上。（直径分别为1600、1200和800 µm）。

▲图2. 高保真可附着于皮肤的声学传感器的声学响应。a)声学传感器对应的声电耦合等效电路模型。

▲图3. 感知响应和操作稳定性的比较。a)声学传感器与先前报道的柔性声学传感器相比，每个感测区域的灵敏度进行了比较。b) 可附着于皮肤的声学传感器与先前报道的柔性声学传感器的动态范围和带宽进行了比较。根据参考文献[45]中的信息，用疼痛/听力阈值和声音范围来定量绘制人类听觉领域。c) 归一化灵敏度作为温度的函数在25-120°C范围内显示了声学传感器的温度稳定性。

▲图4. 声学传感器的高保真演示。a)在无反射室中进行声音感知质量比较的实验设置的照片。b-d) 使用商用手机（iPhone XR）(b) 声学传感器 (c) 和专业录音麦克风（AT 2035, Audio-Technica）(d)记录和测量的输出波形和频谱图。

▲图5. 柔性电子和听觉电子皮肤的应用。a) 一张超小型可穿戴声学传感器的照片（振膜直径：1600微米；整体设备尺寸：9平方毫米；厚度：420微米），附着在对应柔性和听觉电子皮肤的柔性基板上。b) 归一化灵敏度随弯曲半径的变化（从平坦到5毫米），显示我们的声学传感器的灵敏度没有降低。c) 使用的声学传感器附着在弯曲表面（弯曲半径：5毫米；左侧）和平坦表面（右侧）进行录音和测量的输出波形和频谱图，用户说出“电子皮肤”的声音。d) 展示了附有读出电路的皮肤可附着声学传感器的语音识别应用设置的照片，该电路直接连接到运行最新人工智能虚拟助手（Google Assistant）的移动电子设备（Galaxy S10 5G, Samsung Electronics）。e) 将高保真度的声学传感器附着在人手上的照片，展示了其作为听觉电子皮肤的潜在应用。高保真度声学传感器与手机之间的电连接细节在支持信息的图S26和视频S2中显示。f,g) 移动设备屏幕显示用户的命令“搜索电子皮肤”，被人工智能助手识别（f），并显示人工智能助手在互联网上执行该命令的搜索结果（g）

# 结论

本文介绍了一种超小型可穿戴声学传感器，采用了聚合物材料和复杂的膜片结构，具有商业级别的高保真声音检测能力。该传感器支持人类听力的不完美特征，并可以在弯曲表面和人体皮肤上使用。通过配对读出电路，该声学传感器与最新的语音识别技术兼容，具有高实用性。然而，虽然使用了适当的聚合物材料SU-8，但仍存在其他聚合物材料可能更适合这种声学传感器结构的可能性。因此，进一步研究各种聚合物材料以实现更高保真度的声学传感器和听觉电子皮肤具有潜力。

参考文献

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109545

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