在寬頻譜范圍內高保真地采集生理信號，需要性能優異的柔性振動傳感器。然而，現有器件無法在保持可靠、低功耗運行的同時，在整個頻譜范圍內實現一致的高靈敏度。
據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國浦項科技大學開發了一種壓電驅動的電容式振動傳感器，克服了上述局限。在該設計中，壓電振膜充當非接觸式電源，產生穩定的電壓偏置場并主動調制信號，以實現自供電工作。為了進一步提高性能，研究人員采用了一種具有面內通風和最大化傳感器陣列密度的器件架構。所制備的傳感器具有626 mV/g的線性靈敏度、80-5000 Hz的平坦頻率響應、0.01?g的超低檢測限以及80?dB的信噪比，相較傳統器件實現了顯著提升。實驗表明，這種超緊湊型壓電驅動的電容式傳感器陣列通過捕捉細微的機械振動，能夠高保真地檢測聲音、音樂和呼吸信號。相關研究成果以“Hyperpacked piezoelectric-powered capacitive sensor array for high-fidelity vibration detection”為題發表在Nature Sensors期刊上。
超緊湊型電容式振動傳感器陣列由15 μm厚的PVDF-TrFE薄膜附著于40 μm厚的星形圖案支撐層構成，該支撐層層壓在聚對二甲苯基底上。本研究提出的超緊湊型振動傳感器陣列在器件結構和材料集成方面，均較傳統電容式振動傳感器取得了重要進步。從設計角度看，星形支撐結構在實現高保真傳感、超緊湊傳感器配置和提升可加工性方面起著至關重要的作用。從材料的角度看，該器件通過采用非接觸式壓電振膜而獨具特色，這是一種簡單而高效的策略，可以實現更高效、穩定和靈敏的工作。
超緊湊型電容式振動傳感器陣列
為了評估壓電振膜與傳統駐極體振膜的環境穩定性，研究人員測量了PVDF-TrFE薄膜和CYTOP薄膜在暴露于去離子水、人工汗液和直接皮膚接觸前后的相對輸出電壓和相對表面電位。PVDF-TrFE薄膜在所有條件下都保持了其大部分初始輸出電壓，而駐極體CYTOP薄膜損失了90%以上的表面電勢。PVDF-TrFE薄膜在所有條件下也保持了穩定的d??。
壓電振膜的表征
優化后的器件展現出626?mV/g的高靈敏度，同時在0.1-2.5?g的寬振動加速度范圍內保持優異的線性。此外，該傳感器表現出卓越的長期穩定性和耐久性。除了高靈敏度和穩定性外，該傳感器在80-5000 Hz的寬頻范圍內實現了±3 dB內的超平坦頻率響應。同時，該傳感器具備超低檢測限，可檢測低至0.01 g的微弱振動輸入，相當于輕柔呼吸產生的皮膚振動水平。此外，該傳感器在較寬的頻率范圍內實現了約80 dB的超高信噪比。
超緊湊型電容式振動傳感器陣列的傳感性能
發聲物體產生的微弱振動可通過固體介質傳播，并能被捕捉用于音頻錄制。利用這一原理，所開發的振動傳感器通過精確檢測機械振動，實現了高保真聲音采集。
利用超緊湊型電容式振動傳感器陣列進行音頻錄制
得益于其優異的柔性，所開發的振動傳感器可與頸部無縫貼合，確保良好的皮膚接觸和高效的振動傳遞。當將其貼附于頸部時，該傳感器能夠捕捉到具有清晰波形和頻譜特征的高保真語音信號。
超緊湊型電容式振動傳感器陣列的聲學檢測性能
將傳感器置于聲帶和胸腔之間，有助于檢測與喘鳴、濕啰音等疾病相關的呼吸音。近期研究證明了這種方法的可行性，凸顯其在呼吸系統疾病診斷中的潛力。值得注意的是，所開發的振動傳感器的高保真振動檢測能力可以精確區分呼吸聲，提高診斷準確性。
利用超緊湊型電容式振動傳感器陣列進行呼吸系統疾病診斷
總而言之，研究人員開發了一種超緊湊型壓電驅動的電容式振動傳感器陣列，用于寬帶機械刺激檢測。該器件結構基于星形支撐結構，通過簡單的一步光刻工藝制備而成。這種設計便于通過側通氣孔通風，無需復雜的結構，并實現了超緊湊的陣列配置。與現有的方法不同，該傳感器采用了非接觸式壓電振膜，這是一種簡單而高效的策略，可顯著提高靈敏度、穩定性與能量效率。通過檢測細微的機械振動，研究人員實現了聲音、音樂和呼吸信號的高保真采集。這種架構和材料驅動的方法推動了寬帶機械傳感技術的發展，為語音物聯網系統和個性化移動醫療技術提供了先進的解決方案。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s44460-025-00003-1
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