化學所利用打印技術制備高性能無鉛柔性壓電聲敏傳感器
軍工資源網 2022年12月27日根據世界衛生組織的數據，全球約 4.3 億人因耳蝸受損而遭受聽力損失，改善聽力主要靠人工耳蝸。然而，傳統的人工耳蝸語音識別能力較低，而且剛性電極與軟組織間的不匹配可能導致神經損傷和耳鳴等問題。隨著物聯網和人工智能的發展，柔性自供電人工耳蝸的研究引起了廣泛關注。
中國科學院化學研究所研究員宋延林課題組近期在各向異性材料合成和圖案化器件制備方面取得了系列進展，如二維MXene與納米晶復合材料研究（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 14674-14691；Nano Res. 2022, DOI:10.1007/s12274-022-4667-x），直寫高性能原子級厚二維半導體薄膜和器件研究（Adv. Mater. 2022, DOI:10.1002/adma.202207392），制備基于交替堆疊微電極的濕度傳感超級電容器（Energy Environ. Mater. 2022, DOI:10.1002/eem2.12546）。
壓電材料可以作為未來人工耳蝸的有利候選材料，然而，主流含鉛壓電材料與生物不相容，對環境不友好，其他壓電材料的電輸出功率由于聲電轉換性能低，不足以直接刺激聽覺神經。因此，制造高性能無鉛柔性壓電聲學傳感器意義重大。近日，該團隊受人類耳蝸外耳毛細胞的啟發，報道了一種基于準同型相邊界的多組分無鉛鈣鈦礦棒的直寫微錐陣列策略。該策略一方面利用取向工程和在兩個不同正交相（Amm2和Pmmm）之間形成的準同型相邊界，顯著提高應力對壓電材料性能影響，實現壓電響應增強；另一方面在壓電薄膜表面引入微錐陣列，增加與聲波的接觸面積，增強對聲波的吸收，從而制備高性能柔性壓電聲學傳感器（FPAS）。該傳感器顯示出高靈敏度、寬頻率響應的特點，覆蓋常用的語音頻率，同時具有角度靈敏度，可用于記錄聲音信號，并實現語音識別和人機交互。FPAS還具備防水和耐酸堿等特點，滿足自然環境對可穿戴聲學傳感器的要求。相關研究成果近日發表在Matter上。
圖1 微錐陣列柔性壓電聲敏器件應用演示圖
圖2 聲音數據采集、人機交互應用和FPAS的防水性能