顆粒在線訊：壓電材料可以作為未來耳蝸植入物的有利候選材料。然而，迄今為止，大多數(shù)壓電聽覺裝置未能同時提供高靈敏度、期望的柔性、寬頻率選擇性和生物相容性。

在這項(xiàng)工作中，中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究員和李立宏副研究員等人受人類外耳毛細(xì)胞的啟發(fā)，通過引入基于新型無鉛多組分棒狀鈮酸鹽壓電材料的微錐圖案化陣列策略來解決這些問題?；诎魻畈牧系娜嵝詨弘娐晫W(xué)傳感器(FPAS)的輸出電壓幾乎是各向同性粒子的300%。在惡劣環(huán)境下性能穩(wěn)定的FPAS由于顯著增強(qiáng)了對聲音能量的吸收，表現(xiàn)出高靈敏度(39.22 mV Pa?1?cm?2)，可以記錄聲音信號，識別音頻信號，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該工作表明，F(xiàn)PAS有望用于各種應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、耳蝸植入物、可穿戴聲學(xué)設(shè)備和人機(jī)交互。該工作以題為“High-performance microcone-array flexible piezoelectric acoustic sensor based on multicomponent lead-free perovskite rods”發(fā)表在《Matter》上。

【材料的制備與表征】

圖1.材料的準(zhǔn)備與表征

本文所用的鈮酸鹽棒首次采用拓?fù)浠瘜W(xué)修飾的熔鹽法合成。一維（1D）0.96(Na，K)( Nb0.9Ta0.1)O3-0.04 LiSbO3 (LNKNTS)棒的形成過程如圖1A和1B所示。通過離子交換和進(jìn)一步熱解反應(yīng)，KNb3O8棒轉(zhuǎn)化為Nb2O5棒(圖1A)。然后，通過多元拓?fù)浠瘜W(xué)-熔鹽法獲得1D鈣鈦礦(圖1B)。圖1D顯示了單個棒的形態(tài)。如圖1E所示，LNKNTS棒的元素能譜分析證實(shí)了Na、K、Nb、Ta和Sb元素的相對均勻分布。圖1G顯示了基于LNKNTS棒的FPAS的橫截面SEM圖像。厚度為40微米，這對于感知微小的振動（如聲波）是非常出色的。此外，部分放大的SEM圖像表明LNKNTS棒均勻分布，并使FPAS有點(diǎn)織構(gòu)化。

【FPAS的電壓輸出和靈敏度】

圖2. FPAS的性能

作者研究了沒有微錐的FPAS的性能。聲電轉(zhuǎn)換性能測試裝置的原理圖如圖2A所示。開路電壓(VOCs)是在108 dB聲壓下從具有不同含量的LNKNTS棒和LNKNTS顆粒的FPAS記錄的(圖2B)。隨著兩種LNKNTS含量的增加，VOC呈現(xiàn)出穩(wěn)定增加的趨勢，直到含量達(dá)到60 wt %。此外，在相同的頻率和聲壓下，具有LNKNTS棒(60 wt %)的FPAS的VOC是具有類似組成顆粒的FPAS的近300%。頻率和VOC之間的關(guān)系如圖2C所示。FPAS在100-3000Hz的頻帶內(nèi)顯示出穩(wěn)定的電壓輸出，并且在250 Hz處獲得最高的電壓輸出，這對應(yīng)于FPAS的諧振頻率。然后，隨著頻率的增加，VOC逐漸降低。FPAS的響應(yīng)頻率范圍為100-3000Hz，涵蓋了生活中常用聲音的頻率范圍。此外，信噪比(SNR)從250 Hz時VOC的相應(yīng)FFT獲得。結(jié)果(SNR = 60 dB)如圖2F所示。作者還研究了VOC隨聲壓的變化。如圖2G所示，VOC隨著聲壓的增加而增加。在低聲壓水平下，信噪比結(jié)果非常好。此外，F(xiàn)PAS的性能表現(xiàn)出突出的穩(wěn)定性(圖2H)。

【錐形陣列FPAS的制作】

圖3. 錐形陣列FPAS的制作和性能

受哺乳動物耳蝸外耳毛細(xì)胞的形態(tài)和功能的啟發(fā)，作者發(fā)現(xiàn)FPAS表面的錐形陣列可以增強(qiáng)聲學(xué)裝置與聲波的相互作用，并提高聲音的利用率。圖3A顯示了有和沒有錐形陣列的FPAS的表面動能變化和應(yīng)變的有限元分析結(jié)果。由于突起的結(jié)構(gòu)，膜表面上的錐陣列在聲波的作用下強(qiáng)烈振動，導(dǎo)致更大的FPAS應(yīng)變。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，作者提出了磁場輔助制造微錐陣列的方法。微錐陣列制備示意圖如圖3B所示。通過直接書寫和印刷磁性流體墨水，然后使用磁體吸引和固化它們，制備磁性流體陣列。圖3C是耳蝸毛細(xì)胞的示意圖。圖3D展示了微錐陣列的光學(xué)照片，微錐的放大SEM圖像顯示微錐的高度為500 μm。為了進(jìn)一步證實(shí)錐陣列的有效影響，作者研究了錐陣列的密度。當(dāng)微錐密度增加時，設(shè)備的性能可以顯著增強(qiáng)(圖3E)。

【FPASs的應(yīng)用】

圖4. FPAS作為壓電耳蝸和記錄器的應(yīng)用

如圖4B所示，不同形狀FPASs的諧振頻率是通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生掃頻信號獲得的。這表明該裝置可以通過改變形狀和調(diào)節(jié)共振頻率來實(shí)現(xiàn)耳蝸細(xì)胞的頻率選擇功能。聽覺神經(jīng)及其下面的神經(jīng)元可以被FPAS產(chǎn)生的電信號刺激。此外，F(xiàn)PAS還具有高靈敏度、寬頻帶和生物相容性。因此，F(xiàn)PASs可能成為未來人工耳蝸植入的有力競爭者。為了探索FPASs作為錄音機(jī)的應(yīng)用(圖4C)，作者將FPAS固定在PMMA支架上。通過揚(yáng)聲器向FPAS播放音頻，并記錄電信號輸出。結(jié)果表明，F(xiàn)PAS能夠記錄幾乎無失真的復(fù)雜聲音，并證明FPAS具有較寬的響應(yīng)頻率，將滿足現(xiàn)實(shí)生活中的音頻記錄。

圖5. 人機(jī)交互應(yīng)用與FPAS的防水性能

為了驗(yàn)證FPASs在人類語音識別中的應(yīng)用，作者使用真人錄音來測試FPAS。FPAS被用來分別記錄同一個人的“A”到“G”的發(fā)音。結(jié)果表明，不同的單詞產(chǎn)生不同的輸出。因此，可以借助FPASs實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。人機(jī)交互的示意圖如圖5B所示。人機(jī)交互測試的光學(xué)照片和人機(jī)接線圖如圖5C和5D所示。當(dāng)人們說不同的單詞時，會產(chǎn)生不同的電壓。例如，“打開”和“關(guān)閉”的電壓輸出(圖5E和5F)。這證明了FPASs在許多應(yīng)用中的潛力，如物聯(lián)網(wǎng)、智能音頻、智能語音控制和聲學(xué)環(huán)境監(jiān)控。此外，F(xiàn)PAS滿足自然潮濕環(huán)境的防水要求。與之前報道的具有孔隙結(jié)構(gòu)和改變材料潤濕性的聲學(xué)傳感器以及封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計和防水材料包裝相比，F(xiàn)PAS的防水性得益于LNKNTS棒的穩(wěn)定性和PDMS的防水性。

總結(jié)，作者展示了一種用微錐陣列制備FPASs的直寫方法。這項(xiàng)工作證明了FPASs在可穿戴語音識別設(shè)備以及人機(jī)交互中的各種應(yīng)用前景。

來源：高分子科學(xué)前沿