新型压电驱动电容式振动传感器阵列实现高保真声音信号采集
在生理信号的宽频谱采集领域，开发兼具高灵敏度与低功耗的柔性振动传感器是一项关键挑战。目前的解决方案尚难以在不同频率下保持一致的性能表现。
据麦姆斯咨询报道，韩国浦项科技大学的研究团队近期提出了一种创新的压电驱动电容式振动传感器，有效解决了这一技术瓶颈。该设计以压电振膜为核心，作为非接触式电源使用，可提供稳定的电压偏置并实现信号主动调制，从而支持自供电运行。同时，研究人员优化了器件结构，引入了面内通风机制并提升了阵列密度。测试结果表明，这种新型传感器具备626 mV/g的线性灵敏度、80-5000 Hz的平坦频率响应、0.01 g的检测限以及80 dB的信噪比，相比传统设计表现出明显优势。实验验证了其在捕捉声音、音乐与呼吸信号方面的高保真能力。相关成果以《Hyperpacked piezoelectric-powered capacitive sensor array for high-fidelity vibration detection》为题，发表于《Nature Sensors》。
该阵列采用15 μm厚的PVDF-TrFE压电薄膜，并将其附着于40 μm厚的星形图案支撑结构上，整体层压在聚对二甲苯基底。这一结构在材料集成和器件设计方面较传统电容式振动传感器实现了多项突破。星形支撑结构在提升可加工性、实现紧凑配置和保证高保真检测方面发挥关键作用。而压电驱动机制则为系统提供了一种高效、稳定的信号增强方案。
超紧凑型电容式振动传感器阵列
为评估该压电薄膜与传统驻极体材料在环境稳定性方面的差异，研究人员测试了其在去离子水、人工汗液以及直接皮肤接触条件下的输出电压与表面电位变化。测试结果显示，PVDF-TrFE薄膜在所有条件下均能保持超过90%的初始电压输出，而传统CYTOP驻极体的表面电位则下降超过90%。同时，该压电材料在实验过程中也保持了稳定的d₃₁压电系数。
压电振膜的表征
经过结构与材料优化后，传感器表现出626 mV/g的高灵敏度，并在0.1-2.5 g的振动加速度范围内保持良好的线性特性。同时，该器件展现出优越的长期稳定性和机械耐久性。其频率响应覆盖80-5000 Hz范围，波动在±3 dB内，表明其具备极宽的工作带宽。此外，传感器能够检测低至0.01 g的微弱振动，相当于人体轻柔呼吸时皮肤上的振动幅度。其信噪比可达约80 dB，确保信号采集的高清晰度。
超紧凑型电容式振动传感器阵列的传感性能
机械振动可通过固体介质传播，并被用于音频采集。利用该原理，研究人员验证了所开发传感器在高保真声音信号获取方面的潜力。
利用超紧凑型电容式振动传感器阵列进行音频录制
得益于出色的柔性和适配性，传感器可与人体颈部贴合，实现稳定贴附与高效的振动传递。实验表明，当贴附于颈部时，该器件能够采集到具备清晰波形和频谱特征的语音信号。
超紧凑型电容式振动传感器阵列的声学检测性能
将传感器置于声带与胸腔之间，可有效捕捉与呼吸系统疾病相关的异常呼吸音，如喘鸣和湿啰音。初步研究表明，该传感器能够高精度识别不同类型的呼吸信号，具有在临床诊断中进一步应用的潜力。
利用超紧凑型电容式振动传感器阵列进行呼吸系统疾病诊断
该研究开发的压电驱动电容式振动传感器阵列基于星形支撑结构，通过一步光刻工艺即可完成制造。这种设计简化了结构，提升了器件的集成密度，并通过侧向通风孔实现了良好的空气流通。与传统方法相比，该传感器利用非接触式压电振膜，在灵敏度、稳定性和能耗方面均有显著提升。其高精度捕捉声音、音乐和呼吸振动的能力，为语音物联网系统与可穿戴医疗设备提供了新的技术路径。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44460-025-00003-1
延伸阅读：