集成电路学院任天令团队在柔性声学器件领域取得重要进展

清华新闻网4月1日电 具有高灵敏度、低检测下限和宽频谱响应的压力传感器可以用于构建人机交互系统实现语音的探测与识别,在医疗健康领域具有非常重要的应用价值。然而,传统压力传感器的灵敏度有限,检测极限不理想,限制了其在声学器件领域的应用。

清华大学集成电路学院任天令教授团队报道了一种基于微结构衬底的MXene声学传感器,用于模仿人耳膜的功能来实现声音的探测与识别。MXene作为一种新型的二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物材料,具有优异的物理和化学特性,已经被广泛应用于传感器领域。Ti3C2Tx作为MXene家族的代表,其较大的层间距和特殊二维层状结构使Ti3C2Tx具有高的力学敏感性。微金字塔阵列结构的PDMS衬底具有极低的形变因子,在外力下容易发生形变。因此,采用具有大层间距离的MXene和具有微金字塔结构的PDMS衬底可以实现声音信号的两级放大,获得高的灵敏度(62 kPa-1)和低的探测下限(0.1 Pa),并且实现了声音信号的记录功能。通过MXene器件记录的语音信号波形与原始音频波形几乎保持一致,表明具有出色的声学传感能力。同时,采用机器学习算法实现了280个语音信号的识别与分类,训练集和测试集的准确率可以分别达到96.4%和95%。以上的研究表明柔性MXene声学传感器在人机交互系统中具有重要的应用潜力。

图1 MXene声学传感器结构、工作机理及性能图


上述相关成果以“基于高灵敏的MXene智能人工耳膜的两级放大”(Two-stage amplification of an ultrasensitive MXene-based intelligent artificial eardrum)为题,于3月30日在线发表在《科学·进展》(Science Advances)上。论文的通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授、杨轶副教授、田禾副教授和韩国科学技术院安致元(Chi Won Ahn)教授,清华大学集成电路学院2022届博士毕业生苟广洋、2020级博士生李骁时、博士后简锦明和田禾副教授为共同第一作者。该项目得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、北京市自然基金委、北京信息科学与技术国家研究中心等的支持。

近年来,任天令团队致力于二维材料的基础研究和实用化应用的探索,尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件,在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已取得了多项创新成果。先后在《自然》(Nature)、《自然·电子》(Nature Electronics)、《自然·通讯》(Nature Communications)等知名期刊以及国际电子器件会议(IEDM)等领域内顶级国际学术会议上发表多篇论文。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2156