压电驱动的电容式振动传感器阵列，实现高保真声音信号采集
2026-01-25 20:43:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
韩国浦项科技大学开发了一种压电驱动的电容式振动传感器，这种超紧凑型传感器阵列通过捕捉细微的机械振动，能够高保真地检测声音、音乐和呼吸信号。
在宽频谱范围内高保真地采集生理信号，需要性能优异的柔性振动传感器。然而，现有器件无法在保持可靠、低功耗运行的同时，在整个频谱范围内实现一致的高灵敏度。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国浦项科技大学开发了一种压电驱动的电容式振动传感器，克服了上述局限。在该设计中，压电振膜充当非接触式电源，产生稳定的电压偏置场并主动调制信号，以实现自供电工作。为了进一步提高性能，研究人员采用了一种具有面内通风和最大化传感器阵列密度的器件架构。所制备的传感器具有626 mV/g的线性灵敏度、80-5000 Hz的平坦频率响应、0.01 g的超低检测限以及80 dB的信噪比，相较传统器件实现了显著提升。实验表明，这种超紧凑型压电驱动的电容式传感器阵列通过捕捉细微的机械振动，能够高保真地检测声音、音乐和呼吸信号。相关研究成果以“Hyperpacked piezoelectric-powered capacitive sensor array for high-fidelity vibration detection”为题发表在Nature Sensors期刊上。
超紧凑型电容式振动传感器阵列由15 μm厚的PVDF-TrFE薄膜附着于40 μm厚的星形图案支撑层构成，该支撑层层压在聚对二甲苯基底上。本研究提出的超紧凑型振动传感器阵列在器件结构和材料集成方面，均较传统电容式振动传感器取得了重要进步。从设计角度看，星形支撑结构在实现高保真传感、超紧凑传感器配置和提升可加工性方面起着至关重要的作用。从材料的角度看，该器件通过采用非接触式压电振膜而独具特色，这是一种简单而高效的策略，可以实现更高效、稳定和灵敏的工作。
超紧凑型电容式振动传感器阵列
为了评估压电振膜与传统驻极体振膜的环境稳定性，研究人员测量了PVDF-TrFE薄膜和CYTOP薄膜在暴露于去离子水、人工汗液和直接皮肤接触前后的相对输出电压和相对表面电位。PVDF-TrFE薄膜在所有条件下都保持了其大部分初始输出电压，而驻极体CYTOP薄膜损失了90%以上的表面电势。PVDF-TrFE薄膜在所有条件下也保持了稳定的d₃₁。
压电振膜的表征
优化后的器件展现出626 mV/g的高灵敏度，同时在0.1-2.5 g的宽振动加速度范围内保持优异的线性。此外，该传感器表现出卓越的长期稳定性和耐久性。除了高灵敏度和稳定性外，该传感器在80-5000 Hz的宽频范围内实现了±3 dB内的超平坦频率响应。同时，该传感器具备超低检测限，可检测低至0.01 g的微弱振动输入，相当于轻柔呼吸产生的皮肤振动水平。此外，该传感器在较宽的频率范围内实现了约80 dB的超高信噪比。
超紧凑型电容式振动传感器阵列的传感性能
发声物体产生的微弱振动可通过固体介质传播，并能被捕捉用于音频录制。利用这一原理，所开发的振动传感器通过精确检测机械振动，实现了高保真声音采集。
利用超紧凑型电容式振动传感器阵列进行音频录制
得益于其优异的柔性，所开发的振动传感器可与颈部无缝贴合，确保良好的皮肤接触和高效的振动传递。当将其贴附于颈部时，该传感器能够捕捉到具有清晰波形和频谱特征的高保真语音信号。
超紧凑型电容式振动传感器阵列的声学检测性能
将传感器置于声带和胸腔之间，有助于检测与喘鸣、湿啰音等疾病相关的呼吸音。近期研究证明了这种方法的可行性，凸显其在呼吸系统疾病诊断中的潜力。值得注意的是，所开发的振动传感器的高保真振动检测能力可以精确区分呼吸声，提高诊断准确性。
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
总而言之，研究人员开发了一种超紧凑型压电驱动的电容式振动传感器阵列，用于宽带机械刺激检测。该器件结构基于星形支撑结构，通过简单的一步光刻工艺制备而成。这种设计便于通过侧通气孔通风，无需复杂的结构，并实现了超紧凑的阵列配置。与现有的方法不同，该传感器采用了非接触式压电振膜，这是一种简单而高效的策略，可显著提高灵敏度、稳定性与能量效率。通过检测细微的机械振动，研究人员实现了声音、音乐和呼吸信号的高保真采集。这种架构和材料驱动的方法推动了宽带机械传感技术的发展，为语音物联网系统和个性化移动医疗技术提供了先进的解决方案。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44460-025-00003-1
延伸阅读：
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