語音交互底層技術突破，納米材料製備新型高靈敏度聲學器件
有時，往往新型材料和新器件的誕生，會為蝸行牛步、發展緩慢的技術帶來質變的飛躍！1947年12月，美國Bell實驗室以肖克利（下圖所示）為首的研究小組，研製出第一個點接觸型的鍺晶體管。
隨後，場效應晶體管、集成電路以及微處理器的誕生與發展，為我們的生活帶來了翻天覆地的變化。可以說，新材料的不斷湧現帶來了新物理效應的發現，而隨著新物理效應的發現，新器件不斷問世，新型器件的誕生又一次次的推進了工藝的進步。就這樣，物理學與材料學的結合，以及器件與工藝融合，相互交叉滲透、影響促進，為我們的生活帶來一個又一個奇蹟。
如今，無論是對語音交互的拾音、環境雜訊的監測，還是工業製造中查看鑄件損傷，地質水文中的岩體勘探，亦或是使用種種聲波儀器對我們人體各個臟器進行健康方面的檢查與治療，都離不開聲波探測。可以說，聲波探測目前已經應用到，包括環境保護、工業製造、健康醫療、科學研究以及語音交互等各個領域。自然而言，基於各種轉換原理，例如壓敏電阻，壓敏電容，壓光以及壓電效應等開發的聲學器件，也是不計其數。其中，壓電聲波感測器，尤其是那些採用壓電聚合物製造的感測器，在靈敏度和靈活性方面明顯區別於其他感測器，尤其是靈活性方面，這類材料可以根據需求處理成不同的幾何形狀，適用於各種應用場合。然而，大多數壓電聚合物需要通過繁瑣的處理過程，一般包括機械拉伸和高溫高壓極化來獲得其壓電特性，這種方式就需要高耗能，不可避免的提高了成本，所以開拓新工藝，尋找新材料來改善這方面的問題，一直是科學家以及工程技術研究人員不斷努力的方向。
一直以來，科學家就非常熱衷於使用靜電紡絲方法製備壓電納米纖維材料來將機械能轉換為電能。那什麼是靜電紡絲法（Electrospinning）呢？其實就是一種特殊的製造工藝，使用高分子流體靜電霧化的形式生產納米級的聚合物纖維。如下圖所示，在電場作用下，針頭處的液滴會由球形變為圓錐形（即「泰勒錐」），並從圓錐尖端延展得到纖維細絲。這種方式可以生產出納米級直徑的聚合物細絲。
這種方式生產的壓電納米纖維材料表現出卓越的機械能轉換電能的能力。然而，對於聲電轉換的靜電紡絲納米纖維材料的研究數據，卻寥寥無幾。近來，《Nature Communications》上刊登了一篇關於介紹靜電紡絲的壓電納米纖維材料擁有強大的聲電轉換能力。利用聚偏氟乙烯為模型聚合的感測器器件可以直接將聲音傳送到納米纖維層，這種感測器擁有很高的靈敏度，可以準確的區分中低頻頻率的聲波。這些特性使得其非常適合雜訊探測。這類靜電紡絲納米纖維材料製備的器件擁有高出商業壓電聚偏氟乙烯薄膜材料器件五倍的靈敏度，可以用於開發高性能的聲學感測器。
材料與感測器的製備
通過上述靜電紡絲技術製備PVDF納米纖維直徑大概為310±60?nm。X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜表明PVDF納米纖維主要含α和β晶相，而β晶相含量高達86%，這裡高含量的β晶相有助於機械能與電能之間的轉換。
通過在兩個透明的聚對酞酸乙二酯（PET）薄膜（厚度為110?μm）中夾雜一層PVDF納米纖維網來製備聲學感測器，其中都是在內側進行金屬濺射。金屬塗層表面與納米纖維層接觸的，並作為電極來收集電子信號。下圖顯示了其具體結構。
為了使得納米纖維材料直接收集聲波，在每層塑料薄膜上都有一個從頭至尾的孔設計。下圖為測量感測特性的設置。
為了避免測試設備和機械部件振動產生假信號，並非納米纖維網路產生的信號，這種測試設備和感測器裝置被安裝在一個重型石材的穩固基座上。通過電化學反應記錄其電壓變化。從計算機得到的測試數據來看，保持同一個聲音級，使用不同頻率聲波，檢測不同聲波頻率對電壓輸出的影響，結果顯示電壓輸出隨著聲波頻率的變換而變換。測試了三個聲壓級水平情況下，除了不同的電壓值，基本顯示了相似的電壓輸出趨勢。其中，在220?Hz頻率獲得最大輸出電壓；當頻率在220?Hz以上，電壓值有所下降；在400?–1500 Hz的頻率範圍內，輸出出現小幅度波動；當聲波頻率超過2000Hz，輸出電壓下降到幾乎為零。這表明，此種納米纖維聲學感測器對於中低頻率的聲波是敏感的。眾所周知，可聽聲頻率介於20和20000?Hz，而廣泛存在於機場、工業和許多公共場所，以及道路交通雜訊污染，主要來自於這一波段，那麼監測雜訊方面，對比傳統感測器就有著成本低廉的強大優勢。
多頻率聲波的分辨、探測
對於聲學感測器，區分多個頻率聲波的能力至關重要的。為了測試這種感測器的此種性能，研究人員使用雙聲源產生兩個頻率的聲波，分別為190Hz和260?Hz。感測器的電壓輸出顯示：快速傅立葉變換處理後，在190Hz和260?Hz會出現兩個幅度峰值的輸出（如下圖所示），證明該感測器擁有分辨不同頻率聲源的能力。不僅如此，使用該裝置區分兩頻率非常接近的聲波，結果也顯示區分度良好，證明此種聲學感測器擁有良好的檢測解析度。
該感測器不僅具有高解析度的的聲波探測能力，還具有錄音的潛力。
小結
使用靜電紡絲方法製備的壓電納米纖維材料，不僅具有聲電轉換的優越性能，還有效降低了成本。根據此材料製備的壓電聲學感測器，對於中低頻的聲波是相當敏感的，而且頻率分辨力良好。除了對不同頻率聲波的探測能力，還具有錄音的能力。擁有優越的性能，還有便宜的價格，一旦投入到商用，將具有巨大的市場價值。
請您繼續閱讀更多來自 聲學在線 的精彩文章:※中國高超聲速武器關鍵技術率先獲得突破：全靠這種超級材料打造
※語音對話系統的技術突破點在哪？深度解讀人機交互的技術核心
※納米尺度物質輸運研究取得新突破
※中國高超音速飛行器再次突破技術壁壘：性能大為震驚
※我國反滲透複合膜技術獲突破 提升水處理技術
※中國戰機雷達技術已成世界頂尖：採用新型材料突破局限
※特高壓交流開關技術取得突破
※業界｜分子性質預測新突破：谷歌新型神經網路助力化學研究
※新型量子存儲器材料：量子互聯網研究取得重大突破！
※超音速武器的碾壓：新技術革命性突破 美國仍然遙遙無期原地踏步
※微創拔牙新突破，頜面外科引進了超聲骨刀技術
※華為AI處理器再度突破新技術！有望反超蘋果三星！
※「中科院系」核心技術頻突破 硬科技打開創新智造新拐點
※新航母彈射技術突破或助力儘快試水
※電池技術新突破！可迅速重複充電的水合型電池
※電磁能即將取代化學能 中國高新技術的突破提升國際地位
※中國突破一關鍵技術 或為核彈頭小型化帶來新契機
※中國「高超音速」武器再次突破技術壁壘：性能提升達到10馬赫！
※語音界面已經成熟，語音助手的突破口不再局限於智能音箱