具有高靈敏度、低檢測(cè)下限和寬頻譜響應(yīng)的壓力傳感器可以用于構(gòu)建人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語音的探測(cè)與識(shí)別，在醫(yī)療健康領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)壓力傳感器的靈敏度有限，檢測(cè)極限不理想，限制了其在聲學(xué)器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于微結(jié)構(gòu)襯底的MXene聲學(xué)傳感器，用于模仿人耳膜的功能來實(shí)現(xiàn)聲音的探測(cè)與識(shí)別。MXene作為一種新型的二維（2D）過渡金屬碳化物和氮化物材料，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。Ti₃C₂T_x作為MXene家族的代表，其較大的層間距和特殊二維層狀結(jié)構(gòu)使Ti₃C₂T_x具有高的力學(xué)敏感性。微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的PDMS襯底具有極低的形變因子，在外力下容易發(fā)生形變。因此，采用具有大層間距離的MXene和具有微金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS襯底可以實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的兩級(jí)放大，獲得高的靈敏度（62 kPa^-1）和低的探測(cè)下限（0.1 Pa），并且實(shí)現(xiàn)了聲音信號(hào)的記錄功能。通過MXene器件記錄的語音信號(hào)波形與原始音頻波形幾乎保持一致，表明具有出色的聲學(xué)傳感能力。同時(shí)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了280個(gè)語音信號(hào)的識(shí)別與分類，訓(xùn)練集和測(cè)試集的準(zhǔn)確率可以分別達(dá)到96.4%和95%。以上的研究表明柔性MXene聲學(xué)傳感器在人機(jī)交互系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用潛力。

圖1 MXene聲學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理及性能圖

上述相關(guān)成果以“基于高靈敏的MXene智能人工耳膜的兩級(jí)放大”（Two-stage amplification of an ultrasensitive MXene-based intelligent artificial eardrum）為題，于3月30日在線發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。論文的通訊作者為清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、楊軼副教授、田禾副教授和韓國科學(xué)技術(shù)院安致元（Chi Won Ahn）教授，清華大學(xué)集成電路學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生茍廣洋、2020級(jí)博士生李驍時(shí)、博士后簡錦明和田禾副教授為共同第一作者。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然基金委、北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心等的支持。

近年來，任天令團(tuán)隊(duì)致力于二維材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果。先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等知名期刊以及國際電子器件會(huì)議（IEDM）等領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)國際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表多篇論文。（來源：清華大學(xué)）