基于柔性压电声学的多功能可穿戴贴片，可集成传感、定位及水下通信功能
摘要：流体动力与机电系统国家重点实验室谢金教授团队联合英国诺森比亚大学傅永庆教授开发了一种基于柔性压电声学的具有传感、通信和定位功能的无线平台。在高频（~13 MHz）刺激下，可激发兰姆波，用于多种传感应用（如呼吸检测）。通过低频激励（约20kHz），该器件呈现薄膜状振型，可实现基于声学的通信和定位。这项研究为柔性传感器的通信和定位应用提供了全新的解决方案，且无需额外天线，在无线和可穿戴传感器网络中具有重要应用前景。相关研究工作近日刊发于国际期刊Advanced Functional Materials（IF:19.9）。
关键词：Advanced Functional Materials, 柔性无线传感器，压电声学，定位，呼吸监测，浙江大学
近年来，柔性和无线传感器引起了研究人员的极大兴趣，在医疗保健、可穿戴电子设备、机器人和物联网等领域中得到了广泛研究。然而，最近报道的基于电容或电阻机制的柔性传感器通常需要额外的天线来实现无线或实时检测功能，这增加了传感系统的尺寸和复杂性。此外，基于射频的通信方案在诸如水下工况或金属壳体内通常会出现性能下降，从而限制了他们在某些场景下的使用，比如水下探测器、海洋环境监测系统、水下可穿戴设备或具有大量金属部件的仪器中。另一方面，无线传感器网络存在定位需求，但基于射频信号的距离测量只能提供有限的精度（通常误差大于10cm）。
近年来，研究人员通过结构设计，已经研制了具有不同振动模态的柔性压电器件，例如声表面波（SAW）器件、兰姆波（Lamb Wave）器件和薄膜体声波谐振器（FBAR）。然而，这些研究通常只关注器件自身的柔性。但应当指出，为了实现该类器件的柔性，通常会选取较小的衬底厚度和刚度，而这同时将导致较小的弯曲刚度。基于此特征，该类柔性器件可以通过膜片振动实现传输和接收调制声学信号。
最近，浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室谢金教授团队联合诺森比亚大学傅永庆教授团队提出了一种基于压电效应的多功能、柔性兰姆波器件，可同时具备无线传感、通信和定位功能。由于柔性兰姆波器件通常基于低刚度的薄衬底（厚度通常小于100微米），所以当低频电激励（例如，几十kHz）施加于上下电极时，由于压电效应，可以被迫振动并发射声波。与之相反，该类柔性器件还可以接收声波并在电极上产生净电荷，将声信号转换为电信号。该类振动模态不同于沿表面传播的兰姆波，会导致整个膜的振动，从而传输和接收声能。因此，可以基于声波实现该类柔性器件之间实现无线通信，尤其是在水下使用时。基于这种新的方法，柔性兰姆波传感器也可以用作声学收发器，而无需任何额外的天线，从而降低了系统的复杂性和尺寸。此外，由于声波速度较低，可以基于飞行时间或相位差直接进行测距和定位，从而相较蓝牙和RFID（射频识别）大幅提高了定位精度。
综上所述，本文所提出的柔性无线传感器系统是下一代无线传感器网络的有力竞争者，为可穿戴健康和活动监测、水下传感器网络、室内定位系统和工业预测维护提供了一种新的思路。
浙江大学机械工程学院博士生张乾为论文第一作者，浙江大学谢金教授、英国诺森比亚大学傅永庆教授为论文通讯作者。流体动力与机电系统国家重点实验室为第一单位。
论文信息：
Multifunctional and Wearable Patches Based on Flexible Piezoelectric Acoustics for Integrated Sensing, Localization, and Underwater Communication
Qian Zhang, Yong Wang, Dongsheng Li, Jin Xie*, Kai Tao, PingAn Hu, Jian Zhou, Honglong Chang, and Yongqing Fu*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202209667
谢金 教授
浙江大学机械工程学院教授，博士生导师。入选国家级青年人才计划，主要研究方向为微纳制造、微机电系统(MEMS) 、微传感器和驱动器等。
傅永庆教授
英国诺森比亚大学教授，浙江大学机械工程学院兼任教授。主要研究方向为智能薄膜/材料、生物医学微器件、能源材料、片上实验室、微机械、MEMS、纳米技术、传感器及微流体。