柔性可穿戴声波技术- 大数跨境

声学楼论坛

2024-08-03

柔性可穿戴声波技术由于其功耗低、体积小、易于制造和无源/无线能力等优点，在可穿戴电子、传感、声流控和芯片实验室等领域有着广泛的应用，近年来引起了人们的极大关注。最近，在下一代基于声波的柔性电子器件的合理设计结构的技术开发、制造和表征方面做出了巨大努力。

湖南大学机械与车辆工程学院、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、英国诺森布里亚大学工程与环境学院、深圳大学物理与能源学院深圳先进薄膜及其应用重点实验室、英国格拉斯哥大学工程学院生物医学工程系、英国爱丁堡大学工程学院多尺度热流研究所、浙江大学信息科学与电子工程学院、湖南大学大湾区创新研究院等组成的研究团队，近期发文《Applied Physics Reviews》（Applied Physics Reviews 10, 021311 (2023)；https://doi.org/10.1063/5.0142470；Flexible and wearable acoustic wave technologies），综述了柔性可穿戴声波器件的基本原理、设计、制造和应用方面的进展，讨论了高性能柔性和可穿戴声波器件在材料选择（包括柔性基底和压电膜）和结构设计方面的挑战，综述了制造策略、波模理论、工作机制、受弯承载性能和性能/评估方面的最新进展。

表面声波（SAW）是指在基板表面传播的声波，其大部分波能位于表面区域或其附近。SAW通常使用称为叉指换能器（IDT）的电极产生，叉指换能器是沉积在压电材料上的周期性梳状金属指状结构。当施加与IDT具有相同周期的正弦电压时，从IDT产生机械振动，形成可以在材料表面上有效传播的SAW。SAW技术已广泛应用于射频通信，如滤波器和频率双工器、电声调制器、基于自旋的信息处理、量子控制、环境气体和生物化学传感、药物开发、医疗保健、医疗和生命科学以及声流学和芯片实验室（LOC）应用。它们具有功耗低、结构简单、易于制造、体积小以及无源/无线功能等优点。例如，AMDI公司和美国桑迪亚实验室最近开发了一种手持式快速诊断筛查平台，使用SAW传感器作为新冠肺炎抗体靶点检测的核心模块。

在过去的十年里，柔性、可弯曲或可穿戴SAW器件受到了广泛的关注，因为与传统和刚性SAW器件相比，它们提供了许多新的方向和新的应用。柔性声波装置具有重量轻、生物相容性好、机械性能可调等特点，由于其无线无源性的巨大优势，也可用于植入式装置。这些柔性SAW传感器还可以应用于身体，用于监测心率、体温、血压、呼吸、汗液和血液成分等健康参数，并有效地自动和远程分析相关数据，用于疾病诊断和分析。例如，柔性SAW传感器可以集成到电子皮肤中。通过优化柔性SAW设备与生物中枢神经系统之间的接口，它们可以帮助假肢实现各种传感功能，或者可以提供智能和仿生的触觉功能，这些功能可以模仿甚至超越人类皮肤的功能。此外，无线柔性压电声学平台有望用于水下通信和定位应用。

然而，目前大多数SAW器件都是在大块压电材料或刚性基板（如玻璃或硅片）上的压电薄膜上制造的。因此，它们不适合应用于可弯曲或可变形表面，或者难以与可穿戴电子设备集成。为了应用于可弯曲或可穿戴的条件下，传统的刚性SAW器件可以制造成微结构或纳米结构的器件，或者使用多传感器或融合技术分离并分布成软矩阵。然而，这种策略需要传感器的高分辨率、精度和位置分布，并且通常成本高昂且难以处理。

目前，制备柔性SAW器件的常用方法是通过减小体压电基底的厚度，体压电基底变得足够薄以实现柔性，或者直接在柔性衬底上沉积压电膜。然而，这些柔性SAW器件的设计、制造和应用面临着巨大的挑战，以下列举了一些例子。

· 体压电陶瓷的薄化过程是一个巨大的挑战。其厚度的减小将导致增加的表面损伤层、累积的机械应力以及脆性和脆性器件。

·SAW器件通常需要相当厚的压电薄膜层，其厚度可以大到SAW波长的10%。由于需要生长厚膜，这使得器件制造变得困难。

· 大多数柔性基底是无定形的，例如，许多类型的聚合物；因此，它们的晶格与所需的薄膜没有很好的匹配，因此，在薄膜和许多基底之间通常会看到较差的粘附性。

· SAW能量通常显著耗散到柔性基板中，尤其是在聚合物基板上。

· 声波特性可以随着结构厚度的减小而显著改变，例如，波模式、振幅和频率。

·随着结构厚度的显著减小，各种传感和声流体行为可以显著改变。

研究创新

当前，我们迫切需要对高性能柔性SAW器件的设计和制造的不同方面进行系统的研究，这将是其成功应用于柔性电子、可穿戴传感器、声流控和LOC的关键指导。在本文中，研究团队讨论了柔性SAW设计的最新进展，并为智能穿戴系统中的柔性电子器件和声流控LOC设计了架构，如下图所示。

先进的材料选择和结构设计首先被引入，重点是柔性电子或可穿戴设备。讨论了柔性声表面波器件的设计、制造、波模理论、机理和评价。综述了包括温度传感器、应变传感器、湿度传感器、紫外线（UV）传感器、化学传感器、生物传感器和声流控LOC系统在内的关键应用，以及它们在监测人类活动、体温、呼吸、紫外线暴露监测，并强调了与健康相关的标志和声流体学在可弯曲和三维复杂表面上的应用。最后，讨论并提出了这些柔性声表面波器件在可穿戴医疗系统和柔性声流控LOC中应用的关键挑战和未来前景。

图文快览

不同基底上的柔性SAW器件和压电薄膜材料。（a）超薄硅基底（b）柔性玻璃基板（c）PI柔性基板（d）PET基板（d）PEN基板（f）铝箔基材（g）ZnO压电薄膜的SEM图像（h）AlN压电薄膜的SEM图像（i）超薄LiNbO3（j）GaN压电薄膜的SEM图像（k）超薄石英（l）超薄PMN-PT

表：适用于柔性SAW的普通柔性基板的性能

表：常见压电材料的比较

薄膜/衬底尺寸对柔性SAW器件谐振频率的影响。（a）和（b）ZnO压电层厚度对波长为16 μm和12 μm的柔性SAW器件的谐振频谱的影响。（c）–（f）波长为64μm的ZnO/Al SAW器件的反射谱。有限元分析模拟和实验验证了波长为200μm的SAW器件的波振动模态和谐振频率，铝片厚度为（c）1500、（d）600、（e）200和（f）50 μm。（g）具有不同铝板厚度的SAW器件的S11反射谱，其在通过FEA模拟识别的频谱中的典型峰值

（a）在各种离轴角度和弯曲应变下的柔性和分层SAW器件的说明；AlN/柔性玻璃SAW器件在0°（b）和90°（c）离轴角下的实验频移和理论频率应变响应的比较，λ=20 μm。（d）ZnO/Al器件在加载（路径“ABCF”）、卸载（路径“CD”）和重新加载（路径（路径“DE”）过程中的应力-应变曲线；（e）杨氏模量和卸载后塑性应变之间的关系由点“D”表示；（f）坐标系和中性层，用于计算纯弯曲过程中柔性ZnO/Al SAW器件的应变/应力分布。（g）ZnO/Al柔性SAW器件在条件1和条件2下的应变分布，标称应力超过铝基底的弹性极限。在条件1（h）下，根据密度、应力、弹性常数和波长的变化作为应变的函数，以及在条件2（i）下，通过密度、弹性常数、波长的函数计算的总频移。由这两个极端条件（1和2）确定的预期频移区域和趋势如（j）所示

柔性SAW温度传感器对象显示；（a）示出具有20对IDT的SAW器件的图像；（b）兰姆模式波和瑞利模式波的谐振频率随温度的变化而变化。（c）不同铝基底上ZnO SAW样品的TCF值作为归一化波长λ/h的函数的总结。（d）用于皮肤温度监测的可佩戴SAW贴片；（e）SAW在不同温度下的频率响应示例。（f）无线温度SAW设备的设计和结构以及测试设备的照片

柔性应变传感器性能图。（a）图像显示了40°弯曲前后的PET基板ZnO/PET SAW器件（b）图像显示了弯曲测试的实验设置和传感器的特写照片（c）柔性LiNbO3上的SAW器件的照片（d）柔性石英上SAW器件的照片（e）柔性SAW器件在不同手腕弯曲状态和（f）离轴角α为0°、30°和60°时的频移（g）拉伸前后GaN SAW基电子皮肤的照片（应变=10.3%）（h）基于GaN SAW的电子皮肤的可重复使用性和长期佩戴性的评估（i）使用电子皮肤形式的GaN SAW应变传感器进行无线脉冲测量

表：柔性声表面波应变传感器的最新发展和特点

（a）PI基底上的柔性SAW器件的图像（b）没有/有T-ZnO MN的柔性SAV传感器的湿度响应的比较（c）在均匀和连续呼吸过程中，具有和不具有T-ZnO MN的柔性SAW传感器的谐振频率变化。（d）用聚酰亚胺PCB封装并安装在PET上的柔性SAV器件（e）使用附在手腕上的柔性SAW进行呼吸检测的实验装置（f）柔性SAW湿度传感器在5个呼吸周期后的频率变化，SAW设备波长为16 μm（g）弯曲状态下柔性SAW传感器的照片，以及柔性湿度传感器的频移（λ = 12 μm），弯曲角度为30°（h）所提出的无线无源SAW呼吸传感器系统的传感机制和测量数据的示意图

总结

本文讨论了用于柔性/可穿戴电子和声流体LOC的柔性SAW器件的设计和制造的最新进展。它们在温度传感器、应变传感器、湿度传感器、紫外线传感器、化学传感器和生物传感器等柔性电子领域的应用前景广阔。它们在声流控器件和LOC方面也显示出巨大的潜力。考虑到不同传感器的要求，设计了不同的基底材料和压电薄膜材料或单晶压电薄膜。

基于压电效应，研制出了稳定性高、响应快、使用寿命长、无线无源的柔性声表面波温度传感器。基于变形效应，柔性SAW应变传感器具有高精度、大传感范围、快速响应和良好的重复性。基于质量负载效应，研制出灵敏度高、迟滞小、响应快、实时监测的柔性声表面波湿度传感器。基于声电效应，开发了具有良好线性、高分辨率和重复性的柔性声表面波紫外传感器。此外，基于柔性SAW与液体介质的显著波积分，已经报道了柔性声流体学和LOC器件。最后，讨论了用于可穿戴系统的无线无源柔性声表面波传感器的集成。

主要挑战和未来机会

尽管柔性SAW器件显示出许多独特的特性，但它们在未来的应用中仍然存在挑战和机遇。

· 为了实现与人体或皮肤的良好兼容性和一致性，有必要开发用于SAW器件的超薄、超轻、可拉伸和兼容的柔性基板。此外，在这种柔性基板上制造高性能（例如，机电耦合系数和质量因子）SAW器件是一个挑战，并且已经探索了各种方法，因为声波和能量在柔性基板中容易衰减。

· 在柔性基底上，特别是在许多类型的非晶和柔性衬底上制备具有大压电系数和高速度的厚压电膜是困难的。材料工程，如晶格匹配、高应力和薄膜与基底之间的差粘附性，一直是这一研究方向的重点。

·很难制造用于感测的具有高得多频率（或微米或亚微米SAW波长）的高度小型化和集成的柔性SAW器件，或用于声流应用的具有高机电耦合和高波幅的器件。这可以通过薄膜和衬底材料的选择、优化和匹配来解决。

· 用于实现SAW器件的高性能单晶压电层的离子切割和研磨技术复杂、昂贵，并且用于制造工艺的大块材料的利用率非常低。所制造的装置不能实现复杂的变形和易碎。因此，薄膜加工和优化应该是大规模生产柔性SAW器件的关键技术。

·各种柔性SAW传感器在弯曲状态下的传感机制尚未得到很好的理解。

· 如何折衷器件的灵活性以及柔性SAW传感和微流体的性能是一个主要问题。这将在很大程度上取决于材料研究、选择和器件设计以及柔性SAW器件的集成。

·对于传感和微流体应用的振动模式缺乏系统的研究。在弯曲状态下，波的振动模式可能会发生变化，多层介质会导致边界条件的复杂性和更多波模式的产生，不同声模式的应变微扰理论需要进一步探索。迫切需要进行理论研究和计算模拟。

·应高度重视开发技术，并将可穿戴传感器与数据收集、存储或分析设备集成，以实现可穿戴和智能微系统。

· 应探索新的应用，以拓宽柔性SAW器件在机器人、医疗保健和安全方面的应用。应该探索可用于同时检测多个信号的可佩戴传感系统。

· 应探索用于植入式电子产品的生物相容性材料的组合。

·将人工智能技术集成到柔性声表面波传感器阵列和片上实验室中，实现多参数解耦，使柔性声表面波系统更加多功能、智能、准确。

· 为了实现SAW无线查询，阅读器通常需要传输大的传输功率，因此，为了适应人体或皮肤或纺织品表面的长期使用，节省能源并提高传感稳定性，柔性SAW设备可以与无线功能或能量收集设备集成，如摩擦电纳米发电机（TENG）。

基于目前的研究进展和未来的需求，研究团队认为在柔性压电器件领域有四个很有前途的研究方向。

· 在柔性基底上开发具有大压电系数、高晶体取向、低内应力和强粘附性的新型高性能压电薄膜材料（如掺杂AlN或ZnO）至关重要，因为提高压电薄膜的质量对于提高Q因子和提高柔性SAW器件的性能至关重要。此外，还应开发新的压电薄膜沉积方法。

·为了实现平面和曲面配置之间监测结果的一致性，开发对应变不敏感的柔性SAW器件是至关重要的，因为柔性SAW设备的频移可能会受到应变和机械变形的显著影响。实现这一点的一个很有前途的方法是提出一种从柔性声表面波的散射参数中提取关键信息的方法，并结合机器学习或人工智能（AI）方法来解耦多参数影响，并在柔性声表面波传感到曲面监测中实现抗应变干扰效果。

· 实现柔性SAW传感器阵列技术也是一个很有前途的方向，它可以提供优于单个传感器设备的几个优点。传感器阵列可以同时检测多种分析物，从而能够对给定的测试样本进行更全面的分析。这可以节省时间和资源，同时提高测量的准确性和灵敏度。

· 柔性SAW传感器可以实现实时无线和被动监测，使其成为植入式设备的候选产品，在疾病预防和治疗中发挥重要作用。此外，将柔性声表面波传感器与人工智能相结合，可以对多个参数进行智能处理和分析，为远程监测和控制带来更准确可靠的传感。这些设备在开发智能手表、腕带和眼镜等智能穿戴设备方面具有巨大潜力，这些设备可以通过监测心率、血压、血糖、呼吸频率和睡眠等多个参数来提供全面的健康评估。

原文来源：Applied Physics Reviews 10, 021311 (2023)；https://doi.org/10.1063/5.0142470；Flexible and wearable acoustic wave technologies

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内容来源：Prosynx

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