超薄柔软的高性能电容式声学传感器设计

据麦姆斯咨询报道，作为纽约州立大学的宾厄姆顿大学声学研究的一部分，著名教授Ron Miles发明了一款电容式声学传感器，呈现出最小的运动阻力，对声音的灵敏度高至0.5伏/帕，比典型的声学传感器高出两个数量级。传感器薄且柔韧性强，是感知声音的理想选择，因为它可以随气流移动，即使是非常微弱的噪音和来自加速度计、麦克风和许多其他类似传感器带来的干扰。

“我们的目标是制造一款只抵抗重力的传感器。”Miles谈到，“该传感器需要保持与设备的连接状态，但除此之外，我希望即使是最轻微的声音或空气运动也可以让它发生移动。”能够随空气移动可以告诉传感器何时存在声音以及声音来自哪个方向。

2017年，Miles将蜘蛛丝浸在黄金中制成一款薄的柔性传感器作为麦克风，频率响应非常平坦。这款传感器使用了磁铁，作用是将蜘蛛丝的运动转换成电子信号。

作为磁铁的替代物，Miles开始研究电容传感器。电容传感器不需要磁铁，而是通过电极施加电压。

每年二十亿颗电容式麦克风的出货量，但要做到体积小、性能高，仍面临不少挑战。Miles的新平台提供了一种不使用磁铁就能检测电场变化，从而检测超薄纤维或薄膜运动的方法。

在又柔软又薄的材料上使用电容感应是不可行的，因为材料需要抵抗静电力，这些静电力可能会造成损坏或阻碍其运动。Miles说：“研究人员希望传感器从声音获得微小的力产生移动，而不受静电力的影响。”

在这项工作的最近进展中，Miles发现了一种设计，允许薄而柔软的传感器——它可以是蜘蛛丝或任何其他同样薄的材料，在两个固定电极上摆动。Miles介绍：“因为传感器和电极呈90度角，静电力不会对其运动产生影响。”这是设计的关键部分，因为传感器的灵敏度随着偏置电压升高而增加，因此需要具有高偏置电压才能进行有效操作。

这种设计意味着智能手机中使用的电容传感器可以做到体积更小，性能更佳。Miles认为独特的设计还为其他应用提供重要的优势：“这种传感器的设计方式意味着它拥有几乎恒定的势能，但也可以在大运动后恢复到平衡状态。”

Miles的研究由国家科学基金会（NSF）资助，设计专利正在申请中。这项工作最近发表在IEEE Sensors Journal上。