具有高靈敏度、低檢測下限和寬頻譜響應的壓力傳感器可以用于構建人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)語音的探測與識別，在醫(yī)療健康領域具有非常重要的應用價值。然而，傳統(tǒng)壓力傳感器的靈敏度有限，檢測極限不理想，限制了其在聲學器件領域的應用。

清華大學集成電路學院任天令教授團隊報道了一種基于微結構襯底的MXene聲學傳感器，用于模仿人耳膜的功能來實現(xiàn)聲音的探測與識別。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)異的物理和化學特性，已經(jīng)被廣泛應用于傳感器領域。Ti3C2Tx作為MXene家族的代表，其較大的層間距和特殊二維層狀結構使Ti3C2Tx具有高的力學敏感性。微金字塔陣列結構的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和具有微金字塔結構的PDMS襯底可以實現(xiàn)聲音信號的兩級放大，獲得高的靈敏度（62kPa-1）和低的探測下限（0.1Pa），并且實現(xiàn)了聲音信號的記錄功能。通過MXene器件記錄的語音信號波形與原始音頻波形幾乎保持一致，表明具有出色的聲學傳感能力。同時，采用機器學習算法實現(xiàn)了280個語音信號的識別與分類，訓練集和測試集的準確率可以分別達到96.4%和95%。以上的研究表明柔性MXene聲學傳感器在人機交互系統(tǒng)中具有重要的應用潛力。

圖1 MXene聲學傳感器結構、工作機理及性能圖

上述相關成果以“基于高靈敏的MXene智能人工耳膜的兩級放大”（Two-stageamplificationofanultrasensitiveMXene-basedintelligentartificialeardrum）為題，于3月30日在線發(fā)表在《科學·進展》（ScienceAdvances）上。論文的通訊作者為清華大學集成電路學院任天令教授、楊軼副教授、田禾副教授和韓國科學技術院安致元（ChiWonAhn）教授，清華大學集成電路學院2022屆博士畢業(yè)生茍廣洋、2020級博士生李驍時、博士后簡錦明和田禾副教授為共同第一作者。該項目得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發(fā)計劃、北京市自然基金委、北京信息科學與技術國家研究中心等的支持。

近年來，任天令團隊致力于二維材料的基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已取得了多項創(chuàng)新成果。先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（NatureElectronics）、《自然·通訊》（NatureCommunications）等知名期刊以及國際電子器件會議（IEDM）等領域內頂級國際學術會議上發(fā)表多篇論文。