CN115171655B - 一种自供电的聋哑人语音识别传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种自供电的聋哑人语音识别传感器及其制备方法，属于柔性电子器件技术领域。采用金属电极/介电层/再生纤维素复合膜编织层的垂直三层结构。再生纤维素溶液与增强剂混合制成再生纤维素复合膜，表面等离子体清洗，裁剪成细条平纹编织；裁剪介电层，在介电层上制造平面电极，将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素复合膜编织层对准，正对互相接触四周固定。器件性能稳定，具有稳定的振动传感性能。具有良好机械韧性，柔软且能与皮肤形状良好贴合，易于完成振动信号的良好采集。制备工艺简单，操作简便，原料来源广泛成本低。再生纤维素复合膜废弃时可完全降解，不产生环境负担，介电层采用日常生活常见材料，维修和替换十分便利。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子器件技术领域，具体是涉及一种自供电的聋哑人语音识别传感器及其制备方法。
背景技术
全世界大约有7000万人正在遭受听力损失的困扰，这给他们的生活带来一系列问题，其中超过三分之一的人生活在中国。除了传统的人际交流，在人工智能、物联网和智能电子产品蓬勃发展的背景下，人机互动变得越来越重要。然而，消费电子行业对这些残疾人的关注较少。最近，基于图像处理或传感器嵌入式手套的手语翻译系统已经被开发出来，以消除聋哑人和普通人之间的交流障碍。然而，基于机器视觉的手语翻译系统通常需要摄像头和一定的环境条件，这限制其实际应用。同时，基于传感器的手语翻译手套则需要多通道应力应变传感器识别一个手势，从而使系统缺乏便利性、抗干扰性和耐久性：如果任何一个传感器出现故障，整个翻译系统就无法工作。此外，手语不仅用手来表达，还需要人体其他部位协助，如表情、嘴型、眼神和躯体，来表达准确的意思，并且其语法和顺序往往与自然语言不同。例如，手语说“打开卧室的灯”可能的语法顺序是“卧室/灯/打开”。这些制约因素不可避免地使手语翻译系统无法完全胜任人际交流和人机互动。
与手语不同，通过获取喉咙振动的信息进行语音识别，更直接、更方便，而且不需要任何专业培训。此外，大多数聋人只是听力损失，而他们的声带是完整的，特别是那些因后天疾病而不是先天问题而失聪的人。因此，从声带振动中识别聋哑人的语音信息有望为聋哑社群提供一种全新的方法。中国专利CN204518029U公开一种抗高分贝噪声喉振式麦克风耳机，表明了通过直接采集喉部振动获取声音的可行性。中国专利CN2448030Y公开一种便于聋哑人与人交流的语音检测系统，致力于辅助聋哑人更好交流，但没有摆脱对手语识别和图像识别的依赖。中国专利CNCN201984680U公开一种聋哑人聊天机，包括液晶键盘、手写板、扬声器、麦克风、文字处理器、声音处理器等，系统庞大不易携带，且需要聋哑人手写或键盘辅助输入信息。这些成果缺乏当设备长期佩戴时对生物安全和舒适度的考量。
天然生物材料具有优异的生物相容性、可控的生物降解性和优异的机械韧性，这些特性使它们能够被选为良好的生物相容功能材料用于柔性电子器件的制备。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供高灵敏度、良好的机械韧性、优异生物相容性和透气性，介电层易于更换，器件绿色环保可降解的一种自供电的聋哑人语音识别传感器及其制备方法。
一种自供电的聋哑人语音识别传感器，自上而下依次由再生纤维素复合膜编织层、介电层、下电极组成垂直三层平面结构；所述再生纤维素复合膜编织层为生物相容材料，呈细条平纹编织织物结构；所述介电层为与纤维素编织层相配合工作的易失电子材料层；所述下电极为金属电极，呈平面状。
所述下电极可采用磁控溅射、真空蒸镀、丝网印刷、喷墨打印等方法制造，所述下电极可采用银电极、铜电极，下电极的厚度可为300～500nm，呈平面状。
所述介电层可由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚乙烯(PE)构成。
所述再生纤维素复合膜编织层与介质层上下正对并彼此接触。下电极不与再生纤维素复合膜编织层接触。
所述再生纤维素复合膜编织层的透光率＞50％，可拉伸性超过＞20％，拉伸强度＜50MPa。
一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将再生纤维素溶液与增强剂混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；
2)待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
3)将再生纤维素复合膜裁剪成细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向的再生纤维素复合膜编织层；
4)裁剪介电层，将介电层材料裁剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
5)在介电层上制造平面电极，通过磁控溅射/真空蒸镀/丝网印刷/喷墨打印等方法制造金属银或金属铜导电薄层，厚度为300～500nm；
6)将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素复合膜编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。
在步骤1)中，所述再生纤维素为木棉/棉花材料等天然纤维素生物材料；所述增强剂为聚氨酯、甘油溶液中的至少一种，再生纤维素溶液与增强剂的质量比可为10︰1～5。
在步骤3)中，所述细条的长宽尺寸可为10mm×1mm，形状为带状，一个10mm×10mm的再生纤维素复合膜编织层上有横纵各10条按平纹方式编织的再生纤维素复合膜细条。
在步骤5)中，所述磁控溅射的条件可为腔体真空度为1×10-3Pa，溅射功率为45W，时长450s。
在步骤6)中，所述再生纤维素复合膜编织层可通过埋入自然土壤当中或纤维素酶溶液中得到有效降解，降解的速率可由掺杂材料的含量控制，降解时间可控制在1hour～1month。
本发明制备的自供电的聋哑人语音识别传感器，以天然纤维素材料为原料，具有良好力学柔性和生物相容性的纤维素薄膜电极，作为自供电振动传感器的贴合层与摩擦层，用以精确获取喉咙振动产生的全频率信息，通过机器学习，可以实现聋哑人的语音识别。
以下给出本发明的基本工作原理：
传感器在原始状态下，再生纤维素复合膜编织层与PET分离。所施加的外界压力使纤维素与PET完全接触。在这个处理过程中，两个摩擦电层之间的有效接触面积会增加。相反，当施加的压力被释放时，交汇处的接触面积将逐渐恢复到原来的状态。另一方面，由于接触起电和静电感应之间的耦合，交汇处的有效接触面积所发生的变化将诱发一个电位差。由于纤维素比PET的摩擦电性更强，纤维素膜更容易获得电子，而PET则倾向于在接触的界面上失去电子。因此，负电荷在纤维素一侧聚集，正电荷在PET一侧聚集。然后，随着接触和分离将产生一个电位差，这一过程周期性发生，导致输出电信号的变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的器件以一种再生纤维素复合膜编织层作为振动敏感层。独特的编织结构赋予了传感器在宽振动频率(0～1000Hz)下的高灵敏度，更重要的是，其振动频率检测范围很宽，足以覆盖人类声带的整个频率范围，检测误差低至<0.5％。
2、本发明的传感器具有良好的机械韧性，可拉伸性超过20％，拉伸强度为46.7MPa，杨氏模量为1.25GPa，透光率70％，弯曲刚度为0.012mN m-1，更适合贴在皮肤上。
3、本发明的器件制备工艺简单，操作简便，优异生物相容性和透气性确保了其可以安全、舒适地在皮肤上长期佩戴。
4、本发明的器件除可更换的PE/PET，所需再生纤维素复合膜编织层来源是绿色环保的生物材料，废弃器件可使用土壤降解或酶降解，作为电子元件使用不会产生环境负担。
5、本发明的传感器不仅可用于语音识别，还将在人机交互、生物密码等方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种可为聋哑人群提供语音识别的自供电振动传感器的结构示意图。图中标记为：再生纤维素复合膜编织层(L3)介电层(L2)下电极(L1)。
图2为本申请实施例1传感器对外界压力响应幅度灵敏度。
图3为本申请实施例1传感器在不同激励频率下的响应示意图。
图4为本申请实施例1传感器在对单一频率响应频率的半峰全宽和信噪比。
图5为本申请实施例1传感器连续工作的稳定性。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。在具体实施中，实验室内室温始终保持在25摄氏度，湿度始终在60％以下。
如图1，一种自供电的聋哑人语音识别传感器，自上而下依次由再生纤维素复合膜编织层L3、介电层L2、下电极L1组成垂直三层平面结构；
所述再生纤维素复合膜编织层为生物相容材料，呈细条平纹编织织物结构；所述再生纤维素复合膜编织层的透光率＞50％，可拉伸性超过＞20％，拉伸强度＜50MPa。
所述介电层为与纤维素编织层相配合工作的易失电子材料层；介电层由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚乙烯(PE)构成。再生纤维素复合膜编织层与介质层上下正对并彼此接触。
所述下电极为金属电极，下电极可采用磁控溅射、真空蒸镀、丝网印刷、喷墨打印等方法制造，所述下电极可采用银电极、铜电极，下电极的厚度可为300～500nm，呈平面状。下电极不与再生纤维素复合膜编织层接触。
一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，包括以下步骤：
a)将木棉/棉花材料等天然纤维素生物材料制得的再生纤维素溶液与增强剂混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；所述增强剂为聚氨酯、甘油溶液中的至少一种，再生纤维素溶液与增强剂的质量比可为10︰1～5。
b)待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
c)将再生纤维素复合膜裁剪成1mm宽细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向的再生纤维素复合膜编织层；编织再生纤维素细条尺寸为10mm×1mm，形状为带状，一个10mm×10mm的再生纤维素复合膜编织层上有横纵各10条按平纹方式编织的再生纤维素复合膜细条。
d)裁剪介电层，将商用PET或PE裁剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
e)在介电层上制造平面电极，通过磁控溅射/真空蒸镀/丝网印刷/喷墨打印等方法制造金属银或金属铜导电薄层，厚度为300～500nm；磁控溅射条件为腔体真空度为1×10-3Pa，溅射功率为45W，时长450s。
f)将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素复合膜编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。整个再生纤维素复合膜编织层可通过埋入自然土壤当中或纤维素酶溶液中得到有效降解，器件的降解的速率可由掺杂材料的含量控制，降解时间可控制在1hour～1month。
实施例1
第一步：将木棉/棉花材料等天然纤维素生物材料制得的再生纤维素溶液与增强剂以一定比例相混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；
第二步：待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
第三步：将再生纤维素复合膜裁剪成1mm宽细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向分别10条的再生纤维素复合膜编织层；
第四步：裁剪介电层，将商用PET裁剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
第五步：在介电层上制造平面电极，通过磁控溅射方法制造金属银的导电薄层，厚度为300～500nm；
第六步：将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素复合膜编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。
图2为实施例1传感器对外界压力响应幅度灵敏度；图3为实施例1传感器在不同激励频率下的响应示意图。图4为实施例1传感器在对单一频率响应频率的半峰全宽和信噪比。图5为实施例1传感器连续工作的稳定性。由图可见，本发明器件采用金属电极/介电层/再生纤维素复合膜编织层的垂直三层结构，性能稳定，具有稳定的振动传感性能。器件具有良好的机械韧性，柔软且能与皮肤形状良好贴合，易于完成振动信号的良好采集。相比于同类型器件，本发明制备工艺简单，操作简便，原料来源广泛成本低。再生纤维素复合膜作为一种绿色环保的生物材料，废弃时可完全降解，不会产生环境负担，而介电层则是日常生活常见材料，维修和替换十分便利。
实施例2
第一步：将木棉/棉花材料等天然纤维素生物材料制得的再生纤维素溶液与增强剂以一定比例相混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；
第二步：待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
第三步：将再生纤维素复合膜裁剪成0.5mm宽细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向分别15条的再生纤维素复合膜编织层；
第四步：裁剪介电层，将商用PET裁剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
第五步：在介电层上制造平面电极，通过磁控溅射方法制造金属银的导电薄层，厚度为300～500nm；
第六步：将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素复合膜编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。
其中，第三步区别于实施例1为使用了不同尺寸和不同数量的再生纤维素复合膜细条构成编织层。
实施例3
第一步：将木棉/棉花材料等天然纤维素生物材料制得的再生纤维素溶液与增强剂以一定比例相混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；
第二步：待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
第三步：将再生纤维素复合膜裁剪成1mm宽细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向分别10条的再生纤维素复合膜编织层；
第四步：裁剪介电层，将商用聚酰亚胺(PI，Kapton)裁剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
第五步：在介电层上制造平面电极，通过磁控溅射方法制造金属银的导电薄层，厚度为300～500nm；
第六步：将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。
其中，第四步区别于实施例1为使用了不同材质的介电层。
实施例4
第一步：将木棉/棉花材料等天然纤维素生物材料制得的再生纤维素溶液与增强剂以一定比例相混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；
第二步：待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
第三步：将再生纤维素复合膜裁剪成1mm宽细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向分别10条的再生纤维素复合膜编织层；
第四步：裁剪介电层，将商用PET剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
第五步：在介电层上制造平面电极，通过真空蒸镀方法制造金属铜的导电薄层，厚度为300～500nm；
第六步：将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。
其中第四步区别于实施例1采用真空蒸镀的方式制备电极，电极的制备方式和材质不同。
本发明以天然纤维素材料为原料，制备出具有良好力学柔性和生物相容性的纤维素薄膜电极，作为自供电振动传感器的贴合层与摩擦层，用以精确获取喉咙振动产生的全频率信息，通过机器学习，实现聋哑人的语音识别。该振动传感器不仅可用于语音识别，还将在人机交互、生物密码等方面具有广阔的应用前景。
上述实施例仅说明本发明的原理和功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的普通技术人员可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。凡属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所覆盖。
Claims (8)
1.一种自供电的聋哑人语音识别传感器，其特征在于自上而下依次由再生纤维素复合膜编织层、介电层、下电极组成垂直三层平面结构；所述再生纤维素复合膜编织层为生物相容材料，呈细条平纹编织织物结构；所述介电层为与纤维素编织层相配合工作的易失电子材料层；所述下电极为金属电极，呈平面状；
所述再生纤维素复合膜编织层与介质层上下正对并彼此接触，下电极不与再生纤维素复合膜编织层接触；
所述再生纤维素复合膜编织层的透光率＞50%，可拉伸性超过＞20%，拉伸强度＜50MPa。
2.如权利要求1所述一种自供电的聋哑人语音识别传感器，其特征在于所述下电极采用磁控溅射、真空蒸镀、丝网印刷、喷墨打印制得；所述下电极采用银电极或铜电极；所述下电极的厚度为300～500nm。
3.如权利要求1所述一种自供电的聋哑人语音识别传感器，其特征在于所述介电层由聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯构成。
4.一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将再生纤维素溶液与增强剂混合，无气泡分散在培养皿内，蒸发水分后形成平整光滑透明的再生纤维素复合膜；
2）待再生纤维素复合膜制成，对再生纤维素复合膜表面进行等离子体清洗处理；
3）将再生纤维素复合膜裁剪成细条，按平纹织物的编制方法编织成横纵方向的再生纤维素复合膜编织层；
4）裁剪介电层，将介电层材料裁剪成与再生纤维素复合膜编织层相同大小；
5）在介电层上制造平面电极，通过磁控溅射/真空蒸镀/丝网印刷/喷墨打印方法制造金属银或金属铜导电薄层，厚度为300～500 nm；
6）将介电层无电极覆盖的一面与再生纤维素复合膜编织层对准，正对互相接触并四周固定，使得再生纤维素复合膜编织层与介电层成为整体一个器件。
5.如权利要求4所述一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述再生纤维素采用天然纤维素生物材料，包括木棉、棉花材料；所述增强剂为聚氨酯、甘油溶液中的至少一种，再生纤维素溶液与增强剂的质量比为10︰1～5。
6.如权利要求4所述一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述细条的长宽尺寸为10mm×1mm，形状为带状，一个10 mm×10 mm的再生纤维素复合膜编织层上有横纵各10条按平纹方式编织的再生纤维素复合膜细条。
7.如权利要求4所述一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，其特征在于在步骤5）中，所述磁控溅射的条件为腔体真空度为1×10-3Pa，溅射功率为45 W，时长450 s。
8.如权利要求4所述一种自供电的聋哑人语音识别传感器的制备方法，其特征在于在步骤6）中，所述再生纤维素复合膜编织层通过埋入自然土壤当中或纤维素酶溶液中降解，降解的速率由掺杂材料的含量控制，降解时间控制在1 hour～1 month。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210892666.7A CN115171655B (zh) | 2022-07-27 | 一种自供电的聋哑人语音识别传感器及其制备方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115171655A CN115171655A (zh) | 2022-10-11 |
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ID=
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 纳米纤维素在柔性传感器中的应用;孙鹏等;生物医学工程学杂志;20220119;第39卷(第01期);185-190 * |
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