中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
目前，聲表面波（SAW）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、微流控、聲鑷、量子聲學(xué)和單電子控制等領(lǐng)域。值得一提的是，由于具有實(shí)現(xiàn)無(wú)線/無(wú)源操作和小型化設(shè)計(jì)的能力，SAW技術(shù)非常適合各種傳感應(yīng)用。近年來(lái)，柔性或可彎曲SAW器件備受關(guān)注，因?yàn)榕c剛性和傳統(tǒng)器件相比，它們能夠提供更多新的應(yīng)用場(chǎng)景。這些柔性SAW器件具有重量輕、生物相容性好、與物體表面的機(jī)械適配性可調(diào)等顯著特點(diǎn)，顯示了它們?cè)谇嫘盘?hào)監(jiān)測(cè)方面的巨大潛力。在過(guò)去的十年中，人們開(kāi)發(fā)了各種類型的柔性SAW器件，并在開(kāi)發(fā)具有良好傳感性能的柔性物理/生化傳感器方面取得了重大進(jìn)展。
柔性和可彎曲性是柔性SAW傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵特性。然而，這些柔性SAW器件面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，在不同的彎曲條件下（或在各種機(jī)械應(yīng)變下），它們會(huì)出現(xiàn)明顯的頻率偏移或信號(hào)干擾，這主要是由于聲波速度的變化（聲彈性效應(yīng)）和叉指換能器（IDT）的變形造成的。這些信號(hào)變化不是由目標(biāo)傳感信息引起的，而是由與平面狀態(tài)相比的外加應(yīng)變或變形引起的。這種應(yīng)變引起的頻率偏移會(huì)強(qiáng)烈干擾目標(biāo)傳感信號(hào)（例如紫外線（UV）信號(hào)、氣體分子信號(hào)或生物信號(hào)），導(dǎo)致這些柔性SAW傳感器的精度或穩(wěn)定性降低。通常情況下，采用參考樣品可以減輕這種變形和彎曲應(yīng)變的影響，但這種方法會(huì)使整個(gè)傳感平臺(tái)變得復(fù)雜。
在隨機(jī)彎曲條件下，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)柔性SAW傳感器平臺(tái)進(jìn)行一致性檢測(cè)
為了追求可靠而精確的柔性聲波傳感系統(tǒng)，來(lái)自湖南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在之前的一項(xiàng)研究中采用了一種離軸設(shè)計(jì)，最大限度地降低了氮化鋁（AlN）/超薄玻璃基柔性SAW器件的彎曲應(yīng)變效應(yīng)。這種器件級(jí)設(shè)計(jì)方法可減輕彎曲應(yīng)變引起的信號(hào)變化，從而提取出完全來(lái)自于預(yù)期監(jiān)測(cè)參數(shù)的信號(hào)。然而，盡管這種方法很有效，但也有一定的局限性，例如對(duì)SAW器件的薄膜沉積質(zhì)量、波長(zhǎng)和薄膜厚度比有嚴(yán)格要求，從而阻礙了它的廣泛應(yīng)用。因此，迫切需要新的方法來(lái)消除這些柔性SAW器件的彎曲應(yīng)變引起的信號(hào)變化，并只獲得目標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。然而，目前針對(duì)這一挑戰(zhàn)的研究還很少。
為解決上述挑戰(zhàn)，近期，湖南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在之前研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種基于沉積在超薄柔性玻璃基板上的鋁鈧氮（AlScN）薄膜的柔性SAW傳感器，然后研究了應(yīng)變和紫外線對(duì)柔性SAW器件傳感特性的影響。此外，研究人員還通過(guò)理論計(jì)算分析了彎曲應(yīng)變對(duì)SAW器件性能的影響。
AlScN/玻璃基柔性SAW器件的彎曲變形和紫外線傳感特性
研究人員通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立了一個(gè)回歸模型，將SAW器件的響應(yīng)信號(hào)特征與動(dòng)態(tài)應(yīng)變擾動(dòng)下的目標(biāo)敏感參數(shù)（例如本研究中的紫外線強(qiáng)度）相關(guān)聯(lián)。在此模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了可以消除應(yīng)變干擾的柔性SAW傳感平臺(tái)。
應(yīng)變彎曲狀態(tài)下柔性SAW器件的紫外線傳感
研究人員還比較了使用多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建的模型的綜合預(yù)測(cè)性能，包括多元線性回歸（MLR）、多項(xiàng)式回歸（PR）、嶺回歸（Ridge）、穩(wěn)健回歸（Robust）、彈性網(wǎng)絡(luò)回歸（ENR）、決策樹(shù)（DTR）、隨機(jī)森林（RFR）和極端梯度提升（XGBoost）。此外，研究人員還利用SHapley Additive exPlanations（SHAP）值來(lái)解釋和研究在各種動(dòng)態(tài)應(yīng)變條件下輸入特征變量模式對(duì)紫外線強(qiáng)度預(yù)測(cè)的影響。
紫外線強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的綜合分析
最后，研究人員利用隨機(jī)選擇的驗(yàn)證集驗(yàn)證了該模型的通用性，在按比例縮小的航天器模型上進(jìn)行了概念演示，并證明了不同曲面和平面的紫外線檢測(cè)結(jié)果的一致性。研究結(jié)果表明，研究人員開(kāi)發(fā)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的柔性紫外線SAW傳感器為各種創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。例如，在航空航天應(yīng)用中，紫外線傳感器可以戰(zhàn)略性地放置在飛機(jī)或衛(wèi)星的曲面上，以監(jiān)測(cè)紫外線輻射，這對(duì)于了解空間天氣效應(yīng)和確保航天器材料的使用壽命至關(guān)重要。
動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的紫外線強(qiáng)度預(yù)測(cè)
柔性SAW傳感應(yīng)用的概念驗(yàn)證
綜上所述，本研究在超薄柔性玻璃基底上制作了具有c軸優(yōu)先取向的AlScN薄膜，并制作了柔性SAW傳感器，研究了柔性SAW器件的應(yīng)變和紫外線傳感特性，并從理論上分析了彎曲或變形對(duì)紫外線傳感過(guò)程中頻率偏移的影響。此外，研究人員還提出了一種預(yù)測(cè)紫外線強(qiáng)度等目標(biāo)參數(shù)的新策略，即利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立響應(yīng)信號(hào)特征與參數(shù)之間的回歸模型。這種策略有效地減少了動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)變對(duì)柔性SAW器件傳感性能的影響，從而能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的紫外線強(qiáng)度。結(jié)果表明，在0~1160 με的應(yīng)變干擾下，基于XGBoost算法的模型具有最佳的紫外線（目標(biāo)）預(yù)測(cè)性能，決定系數(shù)為0.996，歸一化均方根誤差為0.019。為了證明所提出的技術(shù)的潛在作用，研究人員隨機(jī)在航天器模型曲面的四個(gè)不同位置上粘貼了柔性SAW傳感器，包括平面狀態(tài)和曲率半徑分別為14.5 cm、11.5 cm和5.8 cm的三個(gè)曲面。在隨機(jī)彎曲的條件下，柔性SAW傳感器表現(xiàn)出高度可靠和穩(wěn)定的紫外線傳感性能，與在平面上獲得的數(shù)據(jù)相比，最大相對(duì)誤差僅為3.1%。
總而言之，這項(xiàng)研究為柔性SAW傳感器實(shí)現(xiàn)可靠、一致的高精度傳感提供了有效的解決方案，避免了應(yīng)變或變形干擾。相關(guān)研究成果以“Achieving consistency of flexible surface acoustic wave sensors with artificial intelligence”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
