面向智慧医疗与环境监测的新选择——自供电超宽频声传感器
一、研究背景
在智慧城市、医疗健康、语音识别、水下通信等应用中，声波作为关键信号载体扮演着重要角色。传统声传感器主要基于压电或电容原理，存在频带狭窄、灵敏度低、依赖外部供电等问题，难以应对多频复杂环境。
摩擦电声传感器因具备自供电能力而受到关注，然而在高频响应与能量输出方面仍面临瓶颈。而压电传感器虽然在高频段稳定，但在低频段信号易衰减。因此，亟需一种兼具超宽频响应、自供电能力和高灵敏度的新型声学传感平台，满足从环境感知到医学成像的多场景需求。
二、文章概述
该研究提出并实现了一种“超宽频混合式自供电声传感器（UWAS）”，耦合摩擦电与压电效应，并引入具有周期性梯形凹槽的声超构透镜（PTGs-AML）进行声波聚焦调控。该工作基于摩擦电与压电效应耦合的能量转换机制，并结合具有周期性梯形凹槽的声超构透镜（PTGs-AML），开发了一种新型的具备超宽频率响应范围的自供电声传感器（UWAS），在材料设计、结构调控与器件性能方面实现了多重突破。通过构建摩擦层与ZnO纳米线之间的协同换能路径，显著提升了声传感器的输出性能；同时引入梯形凹槽结构对声波进行有效整形与聚焦，使声传感器的灵敏度和信噪比同步提升。最终该器件实现了 20 Hz-50 MHz 的超宽频率响应范围，并在多个关键频率点展现出优异性能：例如在 60 kHz 时达到 11.3 V/Pa 的灵敏度，在 150 kHz 时实现高达 67 dB 的信噪比（SNR）。此外，UWAS 可根据频率展现可调控的空间指向性——低频为全向（53 Hz）、中频为单向（50 kHz）、高频为多向聚焦（13 MHz）。该器件完全无需外部供电，具有良好的集成性和长期稳定性。在实际应用验证中，UWAS 实现了高保真音乐采集、环境噪声监测（误差小于 1 dB，与商用声级计高度一致），并成功应用于静脉血管与膝关节积液的超声成像。该成果不仅为声学传感器设计提供了新路径，也为未来智慧医疗和声学交互等多模态系统的构建奠定了坚实基础。
该成果以“Ultra-Wideband Hybrid Triboelectric–Piezoelectric Acoustic Sensors Enabled by Acoustic Metasurface Lens for Environment Perception and Medical Imaging” 为题发表在Advanced Functional Materials上。
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202513202
三、图文导读
图1. UWAS的结构与声学传感器应用场景示意图。(a) 声传感器在不同频率声波下的典型应用场景；(b) UWAS的结构组成与表征；(c) 采用周期性梯形凹槽声超构透镜（PTGs-AML）增强声传感性能的原理示意图。
图2. UWAS的工作原理示意图。(a) UWAS的四个工作阶段；(b) ZnO纳米线压电传感器受到向上压力作用下的输出电流；(c) ZnO纳米线压电传感器受到向下压力作用下的输出电流；(d) 摩擦电传感器在相同外力作用下的输出电流；(e) 耦合摩擦电与压电效应后的传感器在相同外力下的输出电流；(f-g) 摩擦电传感器在不同工作状态下的电势分布对比；(h-i) 耦合摩擦电-压电传感器在不同工作状态下的电势分布对比。
图3. PTGs-AML的声聚焦效果。(a) 周期性梯形凹槽声超透镜的结构尺寸及实物图；(b) 梯形凹槽区域的声压分布；(c) 矩形与梯形凹槽开口处的透射声压比较；(d) 矩形与梯形凹槽的声超构透镜在80 kHz声波激励下的聚焦性能对比；(e) 2 MHz声波激励下的仿真声场分布图；(f) 2 MHz声波激励下的实验声场分布图。
图4. UWAS的声-电响应特性。(a) UWAS的频率响应范围；(b) UWAS实验测试平台示意图；(c) UWAS在线性扫频模式下的输出电压；(d) 对应的短时傅里叶变换（STFT）谱图；(e) UWAS在53 Hz下的声学指向性分布；(f) UWAS的信噪比曲线；(g) UWAS在50 kHz下的声学指向性分布；(h) UWAS的灵敏度随频率变化曲线；(i) UWAS在13 MHz下的声学指向性分布。
图5. UWAS在可听频段下的实际应用。(a) 音乐采集示意图；(b) 通过UWAS采集音乐后的信号处理流程；(c) 原始无损音频与UWAS采集音频的波形图与声谱图对比；(d) 噪声污染的来源与危害；(e) UWAS与商用声级计的噪声监测性能对比。
图6. UWAS在医学成像中的实际应用。(a) UWAS在静脉血管成像与膝关节积液成像中的应用示意图；(b) 静脉血管的超声成像图像；(c) 膝关节积液的超声成像图像。
四、总结
综上所述，该研究成功构建了一种耦合摩擦电与压电效应协同换能机制、并集成声学超构透镜的超宽频自供电声传感器（UWAS）。该器件在频率响应范围、灵敏度、信噪比与方向调控能力等关键性能指标上均达到先进水平，并实现了完全自供电运行，在多个真实场景中展现出稳定可靠的信号采集能力。UWAS 具备优异的结构可扩展性与系统集成潜力，可广泛适用于高保真音频采集、环境智能监测、生物超声成像等应用领域。其宽频、免供电的特性，标志着声传感技术向高性能、低功耗、智能化方向迈出了关键一步，也为构建下一代自适应声学感知系统和绿色低碳智能设备奠定了技术基础。