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本研究的作者包括Yanqin Huang、Hao Yu、Zilin Xiao、Mengjie Qin、Daniel M. Mulvihill、Yan Zhang、Yicheng Wang、Jian Wen、Qingshen Jing和Yonghong Cheng。他们分别来自西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室、格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院、电子科技大学物理学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所、北京服装学院材料设计与工程学院等机构。该研究于2025年发表在期刊Nano Energy上。
本研究的主要科学领域是超声传感技术，特别是基于摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的自供电超声传感器。当前，超声检测技术主要依赖于光纤、电容、压电和电磁技术，但这些技术存在制造复杂、依赖外部电源、设备笨重等局限性。TENG技术因其灵活性、轻量化设计、自供电操作和高精度等优势，逐渐成为超声检测的潜在替代方案。然而，现有的基于振动膜层的超声驱动TENG（USD-VM-TENG）存在高检测限（Detection Limit, DL）的问题，限制了其在低强度宽带超声信号检测中的应用。因此，本研究旨在通过实验揭示振动膜层的超声驱动振动特性（USD-VC），并设计一种无腔结构的USD-VM-TENG（CF-USD-VM-TENG），以显著降低检测限并提升频率分辨率。
研究主要分为以下几个步骤：
振动膜层超声驱动特性的实验揭示
研究使用3D动态激光扫描技术，首次实验揭示了振动膜层在宽频超声驱动下的振动特性。实验对象为边缘固定的FEP（氟化乙烯丙烯）膜层，其厚度为12.5微米，直径为40毫米，施加的张力为150 N/m。实验通过商业压电换能器在20-200 kHz范围内发射超声信号，并使用微系统分析仪（MSA-100-3D）扫描膜层的振动行为。实验结果表明，膜层在超声驱动下表现出多样化的高阶非线性振动行为，包括分散、局部化和集中化的正弦多模态振动。
无腔结构USD-VM-TENG的设计与优化
基于振动膜层的超声驱动特性，研究设计了一种无腔结构的USD-VM-TENG（CF-USD-VM-TENG）。该设计消除了传统腔结构中的超声驱动接触过程，使摩擦电效应独立于超声激励。研究通过实验验证了腔深度减少对检测限的影响，结果表明，无腔结构显著降低了设备的平均检测限，相比传统腔结构设备降低了1-2个数量级。
设备性能的优化与测试
研究进一步优化了CF-USD-VM-TENG的结构参数，包括膜层厚度、施加张力和设备尺寸。实验结果表明，12.5微米厚度的膜层、150 N/m的张力以及50毫米的设备直径能够实现最佳性能。优化后的设备在20 kHz下的检测限低至37.1 Pa，在20-200 kHz范围内的平均检测限为206.1 Pa。此外，设备在40 kHz下实现了最高输出和峰值灵敏度（-203.7 dB）。
设备的频率响应特性与分辨率测试
研究测试了CF-USD-VM-TENG在20-200 kHz范围内的频率响应特性，结果表明其输出随超声频率的变化呈现非单调性，这与膜层的高阶非线性振动行为有关。设备的频率分辨率高达0.001 kHz，能够有效区分多频率超声信号。
设备的稳定性与耐久性测试
研究对CF-USD-VM-TENG进行了长期运行测试，结果表明设备在20天内运行100百万次循环后仍保持稳定输出，展现了优异的耐久性。
振动膜层的超声驱动特性
实验揭示了膜层在宽频超声驱动下的多样化振动行为，包括分散、局部化和集中化的正弦多模态振动。这些振动行为对设备的输出特性具有重要影响。
无腔结构设备的检测限降低
无腔结构设计显著降低了设备的平均检测限，优化后的CF-USD-VM-TENG在20 kHz下的检测限低至37.1 Pa，在20-200 kHz范围内的平均检测限为206.1 Pa。
设备的频率响应特性与分辨率
设备在40 kHz下实现了最高输出和峰值灵敏度（-203.7 dB），频率分辨率高达0.001 kHz，能够有效区分多频率超声信号。
设备的稳定性与耐久性
设备在20天内运行100百万次循环后仍保持稳定输出，展现了优异的耐久性。
本研究通过实验揭示了振动膜层的超声驱动特性，并设计了一种无腔结构的USD-VM-TENG，显著降低了检测限并提升了频率分辨率。优化后的设备在低强度宽带超声信号检测中表现出色，具有广泛的应用潜力，包括工业无损检测、生物医学工程和军事领域。此外，本研究为TENG技术在超声相关应用中的进一步发展提供了重要指导。
创新设计
无腔结构设计显著降低了检测限，使设备能够检测低强度超声信号。
高频分辨率
设备的频率分辨率高达0.001 kHz，能够有效区分多频率超声信号。
宽频性能
设备在20-200 kHz范围内表现出色，并支持高达25 MHz的超声频率。
稳定性和耐久性
设备在长期运行测试中表现出优异的稳定性和耐久性。
本研究不仅为超声传感技术的发展提供了新思路，还为TENG技术在其他领域的应用（如无线能量传输和植入式医疗设备）提供了参考。此外，研究中对膜层超声驱动特性的深入分析为未来设备设计和优化提供了重要理论依据。
这篇报告详细介绍了研究的背景、流程、结果和意义，旨在为其他研究人员提供全面的参考。