文 | 赋墨尘

编辑 | 赋墨尘

前言

我们现在都知道，能源转化器非常有前途，而迷你化和高精度对于摩擦电纳米发电机至关重要。

这项研究将摩擦电纳米发电机与微机电系统技术相结合，成功研制出一种微型摩擦电超声设备，创造了世界上最小的摩擦电器件记录。

它的振膜只有50微米，而且可以在兆赫兹的频率下工作，这对于将摩擦电纳米发电机变得更小和芯片集成起到了巨大作用。

这个微型设备可以将超声波（高频声音）转化成电能，能够处理高达1兆赫兹频率的超声波，通过使用不同的介质，它可以产生不同大小的电压信号，最高可达16.8毫伏，信号与噪音的比例达到了20.54分贝，还可以通过改变传入的超声波来进行信号通信。

这项研究开辟了一条新的道路，将声音能量转化为电能，并将微型化技术与通信能力相结合。这对于未来的能源转化和通信系统有着巨大的潜力。

摩擦电声学传感器的突破性发展

声能传输 (AET) 是一项备受关注的领域，它涉及将声音能量转化为电能，这在低功耗能源传输方面具有广泛的应用前景。

迄今为止，许多AET系统都采用了一种名为锆钛酸铅（PZT）的传感器技术，这些传感器的尺寸从毫米到厘米不等。

近年来，摩擦电纳米发电机（TENG）的兴起引发了人们对新兴能源转化技术的兴趣，这项技术可以将机械能转化为电能，因此被视为一种有望取代传统技术的替代解决方案。

TENG技术的灵感源于其简单的构造、更广泛的材料选择和可产生特定输出的能力，在过去的十年里，已经得到了广泛的研究和演示，包括一些嵌入式应用。

尽管有报道尝试直接利用人体内的机械能来供电，但植入的位置受到限制，而且输出功率不稳定，与芯片的集成度也不高。

为了解决这些问题，科学家们致力于开发一种自供电摩擦电声学传感器（TAS），它可以将声音能量转化为电能。

目前的TAS大多只能收集可听见的声音信号，而无法满足超声波频率范围内的应用需求。

在AET中，通常需要使用超声波范围的频率，大多数超声波传感器在共振模式下工作时表现出最佳性能。

由于目前所有已报道的TAS都基于薄膜制造，当它们的谐振频率达到超声波范围时，它们的尺寸接近亚毫米，这对于传统制造方法来说是一项挑战。

为了解决这一问题，研究人员开展了一项基于TENG和微机电系统（MEMS）技术的研究，他们开发了一种微型摩擦电超声器件（μTUD），在μTUD中，硅和氧化硅被用作摩擦电对，并且创建了真空腔以消除外部环境对装置性能的负面影响。

这项研究的突破之处在于，他们通过MEMS工艺制造了μTUD，将TENG技术推向了微观尺度，μTUD的工作频率达到了前所未有的1.17兆赫兹，适用于超声波范围的应用。

他们还演示了μTUD通过不同介质（包括油和消音介质）产生了电压信号，为AET提供了实际应用的潜力，进行了脉冲实验，实现了20.54分贝的信噪比，这表明μTUD可以用于信号通信。

通过理论分析，他们估计μTUD的能量转换效率可能高达33%，这项研究推动了TENG技术的小型化和集成化，为未来的摩擦电器件设计提供了新的思路。

MEMS技术与TAS集成挑战

在开发声学设备时，一个主要的问题是它们通常需要相对庞大的体积，因为它们包括多个不同的部件，如传感器和电路。

如果我们能够将所有这些部件都集成到一个小芯片上，那将会极大地减小整个系统的体积，这就是微机电系统（MEMS）技术的价值所在。

MEMS技术是一种非常有前途的技术，它可以用来制造微小的机械结构，其尺寸可以从微米到毫米不等。

在过去几十年中，人们已经提出了各种不同工作原理的MEMS声学传感器。

MEMS声学传感器之所以受欢迎，是因为它们可以小型化、批量生产，并且更容易与其他电子系统集成。

将摩擦电纳米发电机（TENG）和MEMS器件集成以解决小型化和高精度问题仍然具有一定挑战性。

要理解为什么小型化对声学设备如此重要，我们可以想象一下，如果你想要将声学设备嵌入到某个小型装置或系统中，而这个声学设备的尺寸很大，那就无法实现了，制造这些大型声学设备通常需要大量的资源和材料，成本也会相应增加。

我们需要一种方法来将这些声学设备变得更小，更容易集成到其他系统中，并且能够以更低的成本制造，这就是MEMS技术发挥作用的地方。

MEMS技术允许我们以微小的尺寸制造复杂的机械结构，这些结构可以执行各种功能，包括感应声音。

这意味着我们可以制造小型的声学传感器，而不需要大型设备，不仅降低了设备的体积，还降低了制造成本，使其更易于大规模生产。

将TENG与MEMS集成以解决小型化和高精度问题并不容易，MEMS声学传感器通常用于收集可听见的声音信号，其频率通常在数百赫兹到数千赫兹之间。

某些应用需要在超声波范围内操作，这意味着声音的频率要更高。

由于MEMS声学传感器通常是基于膜的，当谐振频率达到超声波范围时，它们的尺寸通常会变得相对较大。

这就是为什么制造小型的、工作在超声波范围内的声学设备一直具有挑战性的原因。

在这项工作中，研究人员采用了一种创新的方法，通过将TENG和MEMS技术相结合，制造了微型摩擦电超声器件（μTUD）。

在这个装置中，硅和氧化硅被用作摩擦电发电的材料，并且还构建了一个真空腔，以减少外部环境对设备性能的影响。

这项工作的一个重要突破是，他们成功地将TENG通过MEMS工艺制造，并将其尺寸缩小到微观尺度。

这个微型摩擦电超声器件的工作频率达到了1.17兆赫兹，这是前所未有的超声波范围内的操作频率。

他们还展示了通过使用油和消音介质进行声能传输的实验，成功地产生了电压信号，分别达到了16.8毫伏和12.7毫伏。

研究人员还进行了脉冲实验，获得了20.54分贝的信噪比，表明这个装置甚至可以用于调制信号。

最重要的是，通过理论分析，研究人员认为这个微型摩擦电超声器件的能量转换效率可能高达33%。

这项工作不仅在小型化和高精度方面取得了重大突破，还为摩擦电设备的设计提供了新的途径。

这个工作的意义在于，它为声能传输领域提供了一种小型而高效的解决方案，有望在各种应用中产生深远的影响。

小型化的优势显而易见，在许多现实场景中，我们需要在有限的空间内嵌入声学传感器或装置，例如在医疗设备、智能手机、便携式电子设备以及各种传感应用中。

传统的大型声学设备不适合这些场景，而微型摩擦电超声器件则能够轻松胜任。

这不仅提高了设备的便携性和灵活性，还为新型应用和产品的开发提供了更多可能性。

高效能量转换是一个关键的优势，微型摩擦电超声器件的能量转换效率高达33%，这意味着它可以更有效地将机械能转化为电能。

在一些需要长时间运行或低功耗的应用中，高效能量转换至关重要，这包括可穿戴设备、传感器网络、医疗植入物等领域，这些设备通常需要长时间运行，但又不便于频繁更换电池。

微型摩擦电超声器件的高效能量转换可以延长设备的使用寿命，减少了维护成本和对电池的依赖。

这项工作还为声能传输领域的未来发展指明了方向，它将TENG技术与MEMS技术相结合，为小型化和集成化提供了一个新的范本，为各种应用领域带来新的可能性，为科学家和工程师提供了一个全新的研究方向。

这个范本可以被应用到更多的声学设备中，推动声能传输技术的进一步创新。

这个领域的不断发展将有助于我们更好地利用声音的能量，为社会和科技进步做出更大的贡献。

微结构摩擦电超声器件：新兴能源科技

这项研究引入了一种全新的微型摩擦电超声器件，简称μTUD，通过结合了两项技术，一种是摩擦电技术（TENG），另一种是微机电系统技术（MEMS）。

这个小装置的作用是将机械能转化成电能，同时它的尺寸非常微小，这对于许多现实应用非常有用，例如医疗设备、智能手机和各种传感器。

μTUD是使用硅和氧化硅这两种材料，通过一种特殊的工艺制作而成。

这个装置内部还有一个真空腔，可以排除外部环境对其性能的负面影响，关键的突破在于，这是首次将TENG技术与MEMS技术结合，使得μTUD可以在微观尺度下工作。

μTUD能够在1.17兆赫兹的频率下运行，这在以往是无法实现的，这使得它可以处理超声波范围内的信号。

它还可以通过不同介质（比如油和消声介质）来获取电压信号，这对于声能传输非常重要。

通过一些实验，研究团队还证明了μTUD的性能非常稳定，信噪比高，甚至可以用于调制信号。

这项研究的最大亮点之一是μTUD的能量转换效率可能高达33%。

这意味着它可以非常有效地将机械能转化为电能，这在一些需要长时间运行或低功耗的应用中非常有用。

这包括了可穿戴设备、传感器网络以及医疗设备，它们通常需要长时间的使用，但不方便频繁更换电池。

结语

这项研究引入了一种创新的技术，叫做μTUD，它将摩擦电和微机电系统（MEMS）技术结合在一起，这个技术的一个重要特点是，它可以在微小的尺寸内制造摩擦电超声器件，从而实现了小型化和集成度的显著提高。

为了制造μTUD，研究团队使用了晶圆键合技术，构建了一个真空腔，以消除外部环境对设备性能的影响。

他们还演示了通过使用油和声音减弱材料的方法，μTUD可以将声波转化为电压信号，这是一种被称为AET的技术，可用于为设备供电。

μTUD技术具有进行信号通信的潜力，这意味着它可以用于自供电设备的通信和控制。这项研究为未来的微型能源装置和通信技术提供了新的可能性。