完整教程：[超表面论文快讯-239] AFM-超宽带混合摩擦电-压电声学传感器-华南师范大学王幸福、中科院董凯团队

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论文基本信息：

标题：
Ultra‐Wideband Hybrid Triboelectric–Piezoelectric Acoustic Sensors Enabled by Acoustic Metasurface Lens

作者：
Huan Chang（华南师范大学半导体科学技术研究院）；
Jizhong Zhao（中国科学院纳米能源与系统研究所）；
Rui Qin（安徽大学集成电路学院）；
Wenjie Bao（华南师范大学半导体科学技术研究）；
Hongxiang Xie（中国科学院纳米能源与系统研究所）；
Yingxue Tan（中国科学院纳米能源与架构研究所）；
Ziya Guo（华南师范大学半导体科学技术研究）；
Huanhuan Zou（华南师范大学半导体科学技术研究）；
通讯作者王幸福（华南师范大学半导体科学技术研究）；
通讯作者董凯（中国科学院纳米能源与环境研究所）

发表时间：
2025年7月21日（其中2025年5月26日投稿，2025年7月1日返修）

发表期刊：
Advanced Functional Materials（JCR-Q1，IF=19）

论文要紧图文：

摘要：声学传感在水下探测、通信和生物医学诊断中发挥着关键作用。然而，传统声学传感器存在诸多局限性：电容式和压电式传感器带宽窄、灵敏度低且依赖外部电源；光学传感器虽灵敏度高，但需复杂仪器且成本高昂。本文提出一种超宽带声学传感器（UWAS），其通过混合摩擦电-压电耦合工作，并集成梯形沟槽声学超表面透镜（PTGs-AML）。周期性梯形沟槽显著增强声辐射，与传统矩形沟槽相比，在10 MHz时辐射增强高达255%，从而改善声聚焦并抑制旁瓣效应。UWAS具有宽频率响应（20 Hz–50 MHz）、高灵敏度（60 kHz时11.3 V Pa⁻¹）和67 dB信噪比（150 kHz时）。其响应具有频率依赖性：53 Hz时全向，50 kHz时单向，13 MHz时多向。PTGs-AML实现的增强能量局域化支持高保真音频记录、环境噪声监测和生物医学成像（包括静脉血栓检测和膝关节积液诊断）。这种自供能且可扩展的传感器为多样化声学应用提供低成本解决方案。此外，超表面设计为拓宽传统电容式和压电式传感器的带宽提供了通用策略，为下一代声学传感手艺奠定基础。

图1. 超宽带声学传感器（UWAS）的结构及应用场景示意图。a) 声学传感器在不同声频率下的应用场景。b) UWAS的结构与表征。c) 采用周期性梯形沟槽声学超表面透镜（PTGs-AML）增强声学传感器性能的原理。

图2. UWAS的工作原理示意图。a) UWAS的四个工作阶段。b) 基于ZnO纳米线的压力传感器在向上压力下的输出电流，以及c) 向下压力下的输出电流。d) 相同力作用下摩擦电压力传感器的输出电流。e) 相同力大小下耦合摩擦电效应与压电效应的UWAS输出电流。摩擦电传感器f,g) 与耦合摩擦电-压电传感器h,i) 在不同工作状态下的电势分布对比。

图3. PTGs-AML的声聚焦效应。a) 声学超表面透镜（AML）的尺寸与实物图。b) 梯形沟槽处的声压场分布。c) 矩形沟槽与梯形沟槽开口处的透射声压。d) 80 kHz声波激励下基于矩形沟槽和梯形沟槽的AML聚焦性能。e) 2 MHz声波激励下PTGs-AML声场的模拟结果与f) 实验结果。

图4. UWAS的声电特性。a) UWAS的频率响应范围。b) UWAS的实验装置示意图。c) 线性扫频模式下UWAS的输出电压值，以及d) 对应的短时傅里叶频谱图。e) 53 Hz时UWAS的声指向性。f) UWAS的信噪比。g) 50 kHz时UWAS的声指向性。h) UWAS的灵敏度。i) 13 MHz时UWAS的声指向性。

图5. UWAS在可听频率范围内的实际应用。a) 音乐录制示意图。b) 使用UWAS录制的音乐信号处理。c) 原始无损音频与UWAS录制音频的波形和频谱图。d) 噪声污染的来源与危害。e) UWAS与商用声级计的噪声监测对比。

图6. UWAS在医学成像中的实际应用。a) UWAS在静脉血管成像和膝关节积液成像中的示意图。b) 静脉血管超声成像。c) 膝关节积液超声成像。

论文快览：

解决的问题：
声学传感器在环境监测、医疗成像等领域应用广泛，但传统电容式与压电传感器存在带宽窄、灵敏度低的局限，摩擦电传感器受限于低频响应（通常<4 MHz），而现有声超表面透镜多采用矩形凹槽设计，传输效率与聚焦锐度不足，难以兼顾超宽带、高灵敏度与紧凑集成需求，亟需新型结构与能量转换机制突破瓶颈。

提出的办法：
研发超宽带混合摩擦电-压电声学传感器，集成周期性梯形凹槽声超表面透镜。采用3D打印制备梯形凹槽透镜并化学抛光降低粗糙度，通过磁控溅射在铜箔沉积ZnO种子层，水热法生长纳米线后旋涂硅树脂形成复合振膜，与泡沫铜电极组装为摩擦电单元，利用ZnO压电效应实现高频响应。透镜通过亚波长梯形结构调控声波，增强振膜处声压，结合接触分离式摩擦电与压电耦合机制拓宽频率响应。

实现的效果：
建立20 Hz–50 MHz超宽带响应，60 kHz处灵敏度达11.3 V Pa⁻¹，150 kHz信噪比67 dB，梯形凹槽较矩形凹槽声辐射增强255%（10 MHz）。成功应用于高保真录音、环境噪声监测，以及静脉血栓和膝关节积液成像，验证了自供电、高空间分辨率的多场景声学感知能力。

创新点分析：
首次将梯形凹槽超表面透镜与混合摩擦电-压电机制结合，利用亚波长结构设计突破传统传感器带宽与集成度的固有矛盾。创新性利用梯形凹槽提升声传输效率与聚焦锐度，结合ZnO纳米线实现宽频带能量转换，无需外部电源即可达成20 Hz–50 MHz响应，为便携式医疗诊断与智能环境监测提供超紧凑解决方案，拓展了声超表面在多功能传感中的应用边界。

• H. Chang, J. Zhao, R. Qin, W. Bao, H. Xie, Y. Tan, Z. Guo, H. Zou, X. Wang, K. Dong, Ultra-Wideband Hybrid Triboelectric–Piezoelectric Acoustic Sensors Enabled by Acoustic Metasurface Lens for Environment Perception and Medical Imaging.Adv. Funct. Mater.2025, e13202. https://doi.org/10.1002/adfm.202513202

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