上海交大郭益平课题组在低频水听器领域取得新进展

近日，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室郭益平教授课题组在基于摩擦纳米发电机的水听器研究中取得重要进展，研究成果以“A non-contact triboelectric vibration sensor with a spiral floating electrode structure for low-frequency vibration monitoring”为题发表在高水平期刊Nano Energy上。（DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110437）

摩擦纳米发电机（TENG）作为一项新兴技术，在传感领域展现了巨大潜力。水下甚低频（Very Low Frequency, VLF，低于100 Hz）声波信号，由于其波长较长，能够穿透较深的海水，可用于海底资源、海底地震预报等领域，然而，目前压电水听器在VLF频段仍然缺乏足够的灵敏度。为解决这一问题，该研究开发了一种创新的非接触式摩擦电传感器，其独特的螺旋浮动电极结构实现了最高100 V/g的灵敏度，是商用压电传感器的500倍。非接触设计与集成结构显著提升了其耐用性，经过30万次循环测试性能依然保持稳定。该传感器还展现出优异的加速度线性度（R² = 99.95 %）和频率一致性，与理论分析相吻合。该传感器被进一步制备为水听器，专注于甚低频的水下声波监测。根据实际的水下测试结果，在10至100Hz频率范围内，其灵敏度显著优于商用8105水听器，在65Hz时，灵敏度提升了31.7dB，并展现出优异的方向性。该工作凭借低频高灵敏度和卓越的耐用性，展现了在水下声学监测等领域的广阔应用前景，进一步拓展了摩擦纳米发电机在实际场景中的应用。

结构示意图

(a) 水文测量与地质资源勘探示意图。(b) SFE-TEVS 结构的3D爆炸视图。(c) 其剖面图。(d) 浮动电极的振动状态示意图。(e) SFE-TEVS 的实物照片。

性能测试图

(a) 在0.2g加速度、100Hz下，不同粗糙度（500目、1000目、2000目）及电荷注入后的性能增强效果。(b) 在0.2g加速度、65Hz下，SFE-TEVS与压电传感器的性能对比。(c) 在0.2g加速度、10至100Hz频率范围内，SFE-TEVS与压电传感器的性能对比。(d) 在0.2g加速度下，SFE-TEVS从10至1000Hz的频率响应曲线。(e) 与文献[10,26–32]中的摩擦电振动传感器的灵敏度对比。(f) 在0.2g加速度、100Hz下，不同角度的输出性能。(g) 在0.1至1.9g加速度、100Hz下，加速度的线性度。(h) 在0.2g加速度、100Hz下，SFE-TEVS在30万次循环中的稳定性。

应用演示图

(a) 采用有源地震技术探测地下资源和绘制地下地质结构的示意图。(b) 在1-5Hz频率范围、0.1g加速度下，SFE-TEVS的输出信号。(c) 监测空气压缩机振动的照片。(d) 机器启停状态下生成的信号。(e) 采用PU密封的SFE-TEVS与标准8105水听器的照片。(f) 水下灵敏度与方向性测试装置示意图。(g) SFE-TEVS与标准8105水听器的灵敏度对比。(h) SFE-TEVS的方向性。

论文第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院2023级硕士生李源，郭益平教授为通讯作者，其他合作者包括李其超，马雄超及李兴佳，研究工作得到了上海交通大学“深蓝计划”重点项目（SL2022ZD103）的支持。