文 | 賦墨塵
編輯 | 賦墨塵
前言
我們現在都知道，能源轉化器非常有前途，而迷你化和高精度對於摩擦電納米發電機至關重要。
這項研究將摩擦電納米發電機與微機電系統技術相結合，成功研製出一種微型摩擦電超聲設備，創造了世界上最小的摩擦電器件記錄。
它的振膜只有50微米，而且可以在兆赫茲的頻率下工作，這對於將摩擦電納米發電機變得更小和芯片集成起到了巨大作用。
這個微型設備可以將超聲波（高頻聲音）轉化成電能，能夠處理高達1兆赫茲頻率的超聲波，通過使用不同的介質，它可以產生不同大小的電壓信號，最高可達16.8毫伏，信號與噪音的比例達到了20.54分貝，還可以通過改變傳入的超聲波來進行信號通信。
這項研究開闢了一條新的道路，將聲音能量轉化為電能，並將微型化技術與通信能力相結合。這對於未來的能源轉化和通信系統有着巨大的潛力。
摩擦電聲學傳感器的突破性發展
聲能傳輸 (AET) 是一項備受關注的領域，它涉及將聲音能量轉化為電能，這在低功耗能源傳輸方面具有廣泛的應用前景。
迄今為止，許多AET系統都採用了一種名為鋯鈦酸鉛（PZT）的傳感器技術，這些傳感器的尺寸從毫米到厘米不等。
近年來，摩擦電納米發電機（TENG）的興起引發了人們對新興能源轉化技術的興趣，這項技術可以將機械能轉化為電能，因此被視為一種有望取代傳統技術的替代解決方案。
TENG技術的靈感源於其簡單的構造、更廣泛的材料選擇和可產生特定輸出的能力，在過去的十年里，已經得到了廣泛的研究和演示，包括一些嵌入式應用。
儘管有報道嘗試直接利用人體內的機械能來供電，但植入的位置受到限制，而且輸出功率不穩定，與芯片的集成度也不高。
為了解決這些問題，科學家們致力於開發一種自供電摩擦電聲學傳感器（TAS），它可以將聲音能量轉化為電能。
目前的TAS大多只能收集可聽見的聲音信號，而無法滿足超聲波頻率範圍內的應用需求。
在AET中，通常需要使用超聲波範圍的頻率，大多數超聲波傳感器在共振模式下工作時表現出最佳性能。
由於目前所有已報道的TAS都基於薄膜製造，當它們的諧振頻率達到超聲波範圍時，它們的尺寸接近亞毫米，這對於傳統製造方法來說是一項挑戰。
為了解決這一問題，研究人員開展了一項基於TENG和微機電系統（MEMS）技術的研究，他們開發了一種微型摩擦電超聲器件（μTUD），在μTUD中，硅和氧化硅被用作摩擦電對，並且創建了真空腔以消除外部環境對裝置性能的負面影響。
這項研究的突破之處在於，他們通過MEMS工藝製造了μTUD，將TENG技術推向了微觀尺度，μTUD的工作頻率達到了前所未有的1.17兆赫茲，適用於超聲波範圍的應用。
他們還演示了μTUD通過不同介質（包括油和消音介質）產生了電壓信號，為AET提供了實際應用的潛力，進行了脈衝實驗，實現了20.54分貝的信噪比，這表明μTUD可以用於信號通信。
通過理論分析，他們估計μTUD的能量轉換效率可能高達33%，這項研究推動了TENG技術的小型化和集成化，為未來的摩擦電器件設計提供了新的思路。
MEMS技術與TAS集成挑戰
在開發聲學設備時，一個主要的問題是它們通常需要相對龐大的體積，因為它們包括多個不同的部件，如傳感器和電路。
如果我們能夠將所有這些部件都集成到一個小芯片上，那將會極大地減小整個系統的體積，這就是微機電系統（MEMS）技術的價值所在。
MEMS技術是一種非常有前途的技術，它可以用來製造微小的機械結構，其尺寸可以從微米到毫米不等。
在過去幾十年中，人們已經提出了各種不同工作原理的MEMS聲學傳感器。
MEMS聲學傳感器之所以受歡迎，是因為它們可以小型化、批量生產，並且更容易與其他電子系統集成。
將摩擦電納米發電機（TENG）和MEMS器件集成以解決小型化和高精度問題仍然具有一定挑戰性。
要理解為什麼小型化對聲學設備如此重要，我們可以想像一下，如果你想要將聲學設備嵌入到某個小型裝置或系統中，而這個聲學設備的尺寸很大，那就無法實現了，製造這些大型聲學設備通常需要大量的資源和材料，成本也會相應增加。
我們需要一種方法來將這些聲學設備變得更小，更容易集成到其他系統中，並且能夠以更低的成本製造，這就是MEMS技術發揮作用的地方。
MEMS技術允許我們以微小的尺寸製造複雜的機械結構，這些結構可以執行各種功能，包括感應聲音。
這意味着我們可以製造小型的聲學傳感器，而不需要大型設備，不僅降低了設備的體積，還降低了製造成本，使其更易於大規模生產。
將TENG與MEMS集成以解決小型化和高精度問題並不容易，MEMS聲學傳感器通常用於收集可聽見的聲音信號，其頻率通常在數百赫茲到數千赫茲之間。
某些應用需要在超聲波範圍內操作，這意味着聲音的頻率要更高。
由於MEMS聲學傳感器通常是基於膜的，當諧振頻率達到超聲波範圍時，它們的尺寸通常會變得相對較大。
這就是為什麼製造小型的、工作在超聲波範圍內的聲學設備一直具有挑戰性的原因。
在這項工作中，研究人員採用了一種創新的方法，通過將TENG和MEMS技術相結合，製造了微型摩擦電超聲器件（μTUD）。
在這個裝置中，硅和氧化硅被用作摩擦電發電的材料，並且還構建了一個真空腔，以減少外部環境對設備性能的影響。
這項工作的一個重要突破是，他們成功地將TENG通過MEMS工藝製造，並將其尺寸縮小到微觀尺度。
這個微型摩擦電超聲器件的工作頻率達到了1.17兆赫茲，這是前所未有的超聲波範圍內的操作頻率。
他們還展示了通過使用油和消音介質進行聲能傳輸的實驗，成功地產生了電壓信號，分別達到了16.8毫伏和12.7毫伏。
研究人員還進行了脈衝實驗，獲得了20.54分貝的信噪比，表明這個裝置甚至可以用於調製信號。
最重要的是，通過理論分析，研究人員認為這個微型摩擦電超聲器件的能量轉換效率可能高達33%。
這項工作不僅在小型化和高精度方面取得了重大突破，還為摩擦電設備的設計提供了新的途徑。
這個工作的意義在於，它為聲能傳輸領域提供了一種小型而高效的解決方案，有望在各種應用中產生深遠的影響。
小型化的優勢顯而易見，在許多現實場景中，我們需要在有限的空間內嵌入聲學傳感器或裝置，例如在醫療設備、智能手機、便攜式電子設備以及各種傳感應用中。
傳統的大型聲學設備不適合這些場景，而微型摩擦電超聲器件則能夠輕鬆勝任。
這不僅提高了設備的便攜性和靈活性，還為新型應用和產品的開發提供了更多可能性。
高效能量轉換是一個關鍵的優勢，微型摩擦電超聲器件的能量轉換效率高達33%，這意味着它可以更有效地將機械能轉化為電能。
在一些需要長時間運行或低功耗的應用中，高效能量轉換至關重要，這包括可穿戴設備、傳感器網絡、醫療植入物等領域，這些設備通常需要長時間運行，但又不便於頻繁更換電池。
微型摩擦電超聲器件的高效能量轉換可以延長設備的使用壽命，減少了維護成本和對電池的依賴。
這項工作還為聲能傳輸領域的未來發展指明了方向，它將TENG技術與MEMS技術相結合，為小型化和集成化提供了一個新的範本，為各種應用領域帶來新的可能性，為科學家和工程師提供了一個全新的研究方向。
這個範本可以被應用到更多的聲學設備中，推動聲能傳輸技術的進一步創新。
這個領域的不斷發展將有助於我們更好地利用聲音的能量，為社會和科技進步做出更大的貢獻。
微結構摩擦電超聲器件：新興能源科技
這項研究引入了一種全新的微型摩擦電超聲器件，簡稱μTUD，通過結合了兩項技術，一種是摩擦電技術（TENG），另一種是微機電系統技術（MEMS）。
這個小裝置的作用是將機械能轉化成電能，同時它的尺寸非常微小，這對於許多現實應用非常有用，例如醫療設備、智能手機和各種傳感器。
μTUD是使用硅和氧化硅這兩種材料，通過一種特殊的工藝製作而成。
這個裝置內部還有一個真空腔，可以排除外部環境對其性能的負面影響，關鍵的突破在於，這是首次將TENG技術與MEMS技術結合，使得μTUD可以在微觀尺度下工作。
μTUD能夠在1.17兆赫茲的頻率下運行，這在以往是無法實現的，這使得它可以處理超聲波範圍內的信號。
它還可以通過不同介質（比如油和消聲介質）來獲取電壓信號，這對於聲能傳輸非常重要。
通過一些實驗，研究團隊還證明了μTUD的性能非常穩定，信噪比高，甚至可以用於調製信號。
這項研究的最大亮點之一是μTUD的能量轉換效率可能高達33%。
這意味着它可以非常有效地將機械能轉化為電能，這在一些需要長時間運行或低功耗的應用中非常有用。
這包括了可穿戴設備、傳感器網絡以及醫療設備，它們通常需要長時間的使用，但不方便頻繁更換電池。
結語
這項研究引入了一種創新的技術，叫做μTUD，它將摩擦電和微機電系統（MEMS）技術結合在一起，這個技術的一個重要特點是，它可以在微小的尺寸內製造摩擦電超聲器件，從而實現了小型化和集成度的顯著提高。
為了製造μTUD，研究團隊使用了晶圓鍵合技術，構建了一個真空腔，以消除外部環境對設備性能的影響。
他們還演示了通過使用油和聲音減弱材料的方法，μTUD可以將聲波轉化為電壓信號，這是一種被稱為AET的技術，可用於為設備供電。
μTUD技術具有進行信號通信的潛力，這意味着它可以用於自供電設備的通信和控制。這項研究為未來的微型能源裝置和通信技術提供了新的可能性。
