印刷电路板集成静电传感器：实现宽频振动检测与无线频谱分析的新突破

《Cell Reports Physical Science》：Printed circuit board-integrated electrostatic sensor for hydroacoustic detection and wireless vibration spectrum analysis

本刊推荐：针对低频振动检测中传感器带宽窄、响应非线性及依赖复杂外部仪器等问题，研究人员开展了印刷电路板（PCB）集成摩擦纳米发电机（TENG）传感器的主题研究。通过将非接触式Cu-FEP（氟化乙烯丙烯）传感单元与信号处理电路单片集成，研制出具有超宽带宽（1–4000 Hz）、高灵敏度（61.39 V/g@100 Hz）和良好线性度的振动传感器。进一步封装成矢量水听器，其灵敏度超过–168 dB re 1 V/μPa，指向性达–35 dB，并结合机器学习实现水下目标识别；同时开发出自包含无线振动分析仪，实现实时频谱分析。该工作为智能振动检测技术提供了创新的集成化解决方案，显著降低了技术门槛。

　　

在智能交通维护、精密机械预测性保养以及海洋水声传感等领域，低频振动检测具有至关重要的意义。然而，传统压电振动传感器因材料固有局限和高共振频率，在低频检测中灵敏度不足；光纤传感器虽具宽带特性，但机械强度差、成本高，难以大规模生产。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）技术为机械信号至电信号的转换提供了新范式，其具备卓越的适应性、便携性和易制造性。但现有TENG传感器多采用滑块、磁质量或弹簧质量结构，需克服振动组件自重，导致工作带宽窄、振动加速度阈值高，且接触式工作易引起材料磨损、寿命短，非接触式方案则信号响应不佳且依赖复杂外部信号调理仪器，制约了其在实际场景中的集成与智能化应用。

针对上述挑战，上海交通大学李启朝、郭一平团队在《Cell Reports Physical Science》上发表研究，提出一种创新的印刷电路板（PCB）集成TENG振动传感器。该传感器通过表面贴装技术（SMT）和回流焊工艺，将非接触式Cu-FEP传感单元与信号处理电路单片集成于单一PCB上，实现了从物理信号到数字信息的端到端优化。密度泛函理论（DFT）分析证实了Cu向FEP的电子转移（1.16 e），经几何优化的Cu悬臂梁共振频率低至42.5 Hz，使传感器具备1–4000 Hz的超宽带宽、0.02×g的高灵敏度及超过400,000次循环的稳定性。进一步地，传感器封装于铝合金外壳中形成低频矢量（LFV）水听器，在低频范围内灵敏度超过–168 dB re 1 V/μPa，指向性为–35 dB，显著优于标准8105水听器；结合机器学习与快速傅里叶变换（FFT）处理，对水下目标识别准确率超过80%。研究还开发了集成“传感-信号采集-边缘计算”的自包含无线振动分析仪，支持实时频谱显示与蓝牙传输，在音乐分析、车辆诊断及精密仪器监测中展现出优异实用性。该工作为低频水下声学探测及其他振动监测场景提供了灵敏、实用的解决方案，推动了智能振动检测技术的前沿发展。

为开展本研究，作者主要采用以下关键方法：首先基于密度泛函理论（DFT）分析Cu-FEP界面的电荷转移行为；其次通过表面贴装技术（SMT）和回流焊工艺实现PCB集成传感器的制造；利用激光共聚焦显微镜表征FEP薄膜表面粗糙度；通过振动台系统与商用IEPE加速度计对比评估传感器性能；采用校准管测试水听器灵敏度与指向性；结合快速傅里叶变换（FFT）与多层感知器（MLP）等机器学习算法进行水下目标识别；并开发集成ADC（模数转换器）、MCU（微控制器单元）和OLED（有机发光二极管）显示的自包含无线分析仪。

设计和工作原理

研究通过DFT计算与电子密度差分析揭示了Cu与FEP之间的电荷转移机制，FEP作为电子受体从Cu表面提取电子。传感器采用PCB集成设计，前端为热压结合FEP膜的SnAgCu焊盘与Cu悬臂梁电极，背面集成信号滤波、偏置放大电路。其非接触工作模式基于静电感应：振动引起Cu电极与FEP间距变化，产生交变电势，经电路调理后输出线性响应电压。COMSOL仿真表明Cu悬臂共振频率为42.5 Hz，利于低频检测。

传感性能评估

传感器在1–4000 Hz范围内表现出高线性度（R²> 0.99）与稳定性。在100 Hz振动下灵敏度达61.39 V/g，为IEPE加速度计的3470倍；可检测最低加速度为0.02×g。经400,000次循环测试，输出信号保持一致。传感器还成功识别了轻击不同液位瓶体的微小振动，且在温度（19°C–63°C）与湿度（2%–90% RH）变化下性能稳定。

水听器水下听觉能力

LFV水听器在20 Hz–2 kHz频率范围内的灵敏度显著优于标准8105水听器，最高达–104 dB re 1 V/μPa。其指向性呈8字形对称模式，最大与最小灵敏度差为–35 dB。实验表明，水听器能准确检测水中智能手机播放的120 Hz、300 Hz及900 Hz音频信号，且响应具有方向依赖性。

人工智能辅助水下目标识别

通过采集潜艇、鲨鱼、两栖车等四类水下目标的声信号，经FFT转换与PCA降维后，采用MLP算法进行分类，准确率达95.38%（5折交叉验证）。对比实验表明，未经FFT处理的时域数据分类准确率不足50%，凸显频域特征提取的重要性。

无线振动分析仪的应用

分析仪整合传感、采集、边缘计算与无线通信模块，尺寸为?33.9 × 32.8 mm，重25.8 g，支持无线充电与蓝牙数据传输。在音乐频谱分析中，可准确识别140 Hz、330 Hz等音频；在车辆振动诊断中，能监测不同路况下的频率与强度；在磁控溅射设备分子泵（450 Hz）及底盘振动监测中，实时显示频谱信息，验证其工业应用潜力。

该研究通过PCB集成技术成功将非接触TENG传感器与信号处理电路融为一体，解决了传统振动传感器在带宽、线性度及集成度方面的瓶颈。LFV水听器的高灵敏度与指向性为海洋生物监测和水下目标识别提供了新工具；自包含无线分析仪则大幅降低了振动分析的技术门槛，实现了“即插即用”的实时诊断。此工作不仅建立了高性能振动分析设备的设计范式，也为智能传感系统在工业4.0与智慧海洋等领域的应用提供了技术支撑。未来，结合能量采集技术与二维材料（如石墨烯），有望进一步实现自供电、多模态感知的智能监测节点。