基于预应力摩擦电传感的自供能微系统实现超快速碰撞检测

为解决高重力加速度(high-g)冲击环境下传统传感器信号延迟、结构复杂等问题，研究人员开发了一种基于预应力摩擦电纳米发电机(TENG)的自供能高g传感器。通过预压缩硅胶层增强接触强度，使信号振幅提升400%，振荡减少，并构建了集成传感、信号处理、安全气囊触发电路和抗高g超级电容的微系统(<4.5 cm3)，实现0.2 ms内超快速碰撞检测与气囊触发，功耗降低80%。该研究为极端环境下的可靠冲击传感提供了新方案。

　　

在汽车碰撞、军工爆破等极端场景中，检测瞬时高重力加速度(high-g)冲击是保障生命安全的核心技术。传统压阻式或电容式传感器因结构复杂，在超过1,000×g的冲击下常出现信号延迟或失效，导致安全气囊误触发或响应滞后。更棘手的是，现有摩擦电传感器存在信号振幅弱、振荡严重等问题，难以满足实时性要求。针对这些技术瓶颈，国内研究人员在《Research》发表了一项突破性研究，通过预应力结构革新摩擦电传感机制，构建出兼具高灵敏度和超快响应的自供能微系统。

研究团队采用多物理场仿真与实验验证相结合的方法，建立了涵盖固体力学、电场耦合的动态模型，并通过"单位电荷电压"校准表面电荷密度。关键技术包括：(1)基于氟化乙烯丙烯(FEP)的预应力摩擦电层制备；(2)18 V抗冲击超级电容集成；(3)轻量化机器学习算法开发；(4)模拟碰撞的"砍刀锤"高_g测试平台。

预应力摩擦电传感器的设计与性能
通过压缩硅胶层使摩擦电层与电极紧密接触，传感器在10,000×g冲击下信号振幅提升400%，振荡显著降低。扫描电镜(SEM)显示预应力结构消除了界面间隙，而多物理场模型揭示了表面电荷密度与机械变形的耦合机制。

模型验证与优化
建立的瞬态仿真框架准确预测了电压波形(误差<5%)，实验证实最优预应力使表面电荷密度达55.2 μC/m²。通过接触理论推导的饱和方程(y=49.08x/(0.36+x)+8.29)指导了参数优化。

碰撞场景智能识别
针对钢、玻璃、黏土三类碰撞目标，开发的轻量级梯度提升机(LightGBM)算法以峰值电压和威尔逊振幅(WA)为特征，分类准确率达98%。时频分析表明玻璃碰撞含高频成分，而黏土冲击呈低频特性。

自供能微系统集成
封装体积仅4.5 cm³的微系统整合了传感器、信号处理芯片(STM32L476)和触发电路，实测响应时间0.15 ms，功耗较商用传感器降低80%。模拟碰撞实验中，预充电超级电容确保系统在30,000×g冲击下稳定触发安全气囊。

该研究通过预应力结构解决了摩擦电器件在高冲击环境下的信号稳定性难题，其理论模型为复杂工况下的传感器设计提供了普适性框架。微系统在汽车安全领域的成功验证，标志着自供能技术向极端环境应用迈出关键一步。未来通过车载数据迭代优化算法，有望实现更精准的碰撞分级与智能响应。