上海交大聲學傳感新突破——托托科技高精度3D光刻設備

近日，上海交通大學電氣工程學院團隊在電暈放電聲波檢測領域取得重要進展，其研究成果以“Acoustic Wave Radiation Simulation and Broadband Acoustic-Enhanced Sensing of Corona Discharge”為題，發(fā)表于《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》。該研究建立了電-熱-聲多物理場耦合仿真模型，揭示了負電暈放電過程中空間電荷擾動激發(fā)的超聲輻射機制，并據此設計并優(yōu)化了一種寬帶聲學增強聚焦結構，顯著提升了局部放電（PD）聲學檢測的靈敏度。

在這一研究中，托托科技的高精度3D光刻設備為聲學菲涅爾透鏡的制備提供了關鍵制造支持，助力團隊完成了從仿真優(yōu)化到實驗驗證的工程閉環(huán)。

 圖.聲學菲涅爾透鏡樣品形貌圖和集成傳感器結構示意圖

研究背景：電暈放電檢測的聲學瓶頸

電暈放電是高壓電力設備中常見的局部放電形式，長期存在會加速絕緣材料老化，甚至引發(fā)設備故障。超聲檢測是目前主流的非接觸式檢測手段，但由于超聲波在空氣中衰減嚴重，且遠距離檢測時信噪比急劇下降，傳感器自身的聚波性能已接近技術瓶頸，研究外置式聲學聚焦增強結構、在聲波進入傳感器前完成聲能匯聚，已經成為主流研究方向。

平面聲學菲涅爾透鏡憑借輕薄、易集成的優(yōu)勢受到關注，現有研究證實其在單頻/窄帶平面波激勵下具備良好聚焦效果。然而，電暈放電產生的聲波屬于寬帶復雜聲場，傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在寬帶適配性差的問題。因此，研發(fā)兼具高效率與寬頻特性的聲學聚焦結構，是亟待解決的。

技術創(chuàng)新：從多物理場仿真到寬帶聲學聚焦結構

研究團隊首先構建了負電暈放電的電-熱-聲耦合模型，從微觀層面揭示了脈沖放電→局部熱沉積→超聲輻射的完整能量轉換鏈。仿真結果表明，聲能主要分布在20kHz–100kHz的超聲頻段。

基于這一頻譜特性，團隊設計了一種復合增強型聲學聚焦結構，將聲學菲涅爾透鏡與聚焦腔體一體化集成，并采用EGO全局優(yōu)化+NM局部細化的混合優(yōu)化算法，對結構參數進行反演設計。最終實現了在目標頻帶內平均聲壓增益6dB，峰值增益10.2dB的優(yōu)異性能。

 圖.聲學增強聚焦結構二維截面示意圖和優(yōu)化后聚焦結構聲學性能對比圖

實驗驗證：寬帶聚焦性能與放電信號增強

在等效聲學實驗中，集成該透鏡的傳感器在20–100kHz頻段內實現了平均聲壓放大138.2%，峰值放大272.8%，驗證了其在寬帶范圍內的穩(wěn)定聚焦能力。

在實際針尖放電實驗中，安裝透鏡的傳感器相比未安裝者，接收到的聲能積分增強約48.99%，顯著提升了局部放電信號的采集能力。

 圖.加裝 / 未加裝透鏡的不同頻率下性能對比和傳感器采集聲波的頻域分布圖

托托科技高精度3D光刻設備：精準制造聲學菲涅爾透鏡

在這一研究中，優(yōu)化后的聲學菲涅爾透鏡樣品由托托科技的高精度3D光刻設備制備。該設備具備微米級成型能力，能夠精確加工出透鏡所需的環(huán)形區(qū)域寬度、間距等關鍵微觀結構，匹配了聲學透鏡對尺寸精度的嚴苛要求。

超高精度：托托科技提供1?, 2?, 5, 10, 20?μm精度及多精度融合設備，靈活適配不同分辨率需求的科研與工業(yè)場景。

復雜結構一體化成型：無需組裝，直接打印，直接制造微米級曲面、懸垂、腔體結構。

材料兼容性廣：支持多種光敏樹脂及陶瓷前驅體，滿足不同性能需求。

快速交付：數小時內完成設計迭代，大幅縮短研發(fā)周期。

一項突破性研究的背后，離不開每一個環(huán)節(jié)的精準落地。托托科技很榮幸能夠為上海交通大學團隊提供關鍵制造支持，讓聲學菲涅爾透鏡從優(yōu)化模型走入真實實驗。

未來，托托科技將繼續(xù)深耕高精度3D光刻技術，為電氣工程、微機電系統(tǒng)、生物芯片、仿生材料等領域的科研工作者提供可靠、高效的制造平臺，助力更多“從0到1”的突破。

DOI: 10.1109/TDEI.2026.3696924