Abstract:

超声测距能力作为衡量超声传感器的重要性能指标，其超声换能器需具备较大的发射声压和较高的接收灵敏度。为提升超声测距能力，本文提出了一种由沟槽式弹性悬浮膜结构（S-PMUT）和传统悬膜结构（TPMUT）组成的同频异构 PMUT。仿真证明，弹性悬浮膜 PMUT 的发射灵敏度相较于传统悬膜 PMUT 提升了 96. 4%，传统悬膜 PMUT 的接收灵敏度是弹性悬浮膜 PMUT 的 1. 569 倍。搭建超声测距系统并进行测试，测距结果表明，基于同频异构 PMUT 的测距系统实现了 12. 45 m 的最大测量距离，相较于相同振元组合模式，最大测量距离增加了约 24%。

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面对无创血压检测等生物医学对高性能换能器的需求，本文设计并优化了一种 1-3 型压电复合材料超声换能器。通过建立三维有限元模型，系统研究了压电陶瓷体积分数、压电陶瓷柱宽厚比对复合材料性能的影响， 通过对比其性能确定复合材料的最优尺寸，并通过声-电耦合仿真模拟脉冲响应实验验证声学性能。实验结果表明，该复合材料的谐振频率为 4. 81 MHz，有效机电耦合系数达到 66. 3%，较纯压电陶瓷片提高了约 127. 5%，声阻抗为 17. 6 MRayls，表明出良好的声学匹配特性。脉冲回波测试表明，换能器的中心频率为 4. 59 MHz，?6 dB 相对带宽为 55. 6%，验证了设计方法的可行性与仿真模型的有效性。该研究为高频超声换能器中的压电复合材料设计与优化提供了解决方案。

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针对高频超声电源在负载动态变化时，传统频率域扫描追踪存在响应滞后、副边高压测量难及外部谐振匹配电路复杂等问题，提出了一种基于 FPGA 的原边单通道相位反馈谐振域闭环控制方法。系统利用变压器漏感与换能器静态电容构成串联谐振回路，采用单通道采集结合 NCO 电压替代技术测量相位，基于 CORDIC 算法实现高精度数字鉴相，采用数字锁相环与模糊 PID 算法实现谐振频率自适应跟踪。实验结果表明，基于 CORDIC 的数字鉴相器相位测量误差绝对值为 0. 232°，采用电流-相位差复合追踪策略自动跟踪至谐振点，跟踪精度更高、响应速度更快，实现了变频工况下谐振状态的全数字化快速跟踪。

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高频超声波能量可在不损伤精密结构的前提下有效清除亚微米级颗粒，在半导体晶圆清洗等领域应用前景广阔。本文基于有限元方法，利用 COMSOL 专业仿真软件，确定了与谐振频率为 514 kHz 压电陶瓷高效共振的不锈钢厚度为 5 mm。建立线性阵列分布的压电陶瓷声压仿真模型，并对其高频超声波传播路径与声压分布进行模拟研究。实验结果表明，换能器谐振频率的实验值与仿真值最大相对偏差仅为 0. 79%，且阻抗曲线仿真与实测结果高度吻合；单换能器驱动谐振频率处声压最大，与不同频率点的仿真声压变化趋势基本一致，驱动电压与测试声压呈非线性正相关；线性阵列式换能器声压主要集中于换能器辐射面内，其外区域声压显著降低，证实了高频换能器超声波传播具有良好的指向性。

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针对超声波长时间自动检测复杂构件缺陷时，界面与缺陷回波相互干涉使回波信号呈现随机多峰性， 难以实时准确地解析缺陷信息，且事后解读也将带来海量数据存储的技术瓶颈，提出了一种随机信息自由度超声检测信号的压缩及参数重构方法。通过先验能量分布，自适应匹配采样核的频域支撑区间及参数，将随机多峰回波脉冲流通过自适应采样核调制，再以低速率对其进行等间隔稀疏采样，最后通过零化滤波器重构多峰回波信号幅值与时延特征。以钢轨缺陷超声检测为例，相较于奈奎斯特采样法，本文所提方法在保留轨头、轨腰、轨底、人工缺陷及二次回波信息的同时，数据量减少了 90%。

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声学定位是探测低空无人机的有效手段，提高定位精度的核心在于提升目标频段的信噪比。本文设计了一种基于局域共振声学超材料的麦克风结构，利用其缺陷态实现声波聚焦。通过数值仿真，揭示其利用缺陷态聚焦声波的基本原理以及参数对频响特性的影响。超材料特性与声源定位算法的联合仿真结果表明，经过声学超材料的滤波处理后信噪比提升了 3. 18 倍。采用该超材料增强的 5×5 麦克风阵列，定位精度损失低于 2°，显著提升了对某型多旋翼无人机的探测距离。

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在工业应用中，为了实现封闭式大型水轮发电机定子运行状态监测传感器的自供能，需要将发电机定子运行过程中产生的振动能量转化为电能。然而发电机定子运行时产生的高温，成为制约自供电技术发展的关键挑战。本文根据发电机组内部温度环境和振动频率特征，利用扫频仿真手段并调整末端质量块，将谐振频率调整到 50 Hz；提出了一种基于 PZT 材料的悬臂梁式耐高温压电振动能量收集方法，并在此基础上研制了能量收集器。 实验结果表明，该能量收集器能产生 9. 45 mW 充电功率，用于给超级电容充电时约 17 min 充电至 5. 35 V。在 120 ℃极限温度条件下，该装置持续工作 30 min 后仍保持 1. 85 mV 输出功率。这为高温环境下振动能量收集提供了新的解决方案，具有重要的工程应用价值。

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为解决传统听诊器准确性不足，现有电子听诊器普及受限的问题，提出将压电微机械超声换能器 （PMUT）应用于心音检测，研制了高集成度、高灵敏度的无线可穿戴电子听诊器。设计六边形振膜蜂窝状 PMUT 阵列，采用氮化铝钪（ScAlN）材料制备传感器并完成性能表征。硬件端设计前级低噪声信号调理电路及模数转换、 主控、电源管理电路，软件端开发数据处理与无线传输程序以及上位机系统。通过柔性声学封装实现器件与体表紧密贴合。实验结果表明，该听诊器能采集高质量心肺音信号，信噪比达到 40. 9 dB，优于常用 3M 电子听诊器。该设计充分发挥了 ScAlN 材料与微机电系统（MEMS）工艺优势，为远程医疗和可穿戴保健提供了新型传感方案，对于数字化听诊技术的发展具有重要意义。

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压电陶瓷驱动电源提供高精度、高稳定性的电压输出，以实现对压电陶瓷微位移或振动的精确控制。 压电陶瓷的位移、振动精度、速度以及重复性受到压电陶瓷驱动电源的动态响应速度、稳定性和线性度等性能影响。本文设计了一种输出电压为-200~200 V 可调的高性能压电陶瓷驱动电源，其包含 3 个关键模块：基于 PA85A 的直流高压复合放大电路，基于 LTZ1000 的超精密电压基准源以及基于 AD5791 的低噪声高精度信号生成模块。该电源输出电压纹波峰峰值＜300 μV，-200~200 mV 电压阶跃响应时间＜12 μs，稳定性（10 h）＜10× 10^-6 ，线性度＞99. 9%。

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针对目前双向驱动器存在的预紧位移调节不便、驱动速度较低等问题，提出了一种刚性接触型双向压电粘滑驱动器，以改善目前双向驱动器存在的缺陷。介绍了驱动器的结构及工作原理，并基于其结构对驱动器的输出位移进行理论分析和计算。通过 COMSOL Multiphysics 仿真软件对粘滑驱动器的驱动过程进行仿真分析，初步验证了驱动器结构的可行性和理论计算的准确性。最后搭建实验平台并对所提出的驱动器的驱动型性能进行测试。实验结果表明，驱动器在 5 μm 预紧位移下具有良好的驱动性能，在 1 200 Hz 信号频率下输出速率为 7. 12 mm/s、最大水平负载为 0. 57 N、最大垂直负载为 2. 4 N，驱动器的分辨率为 0. 021 μm，在往复 10 个周期内的位移误差为 1. 42 μm。这说明驱动器可进行稳定的位移输出。

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电容式微机械超声波换能器（CMUT）在工作时需要施加一个大的直流偏置电压以获得良好的驱动性能，但大偏置电压会造成振膜塌陷。该文提出了一种新的塌陷模型来预测塌陷电压与塌陷点。该模型使用伽辽金法建立了在弹簧软化效应影响下的 CMUT 静电偏转微分方程，并通过麦克劳林展开将复杂的连续性解进行离散化处理，实现了塌陷电压与塌陷点的快速求解。模型预测结果经有限元法验证，其相对误差＜2%。对比未引入弹簧软化效应的结果，塌陷电压从 391. 79 V 减小至 362. 89 V，塌陷比例从 59. 2% 减小至 49. 3%。新塌陷模型为 CMUT 的设计与制造提供了更精确的理论基础。

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针对直线压电电机定子结构设计与驱动性能优化的问题，提出了一种三板并接式定子谐振驱动的直线压电电机。该电机定子由 3 块矩形金属板并接而成，通过压电陶瓷片激励一阶纵振与二阶弯振模态，驱动足形成椭圆运动轨迹，推动动子做直线运动。通过有限元仿真分析了定子的模态特性，基于工作频率一致性要求对定子尺寸进行优化，并对其进行幅频响应特性分析和瞬态响应特性分析。实验结果表明，该电机在驱动频率 35. 36 kHz、电压 300 V、预压力 2. 5 N 下，正、反向空载速度分别达到 36. 61 mm/s 和 34. 97 mm/s，相位差在 88°~95°内驱动效果良好。研究验证了三板并接式定子结构的可行性和机电性能优势。

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激光窃听技术隐蔽性强、操作方便且难以检测，对涉密场所语音信息安全构成严重威胁。针对复杂国际环境下快速部署会议室内语音泄露的问题，设计了一种基于压电材料的隐蔽式壁板结构，通过对外场主动干扰实现语音内容防护。分析激光窃听理论原理，基于逆压电效应驱动压电元件产生对抗性振动干扰，破坏窃听语音信号还原。实验采用多源干扰信号驱动压电元件，结合玻璃振动频谱与客观语音质量评估（PESQ）算法量化评估掩蔽性能。结果表明，当驱动电压峰峰值达到 30 V 时，玻璃振动加速度均值显著高于无干扰状态，20~8 000 Hz 全频段能量高于无干扰状态，此时反演语音 PESQ 评分均低于 1. 8，显著低于无干扰状态下反演语音 PESQ 的评分值 4. 5。因此，该结构具有较强的外场干扰效果，能实现语音信息的掩蔽。对比电磁声干扰器，在相同档位下该结构功耗降低 91%~93%，反演语音的 PESQ 得分更低，干扰效果更强，室内附加噪声增量减少 1. 63~2. 44 dB（A），且能实现隐蔽式部署。研究证实了压电智能壁板结构兼具低功耗、高隐蔽与强干扰特性，为敏感场所声学信息安全防护提供了新型技术方案。

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高温压电加速度传感器在核电、航空航天等领域有着重要应用。发动机等设备故障信号的特征频率主要集中在高频范围，因此，传感器需具备宽频域响应能力以实现对高频故障信号的有效监测。然而，现有国产高温加速度传感器存在频带窄的问题，难以满足实际应用需求。为此，本文设计了一种剪切式高温压电加速度传感器，采用具有高温稳定性的硼酸氧钙钇（YCOB）晶体作为压电敏感元件，并结合解析建模与有限元仿真方法对其性能进行系统分析与优化。此外，采用内置螺纹孔的质量块以增强连接稳定性，从而提升整体抗振性能。实验结果表明，该传感器在频率 1 kHz 下的电荷灵敏度为 1. 2 pC/g，谐振频率约为 11 kHz，3 dB 带宽可达 6 kHz。该研究提升了传感器的频域响应范围，增强了其对高频故障信号的监测能力，具有良好的工程应用前景。

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离子注入剥离技术制备的铌酸锂单晶薄膜被广泛应用于声表面波滤波器。铌酸锂的剥离行为对高质量铌酸锂单晶薄膜制备影响巨大。研究表明，Y 切铌酸锂因在退火中形成沿（012）解理面生长的缺陷而表现出特殊的卷曲剥离现象，该剥离行为较通常起泡剥离行为具有较低的激活能，有利于在低温中实现铌酸锂薄膜的转移， 但其他解理面对剥离行为的影响有待进一步研究。本文研究了 Y15°切 He⁺注入铌酸锂后在不同退火温度下的剥离行为，利用光学显微镜记录了铌酸锂在不同热处理温度下的剥离行为。基于离子注入仿真，采用 X 线衍射和透射电子显微镜分析了铌酸锂剥离行为与解理面之间的关系。研究发现，Y15°切 He?注入铌酸锂的剥离行为取决于不同退火温度形成的微裂纹沿特定解理面的生长特性。该研究有利于 Y15°切铌酸锂单晶薄膜的制备，为阐释解理面对铌酸锂剥离行为的影响机制提供了实验依据。

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目前国内分立式的单轴石英微机械（MEMS）陀螺技术已相对成熟且已推广至工程应用，为进一步满足市场对惯导系统小型化与集成化的要求，提出了一种新型的单片集成三轴石英 MEMS 陀螺敏感芯片设计方案及仿真分析方法。通过有限元仿真分析（FEM）验证了该单片集成三轴石英 MEMS 陀螺具备显著的陀螺效应。此外，通过仿真验证了该陀螺可满足大多数工程应用场景的力学环境适应性需求。本文提出的单片集成三轴石英 MEMS 陀螺在品质因数（Q）值、机械灵敏度等关键指标方面均与传统单轴石英 MEMS 陀螺接近，相比于由传统分立式单轴 MEMS 陀螺装配组合而成的三轴陀螺组合，该产品体积缩小了 88. 4%，具备较高的工程化应用潜力和价值。

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针对嵌套式双质量 MEMS 陀螺仪共模刚度失配引发的误差耦合问题，本文提出了一种共模平动与正交刚度匹配机制。通过建立四自由度动力学模型，理论揭示了共模平动刚度失配导致的共模-差模运动耦合，以及共模正交刚度失配引起的检测轴残余误差的机理。仿真实验表明，共模刚度失配会导致冲击响应下绝对位移差异，以及正交刚度失配使检测轴产生残余正交误差。实验验证显示，刚度匹配后，陀螺零偏与零偏稳定性平均降低 23% 和 27%；动态冲击实验中，共模刚度匹配使哥氏检测通道的冲击响应等效角速度幅值衰减达到 99. 99%，噪声抑制能力提升 80 dB，显著增强了系统抗冲击鲁棒性。研究证实，刚度匹配可有效解耦共模-差模运动，提升陀螺抗冲击性能。这为高精度 MEMS 陀螺设计提供了理论支持。

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针对现有 LiDAR/IMU 融合定位方法在环境几何复杂度变化下因适应性不足而导致的定位精度降低、信息利用效率低下的问题，本文提出了一种基于几何复杂度的自适应稀疏化融合定位算法。该算法建立几何复杂度量化模型，通过点云协方差矩阵特征值分解提取线性度、平面度和散布度特征，实现对几何复杂度的精确评估。设计了自适应稀疏化策略，根据几何复杂度动态调整因子价值评估标准和保留阈值，实现关键约束的智能选择和因子图规模的有效控制。根据几何复杂度构建多因子动态权重分配机制，对 LiDAR/IMU 里程计、IMU 预积分和回环检测因子进行动态最优配置。实地车载实验结果表明，相比主流算法，本文提出的算法的综合 RMSE 提升了 34. 1%，平均稀疏化率达到 20. 1%，显著提升了定位精度，有效解决了传统方法环境适应性差的技术难题。

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该文提出了一种融合数据驱动无模型前馈补偿与陷波滤波反馈的自适应控制方法，用于提升压电微动台的跟踪性能。首先在反馈控制中构建自适应陷波滤波器以抑制平台的谐振影响，通过对误差信号进行快速傅里叶变换，在线得到陷波滤波器的各项参数，从而有效抑制平台谐振；然后建立数据驱动无模型自适应前馈控制器，增强系统对噪声等干扰的鲁棒性，进一步提升定位平台的跟踪精度；最后搭建压电微动台实验系统，采用所设计的无模型前馈控制器与自适应陷波滤波器进行轨迹跟踪实验。结果表明，相比于传统比例积分控制和陷波滤波控制，三角波信号跟踪的最大误差分别降低 58. 06% 与 31. 29%，证实了所提数据驱动控制器可改善平台的稳定性与跟踪性能。

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针对大动态光纤陀螺标度因数非线性度对测量精度的严重影响，以及现有分段补偿方法在补偿效果上对转台速率精度的高度依赖问题，提出一种直接根据光纤陀螺输出的角度脉冲进行角速率分段补偿的方法。通过将陀螺输出的数字量转为角度脉冲信号输出，再根据角度漂移误差大小对角速率进行分段补偿。实验表明，在常温、角速度为 0~9 000（°）/s 的条件下，30 s 角度漂移误差由原来的 34. 798°降至 5°内，非线性度误差由原来的 128. 9×10^-6 减小至 16. 7×10^-6 ，实验验证了补偿方法的有效性。该补偿方法复杂度低，对测试使用的转台速率精度要求低，易于工程实现。

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为满足微波光子雷达对高灵活性、窄脉冲多波形的需求，针对传统外调制法依赖光学滤波器、多波形切换难的问题，本文提出了一种基于级联双端口马赫-曾德尔调制器（DD-MZM）的多波形生成方案。该方案通过调控两级 DD-MZM 的调制指数与光延迟线的相移量，在光域实现边带操控，无需光学滤波器，通过光电探测器拍频即可输出目标波形。仿真结果表明，生成重复周期为 400 ps 的三角波、锯齿波与方波，其均方根误差（RMSE）分别为 0. 019 5、0. 066 2 和 0. 144 2，波形与理想信号逼近度高。稳定性分析表明，当调制指数在±0. 2、相移量在±5° 变化时，各波形 RMSE 的最大变化量均小于 0. 04，证明系统具备良好的鲁棒性。该方案结构简单，调谐灵活，为高集成度、高精度微波光子雷达提供了可行的信号生成途径。

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针对高阶矢量水听器灵敏度较低的瓶颈问题，设计了一种新型一体化干涉式光纤一阶、二阶矢量水听器。通过建立声场多极子分解模型，揭示了一阶、二阶声场量与矢量水听器灵敏度的频率响应关系。采用有限元法对一阶、二阶矢量水听器进行声固耦合仿真。结果表明，一阶矢量通道声压梯度灵敏度呈现 6 dB/oct 频率响应特性，具备典型的偶极子指向性；二阶矢量通道声压二阶偏导灵敏度表现为 12 dB/oct 频率响应特性，展现出四极子指向性模式，-3 dB 波束宽度较传统矢量水听器收窄约 30°。对一阶、二阶矢量水听器的耐静水压性能进行分析，结果表明，两种类型的水听器均可在深海环境下工作，同时也可在 2 150 m 水深下正常工作。该类型水听器通过差分方式实现了高阶声场量的有效测量，为深海环境下多目标分辨与探测距离提升提供了新的技术路径。

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基于电光效应的光学电场传感器凭借其大场强测量范围和高灵敏度等优势，正逐步取代传统电学电场传感器。针对高压直流应用场景对高精度电场实时监测的迫切需求，本文提出了一种基于 Pockels 效应的 Z-cut 铌酸锂光学电场传感器。该传感器采用全光纤无源结构设计，通过精密光学系统实现电场-光强的高效转换，其核心创新点体现在：采用紧凑型设计（尺寸仅为?55 mm×80 mm），在保持 1 800 kV/m 超高场强耐受能力的同时，仍可检测到低至 25 kV/m 弱电场信号；在 0 ℃和 20 ℃特征温度点下，响应曲线标准差分别达到 6. 7×10-4和 3. 9× 10-4 ，展现出优异的温度稳定性；全光纤无源结构设计有效解决了传统传感器抗干扰能力差等关键问题。实验结果表明，该传感器有望应用于高压直流场景下的电场监测，同时为新一代电场传感器的研发提供了技术方案。

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提出了一款双极化超宽带磁电偶极子滤波天线，采用新型双层贴片结构设计。该天线通过 3 个辐射零点实现滤波功能：第一个零点源于磁电偶极子的本征辐射特性；第二个零点由 90°延伸馈线与开槽谐振器的相互耦合作用产生；第三个零点通过双层贴片间的电磁耦合形成，且该耦合作用不仅引入了新的谐振模式，还通过与矩形谐振器的相互作用提高了增益峰值。对天线进行了制作和测量，结果显示：相对阻抗带宽为 74. 3%（2. 71~5. 93 GHz），通带内两端口隔离度达?30 dB，带外抑制在低频时超过 19 dB，在高频时达到 14 dB，理论性能与实测性能吻合较好。

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面向智能电网通信与 5G、Wi-Fi7 多频段协同覆盖的需求，提出了一种紧凑型多频段多输入多输出 （MIMO）天线设计。基于共面波导（CPW）馈电形式，通过非对称金属地与圆形单极子贴片结构的结合，该天线实现了 1. 72~2. 9 GHz、4. 4~8. 5 GHz 双频段覆盖 ，且兼容 5G n41/n79、电力无线专网及 Wi-Fi7 频段 。 该二元 MIMO 天线由两个对称放置的单极子天线构成，并加载栅格形隔离枝节与互补开口谐振环（CSRR）以提高天线单元间的隔离度，在 1. 72~2. 69 GHz、3. 25~3. 82 GHz、4. 1~4. 62 GHz 以及 4. 86~7. 15 GHz 频段内形成高隔离特性。实测表明，天线隔离度优于 24 dB，包络相关系数（ECC）＜0. 012，分集增益（DG）＞9. 999，峰值增益达到 4. 3 dB。研究结果表明，所设计的天线具有多频带覆盖、高隔离度及良好的分集性能等优势，在智能电网、5G 及 Wi-Fi7 通信系统领域具有重要的应用价值。

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有机电化学晶体管（OECT）是一种基于有机半导体材料的离子-电子耦合转换器件，凭借其高灵敏性、 生物相容性和低工作电压特性，在生物分子检测领域有着重要的应用潜力。生物标志物的高灵敏度检测对甲流检测早期诊断、健康监测及精准医疗具有重要意义。针对当前 OECT 性能优化中跨导提升受限的问题，本文通过建立新型物理模型，系统研究了沟道形态与栅极结构对器件传感增益的影响。该模型首次实现了对不同栅极组合下跨导与通用生物传感器性能的精准预测。研究表明，有机沟道层的长度与跨导呈负相关，宽度与厚度呈正相关。 通过优化沟道体积参数与栅极构型，跨导显著提升至 8. 2 mS，灵敏度较传统器件提高了 4~8 倍。