三維超薄曲面PMUT芯片實現低電壓驅動的穿戴式血管超聲監測

MEMS 2025-08-30 07:00

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動脈硬化、高血壓等血管疾病是腦卒中的核心誘因，其早期診斷與持續監測是腦卒中風險干預及療效評估的剛性需求和核心環節。超聲監測是血管結構與血流動力學無創評估的標準方法，將超聲監測升級至“穿戴模式”可實時監測血栓形成和血流異常，動態預警卒中風險并指導抗凝藥物精準調控，顯著提升卒中防控效能。

當前穿戴式超聲監測裝置多采用壓電陶瓷塊體超聲換能器，因其厚度振動模式需維持百微米級壓電層（>100μm），其驅動電壓常需>100V以保證超聲強度。壓電式微機械超聲換能器（PMUT）基于彎曲振動模式，振膜厚度可降至1μm以下，實現低驅動電壓下血管超聲監測，比如已報道的最低驅動電壓~15-20V下的橈動脈血壓監測，且半導體工藝支持PMUT低成本量產，因此PMUT以超輕薄、低功耗等特性完美匹配穿戴式血管超聲的核心需求。

穿戴式設備需要低驅動電壓（通常<5V），降低PMUT驅動電壓可優化系統功耗、提升安全性并增強集成度。然而，PMUT尤其是AlN-PMUT因壓電效率低，導致聲輸出弱，需要高驅動電壓補償穿透力。提升PMUT的聲輸出是實現穿戴式血管超聲監測應用的關鍵所在。然而傳統的半導體工藝以平面工藝為主，平面式PMUT需要額外的結構層以產生非零壓電力矩，這導致顯著的能量損耗。

據麥姆斯咨詢報道，近年來，天津大學精儀學院龐慰教授團隊、牛鵬飛老師以及北京化工大學王茁晨老師提出三維超薄曲面PMUT芯片，破解當前穿戴式血管超聲驅動電壓較高的難題。

如圖1(a)(b)結構示意和SEM剖面所示曲面PMUT芯片，其利用振膜曲率使壓電力產生垂直分量，無需額外的結構層即可實現機電轉換，大幅提升靈敏度和能量利用率。理論研究證明，同等頻率下，膜厚越薄靈敏度越高（圖1(c)(d)），且該效應在<10MHz的PMUT芯片中尤為顯著，覆蓋淺表血管監測的5-10MHz常用頻段。

圖1 三維超薄曲面PMUT微元的(a)三維結構和(b)二維截面SEM示意圖；其靈敏度與曲面的(c)縱向高度及膜厚(d)橫向及縱向高度的關系。

該團隊研制了膜厚為0.7μm、中心頻率為7.5MHz的硅基曲面AlN-PMUT芯片，在5Vpp電壓驅動下即可清晰記錄橈動脈振動及血壓特性（圖2(c)(d)），其低壓特性完美匹配當前主流消費電子芯片，并且芯片面積<2mm2，滿足穿戴式血管超聲設備微型化集成需求。

圖2 (a)(b)穿戴式超聲橈動脈血管監測示意圖；驅動電壓5Vpp狀態下(c)典型血管前后壁回波示意圖和(d)經橈動脈振動換算的血壓波動曲線。

該研究成果于2025年8月19日以“Ultrathin Diaphragm Curved Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers Enabling 2.5 V Low Voltage Artery Monitoring”為題發表在IEEE生物醫學工程匯刊Transactions on Biomedical Engineering上。該論文第一作者是天津大學精儀學院碩士研究生胡小帆和博士研究生馬永全。詳情請參閱：DOI: 10.1109/TBME.2025.3600551。

面向頸動脈成像，該團隊研制64通道曲面AlN-PMUT線陣探頭（圖3(b)），其振膜厚度為0.7μm、中心頻率為5MHz、-6dB帶寬為50%、通道間距為0.21mm。利用Verasonics系統，以1個20Vpp正弦脈沖驅動探頭，實現信號采集與頸動脈實時成像（圖3(a)）。如圖3(c)所示，頸動脈壁以及周邊肌肉可被清晰捕獲，仿體實驗證實其成像深度可達6cm。雖然其頸動脈圖像清晰度與Philips L12-3ERGO探頭和EPIQ 5商用成像系統所采集的圖像存在差距，然而經探頭阻抗匹配優化、接口重設計及圖像增強算法升級，系統頸動脈成像分辨率顯著提升。

該研究成果被2025年9月15-18在荷蘭烏得勒支舉行的2025 IEEE國際超聲波研討會接收（IEEE IUS 2025, Utrecht, Neverlands），并獲組委會學生旅行助學金（Student Travel Grant）資助，將在研討會上做口頭報告。報告題目: Low Voltage Driven Wearable Ultrasound Phased Array Imaging of Carotid Artery with Highly-Sensitive Curved PMUT Arrays，報告人：天津大學精儀學院博士研究生馬永全。