首页 > 传感器 > 超声波传感器 > 正文

基于硅纳米柱CMUT的一次性可穿戴柔性超声贴片
2025-07-27 15:42:01 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

这种经济、一次性snCMUT贴片可实现多点监测血压波形，为心血管健康评估和管理提供显著的临床优势。通过同时监测双侧颈动脉，该一次性snCMUT贴片有助于识别单侧测量遗漏的高血压患者，检测不对称动脉僵硬度，指导精准治疗方案，增强患者安全性，并支持手术规划和术后评估。

超声已成为一种应用广泛的医学成像方法，可对深层组织、器官和血流进行无创、安全的实时成像。与X射线、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）相比，超声设备相对紧凑且成本较低。可穿戴设备及相关技术的最新进展，推动了可穿戴超声换能器阵列的开发，这使其能够应用于更多的场景，包括监测不同身体部位的血流、心血管结构成像以及绘制组织模量图等。

然而，可穿戴超声设备由于其固有的材料限制，仍存在许多问题和挑战。首先，作为可穿戴超声设备的重要组成部分，含铅的压电材料会引发环境问题，违反了“有害物质限制指令（RoHS）”。其次，压电材料的固有特性需要较厚的背衬层来定义超声传播方向、缩短脉冲持续时间，同时加速阻尼振动。当背衬层不足时，由于超声换能器的振铃和混响，轴向和横向分辨率都会恶化。因此，厚度使其不太适合可穿戴超声应用，特别是用于连续监测的可穿戴贴片。第三，随着阵列尺寸和密度的增加，将刚性压电材料与柔性电极组装以实现共形接触变得越来越困难。因此，在需要窄间距、最小化切割损耗以及多元件以实现高分辨率成像的医学成像领域，由于超声换能器波束宽度，会出现障碍。最后，由于超声波换能器阵列的高生产成本，出于经济性考量，可穿戴超声探头通常需要重复使用。虽然使用一次性医疗覆盖层重复使用超声探头在医学成像领域已是标准做法，但一次性超声探头的概念为可穿戴超声贴片提供了明显优势。一次性超声探头可以解决医疗环境中的卫生、感染控制和交叉污染等问题，为医疗保健提供方和患者提供了便利性和成本效益。特别是，一次性超声探头提高了患者安全性，并消除了对消毒的需求，能够简化严格卫生规范环境下的诊断程序。

基于硅晶圆和半导体制造技术，电容式微机械超声换能器（CMUT）为基于压电材料的超声换能器提供了一种无铅替代方案，CMUT具有高元件密度和微型化优势，在医学成像领域具有巨大潜力。无铅的CMUT避免了环境法规的限制，而批量生产能力，使其即使在高元件密度的情况下也能大幅降低制造成本，进而推动实现一次性超声波探头贴片。此外，与传统基于压电材料的超声探头相比，CMUT具有更高的灵敏度、图像分辨率和带宽。与长期使用情况下因温度升高导致压电特性下降和信噪比（SNR）降低的压电换能器不同，CMUT即使在长时间使用时也能避免温度升高，因此更适合长期监测的可穿戴贴片。然而，尽管CMUT在可穿戴贴片中进行高分辨率超声成像具有潜力，但其应用面临挑战，包括低输出压、高偏置电压等，这提高了驱动电压并限制了成像深度。

据麦姆斯咨询介绍，韩国科学技术院、江陵原州国立大学及美国斯坦福大学的研究人员近期在Nature Communications上发表了一篇题为“Silicon nanocolumn-based disposable and flexible ultrasound patches”的研究成果。该研究提出了一种具有优异压力输出的柔性CMUT，专为一次性贴片中的实时可穿戴超声成像设计。

本研究所提出的一次性snCMUT贴片

利用半导体和微加工技术，这种基于硅纳米柱电容式微机械超声换能器（snCMUT）阵列设计的无铅超声贴片具有一次性、环保的特点，且制造成本低。该皮肤贴合型超声贴片由弹性体填充的沟槽分隔的独立柔性CMUT元件组成，安装在柔性印刷电路板（FPCB）上，并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装。为提高传输效率并降低功耗，硅纳米柱被用作snCMUT运动板下的弹簧，增加了平均位移。采用刚性岛技术制造的snCMUT阵列具有高柔性（最小曲率半径<1毫米）、可拉伸性（高达140%而不降解）和最小厚度（封装后约900微米），非常适合可穿戴应用。

硅纳米柱和snCMUT阵列的制造