可穿戴超声贴片PMUT阵列，实现高保真成像质量
2026-05-31 10:44:38 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文提出了一种互辐射阻抗数学模型，用于预测PMUT阵列中每个单元的振动幅度，从而指导最佳单元排列，以同时提高灵敏度、带宽和声学均匀性。基于波束形成的声学输出，线性PMUT阵列的仰角孔径减小，提高了刚性硅基超声换能器的集成度和可穿戴性。
在可穿戴连续成像应用中部署的各种超声换能器中，通过微机电系统（MEMS）技术开发的压电式微机械超声换能器（PMUT）因其小型化和低功耗而具有巨大的可穿戴应用潜力。然而，PMUT阵列通常存在成像性能不佳的问题，而且除制造完成后的测量之外，目前没有有效的方法来评估大规模阵列的性能。
据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学牛鹏飞副教授和北京化工大学王茁晨副教授等人联合提出了一种互辐射阻抗数学模型，用于预测PMUT阵列中每个单元的振动幅度，从而指导最佳单元排列，以同时提高灵敏度、带宽和声学均匀性。基于波束形成的声学输出，线性PMUT阵列的仰角孔径减小，提高了刚性硅基超声换能器的集成度和可穿戴性。这项工作为开发大规模PMUT阵列建立了一个系统框架，能够实现具有紧凑外形、高保真成像质量、优异空间分辨率和低功耗的可穿戴超声贴片。相关研究成果以“High-uniformity miniaturized PMUT array with broadband and high-sensitivity for wearable ultrasound imaging”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
论文摘要图
在这项工作中，研究人员创建了一个包含1000多个PMUT单元的阵列等效电路模型（ECMA），以研究阵列内单元振动的均匀性。该模型能够高效计算阵列中所有单元的瞬时振动。研究人员针对不同的单元间距和配置计算了阵列性能，并提取了沿阵列中心线的位移和相位分布。分析表明，较小的单元间距和相应较高的填充因子有助于在整个阵列中实现更均匀的响应。
PMUT阵列中单元振动的均匀性和声耦合作用
进一步，研究人员设计了一种大规模的窄硅基PMUT阵列作为核心组件，以实现与皮肤自然轮廓的完美贴合，从而适用于可穿戴设备。这种设计利用衬底的固有刚度来保证操作过程中元件间的精确定位和几何完整性。这种协同方法成功地解决了成像稳定性和长期佩戴舒适性之间的传统权衡。
为了量化超窄阵列和宽阵列在声学性能方面的差异，研究人员采用其开发的ECMA计算了具有不同纵横比（AR）的64通道线性PMUT阵列的三维声场，并比较了它们的主瓣宽度和灵敏度。PMUT元件的工作频率为7 MHz。研究表明，所开发的超窄AR = 7:1 PMUT阵列在声学输出方面实现了边际权衡，同时大大降低了功耗，提高了佩戴舒适度，并保持了成像分辨率。这些特性使其非常适合可穿戴超声应用。所制造的64通道线性PMUT阵列的有效面积为1 cm × 0.15 cm，通道间的5 µm沟槽最大限度地减少了机械串扰。
用于可穿戴贴片应用的PMUT阵列开发
研究人员测量了PMUT阵列中单个通道超声传输性能。快速傅里叶变换（FFT）分析显示其谐振频率约为7 MHz，-6 dB相对带宽为90%。基于水听器灵敏度，相控阵激励下的聚焦压力估计为400 kPa。该值约为使用传统笨重探头进行高对比度成像所需声压（>1 MPa）的40%。此外，还进行了脉冲回波测量。在相同的驱动条件下，单个线性元件产生了250 mVₚₚ的回波信号，-6 dB带宽为63%。该值超过了医学成像最低要求的60%，从而有利于浅表组织的高分辨率成像。该PMUT阵列的横向分辨率约为0.26 mm，纵向分辨率约为0.25 mm。此外，其穿透深度超过3 cm，可实现浅表组织的高分辨率可穿戴成像。
PMUT阵列的超声成像表征
研究人员利用所设计的可穿戴超声贴片PMUT阵列，对志愿者的颈动脉、甲状腺、足背动脉等多处浅表器官进行了相控阵成像测试，实现了连续、实时、清晰的成像效果，证明该阵列具备优异的超声成像性能。
利用PMUT阵列对浅表组织进行的代表性超声成像
综上所述，本研究提出了一种具有等效电路模型的超大规模PMUT阵列的有效设计，并对其声学性能和人体成像结果进行了实验评估。采用较小单元间距的大规模PMUT阵列能够实现更好的成像深度和分辨率。尽管略微缩小仰角尺寸会降低PMUT阵列的声学输出，但其分辨率仍能与更大尺寸的阵列相当，同时显著提高佩戴舒适度并降低功耗。研究人员开发了一种面积为1 cm × 0.15 cm、中心频率为7 MHz的超窄64通道线性AlN-PMUT阵列。这种超窄PMUT阵列具有出色的均匀性、宽带响应和高超声输出。它实现了脉冲回波分带宽度超过60%、在人体组织中的穿透深度超过3 cm、以及横向/轴向分辨率分别为0.26 mm和0.25 mm的性能。对颈动脉、甲状腺和足背动脉的连续体内成像证明了其在浅表组织高分辨率可穿戴成像方面的能力。在连续成像过程中，所开发的PMUT阵列的表面温度变化极小，其性能也几乎保持不变。其功耗约为15.6 mW，比压电块体型超声换能器的功耗低几个数量级。这项研究为开发用于连续监测系统的高性能可穿戴超声贴片奠定了基础。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01331-z
延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
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