低电压、超宽带可穿戴MEMS超声，实现连续心血管成像与监测
2026-11-06 10:34:21 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
中国科学院微电子研究所和中国人民解放军总医院等机构的联合研究团队提出了一种可穿戴、高扩展性的PMUT阵列，从根本上打破了电压-带宽的权衡。该PMUT阵列依托一种新型“频率融合”架构，能够在与标准CMOS逻辑器件兼容的低电压驱动下工作。
对深部组织血流动力学的连续无创监测，是理解心血管疾病发生机制并指导早期临床干预的基本前提。近年来，可穿戴压电超声技术已成为实现连续生理传感的革命性工具。这类可穿戴系统突破了传统大型超声探头的局限，能够对活动状态下的受试者进行中心血压、心功能和深部器官血流动力学的长期动态可视化监测。
微机电系统（MEMS），尤其是压电式微机械超声换能器（PMUT），为实现低电压、与片上系统（SoC）兼容的可穿戴集成系统提供了一种高度可扩展的途径。得益于其微尺度弯曲膜片结构，PMUT能够在极低的驱动电压下产生声波。然而，利用PMUT实现临床级脉冲回波超声成像仍然面临挑战。其主要瓶颈在于严苛的物理权衡：在极低驱动电压下工作的膜片式PMUT，其声发射效率和分数带宽（通常小于30%）有限。窄带宽会导致空间脉冲长度延长，直接降低了精准医学成像所必需的轴向分辨率。
据麦姆斯咨询报道，中国科学院微电子研究所和中国人民解放军总医院等机构的联合研究团队提出了一种可穿戴、高扩展性的PMUT阵列，从根本上打破了电压-带宽的权衡。该PMUT阵列依托一种新型“频率融合”架构，能够在与标准CMOS逻辑器件兼容的低电压驱动下工作。通过将不同直径的弯曲模式PMUT单元精细并行接入独立驱动通道，并借助多级等效电路（EQC）模型定量研究这种声学耦合效应，实现频率性能的动态编程，将频率响应整合至统一的超宽带频谱。此外，该研究构建了一套完整的验证框架，涵盖了基于SOI晶圆的批量制造工艺以及全集成医学成像验证流程。该研究为长期、抗运动干扰的连续血流动力学监测提供了可行且经交叉验证的基础，为可大规模量产的临床级心血管超声SoC平台奠定了基础。
上述研究成果已经以“Low-voltage, ultra-broadband wearable MEMS ultrasound: a frequency-merged, wafer-scale framework for continuous in vivo cardiovascular imaging and monitoring”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
图1 超宽带1 x 64 PMUT阵列的系统架构与应用
PMUT阵列的频率融合设计及晶圆级制备
研发的超声贴片核心基础元件是一种工作于弯曲振动模式的PMUT。从结构上看，PMUT单元包含一层夹在上下电极之间的压电有源层，该结构置于硅弹性膜片之上。刻蚀腔体的几何边界精确限定了有效振动膜片的结构及振动分布，有别于经典的活塞模式。为最大限度的提高机电耦合系数与面外位移，研究人员对各层厚度进行了严格优化：硅弹性层厚度为5 μm、锆钛酸铅（PZT）有源层为3 μm，以及两层均为100 nm的铂电极。此外，通过分析将顶部电极的覆盖面积调整为腔体半径的67%，确保了最优的弯曲驱动效果。借助正压电效应与逆压电效应，这些分立的单元可作为高响应度的超声发射器（Tx）和接收器（Rx）。
图2 超宽带PMUT阵列的设计、制备与机电建模
为了从根本上打破带宽与电压之间的权衡，研究团队设计了一种分层式“频率融合”架构。从宏观结构来看，该器件采用间距为520 μm的64个独立通道组成的一维阵列。在每个通道内集成了3 x 8 PMUT单元组成的子阵列，这些单元以固定间距紧密排列。为了合成宽且连续的频率响应，该子阵列集成了八种不同腔径的单元，腔径范围为90至125 μm，步长为5 μm。相同尺寸的单元在水平方向（每行3个）串联连接，以提升输出声压，不同腔径的单元则在垂直方向并联。
为了弥合实验室原型与可大规模生产的可穿戴器件之间的差距，研究团队为超宽带PMUT阵列开发了一种高扩展性、高良率的晶圆级制造工艺。该方法完全基于标准MEMS批量制造工艺，确保了卓越的器件一致性、可靠的稳定性以及成本效益。
图3 PMUT阵列的频率融合机制在电学、力学和声学方面的实验验证
高分辨率、深穿透体外超声成像
如下图所示，所开发PMUT阵列的单焦点发射策略显著提升了器件的信噪比，将有效成像深度拓展至9 cm。为定量验证成像保真度，研究人员从重建的线靶中提取了轴向和侧向点扩散函数（PSF）。测得的PSF不仅与平面波和单焦点波束形成策略下的数值模拟结果定量吻合，而且在本研究采用的相同测试条件下，也可与标准商用刚性超声探头的空间分辨率媲美。在3 cm深度处，轴向分辨率为0.64 mm，侧向分辨率约为1.27 mm。这证实了采用5伏峰值电压驱动的宽带PMUT阵列具备实现诊断级超声成像精度的潜力。
图4 5伏峰值电压驱动宽带PMUT阵列的体外PSF成像分辨率表征及二维B型体模成像评估
总而言之，所有体外验证均明确表明，所提出的晶圆级低电压PMUT架构兼具高空间分辨率和具有竞争力的穿透深度，能够为高性能体内血管成像提供支持。
多种心血管结构的体内B型和M型成像
在高达4 cm的体内穿透深度下，对颈总动脉的高保真B型成像成功分辨出了血管的前壁和后壁。这款微型化、低电压贴片所捕捉到的解剖特征，与在同一平台上使用大型商用超声探头获取的参考图像高度一致。此外，在持续施加5伏激励的条件下，该阵列可跨多个心动周期无缝获取颈动脉、肱动脉和桡动脉的高时间分辨率M型超声图像。在最大3 cm深度下，可清晰评估血管壁的舒张期和收缩期运动状态。
图5 基于可穿戴PMUT贴片的体内心血管超声成像
最后，研究人员通过对一名受试者进行连续9小时的颈动脉血流动力学监测，评估了该传感器的长期佩戴性和运动适应性。结果表明，该可穿戴传感器阵列成功捕捉到了由姿势变化和代谢需求变化引发的瞬时生理反应。在整个9小时连续监测实验中，志愿者表示佩戴期间皮肤无任何不适。此外，红外热成像证实，器件在连续运行9小时后表面未出现明显温升。
小结
该研究开发的晶圆级超宽带PMUT阵列从根本上突破了可穿戴超声器件长期存在的物理限制。通过引入一种新型的频率融合架构并优化微观尺度的机电耦合，有效打破了带宽与电压之间的权衡。该器件在仅5伏峰值电压的极低工作电压下，实现了81.7%的分数带宽，体外穿透深度达9 cm，体内穿透深度达3 cm。该研究填补了可扩展微电子技术与临床级超声技术之间的重要空白。这一极具前景的可穿戴MEMS超声平台为下一代个性化心血管医疗保健以及先进数字医学的普及铺平了道路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01451-6
推荐培训：《第84期“见微知著”培训课程：超声换能器技术及传感与成像应用》
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》