无铅PMUT助力植入式生物传感器无线供能
2026-11-08 16:40:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究揭示了无铅ScAlN PMUT在器件尺寸、工作频率与能量收集性能之间的设计权衡，为微型植入式生物传感器的无线供能器件设计提供了参考。
随着植入式生物传感器向微型化、低功耗方向发展，如何在有限空间内为体内电子系统持续供能，成为亟待解决的技术问题。压电式微机械超声换能器（PMUT）通过将MEMS工艺与压电薄膜结合，可在兆赫兹（MHz）频段实现声能与电能的相互转换，有望为植入式生物传感器提供无需传统电池的无线供能方案。
据麦姆斯咨询报道，意大利米兰理工大学研究团队针对三种不同尺寸的掺钪氮化铝（ScAlN）PMUT结构，对比了其在植入式生物传感器无线供能场景下的接收、发射及能量收集性能，并分析了PMUT器件尺寸、工作频率、声学衰减与安全声强限制之间的设计权衡。相关研究成果以“A Comparative Analysis of Lead-Free Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers for Powered Bio-Sensing”为题发表在Micromachines期刊上。
这项研究以无铅、生物相容性和器件微型化为设计原则，选取了三种文献报道的无铅掺钪氮化铝（ScAlN）PMUT结构，分别命名为R19、R32.5和R50，其单元节距分别为50、75和125 μm。PMUT器件均采用ScAlN压电薄膜、钼顶电极和硅支撑膜，并通过磷掺杂硅形成底电极。研究利用COMSOL软件在弹道凝胶介质中开展有限元仿真，对比了不同PMUT器件的接收、发射及能量收集性能，重点评估其能否在约100 × 100 μm²的占用面积内，实现5 mm传输距离下至少150 mV输出电压和100 nW平均功率的设计目标。
图1 PMUT器件的截面结构及相关功能层厚度
图2 数值仿真采用的边界条件：（a）PMUT器件；（b）频域与瞬态分析的声学域
图3 弹道凝胶介质中的R19 2 × 2阵列配置
在接收模式下，单个R19的接收灵敏度约为1.35 mV/kPa，组成2 × 2阵列后，受声学与机械串扰影响，灵敏度降至0.8 mV/kPa；尺寸较大的R32.5和R50则分别达到约6.5和24.0 mV/kPa，但工作频率和接收带宽随尺寸增大而降低。发射端统一采用8 × 8阵列，在各自工作频率下，R19、R32.5和R50阵列的发射声压灵敏度分别约为26、22和10 kPa/V。结果表明，PMUT器件尺寸及工作频率对收发性能具有显著影响，需要综合考虑接收灵敏度、发射能力及阵列串扰等因素。
图4 不同PMUT配置在弹道凝胶中的接收灵敏度
图5 8 × 8 PMUT发射阵列在凝胶介质中距阵列五个波长处产生的声压
在5 mm传输距离和20 V发射驱动条件下，仿真结果表明，高频R19器件受到声强安全限值和声学衰减的双重制约。R19 2 × 2阵列及单个R19的占空比分别须限制在约8.5%和30%，声压幅值分别衰减57%和47.6%；相比之下，R32.5和R50在研究采用的720 mW/cm²声强限值下无须额外限制占空比，声压幅值衰减仅为18%和7%。在计入声学衰减及占空比限制后，以100 kΩ电阻负载估算，R32.5可获得163 mV输出电压和132 nW平均功率，满足两项设计目标；R50虽然具有更高的输出电压和平均功率，但125 × 125 μm²的占用面积超出了尺寸要求。综合来看，R32.5在器件尺寸与能量收集性能之间取得了较好的平衡。
图6 不同PMUT器件的输出电压、储存能量及瞬时功率
总体而言，这项研究通过有限元仿真揭示了无铅ScAlN PMUT在器件尺寸、工作频率与能量收集性能之间的设计权衡，为微型植入式生物传感器的无线供能器件设计提供了参考。研究团队表示，后续将以R32.5为基础，进一步优化膜层厚度与器件几何结构，在尽可能缩小占用面积的同时，将目标工作频率保持在5 MHz以下。后续还将采用空腔上硅技术（silicon-on-nothing）开展PMUT器件制备与实验验证，评估真实生物介质中的声学传播特性，并探索PMUT阵列与CMOS电路的集成，推动相关无线供能技术的进一步发展。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17070845
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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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