北理工研发高灵敏度MEMS压阻式压力传感器，用于颅内压监测
2026-02-26 10:21:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
北京理工大学谢会开教授团队提出了一种高灵敏度、高精度MEMS压阻式压力传感器，在医疗器械领域具有广阔的应用前景。
精准监测颅内压（ICP）对于神经系统疾病的诊断和治疗至关重要。尽管目前已开发出多种颅内压传感器，但其灵敏度普遍受限，难以探测细微的压力变化。因此，亟需研发更高灵敏度的颅内压传感器，以提升测量精度并改善患者预后。图1展示了具有代表性的有创和无创颅内压监测方法。
图1 有创和无创颅内压监测的代表性方法
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学谢会开教授的研究团队提出了一种用于颅内压监测的高灵敏度、高精度MEMS压阻式压力传感器。理论上，通过引入并优化了梁-膜-岛（beam-membrane-island）复合结构，相较于传统的平膜结构，显著提升了MEMS压力传感器的灵敏度和线性度。同时，梁端刻蚀的凹槽设计进一步增强了压力传感器灵敏度。实验结果表明，该MEMS压力传感器的灵敏度达到1.59 mV/V//kPa，非线性度为- 0.22% F.S.，并具备厘米水柱（cm H₂O）级分辨率，非常适用于颅内压监测。该压力传感器技术在医疗器械领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“A High-Sensitivity MEMS Piezoresistive Pressure Sensor for Intracranial Pressure Monitoring”为题，发表于Micromachines期刊上。
MEMS压阻式压力传感器的设计方法
该MEMS压力传感器膜结构设计遵循在保持高线性度的同时最大化灵敏度的原则。研究团队提出了一种集成四根窄梁与中心质量块的方形膜结构（如图2b），用于检测低于10 kPa的压力。研究人员模拟了无岛传感器和带岛传感器，相关模拟结果如图2所示。
图2（a）无岛传感器结构；（b）带岛传感器结构；（c, d）膜结构应力分布及位移模拟
图3展示了在10 kPa压力下模拟了梁宽度对于梁端应力的影响。梁宽度以10 μm增量从10 μm变化至150 μm，并测得压敏电阻（图3a中的红点处）的应力变化。结果显示，应力随梁宽的增加而显著降低；而梁宽度亦取决于压敏电阻的位置。
图3（a）梁端应力提取点；（b）红点处应力随窄梁宽度的变化
通过对梁宽度与凹槽刻蚀深度的模拟分析，研究人员设计出具有四根窄梁和中心质量块的膜结构，梁体采用缺口角设计。图4展示了压敏电阻的结构及模拟结果。为了清晰理解MEMS压力传感器的设计，研究人员在图5中标注了关键结构尺寸，包括正面结构、器件截面结构和压敏电阻结构。
图4（a）压敏电阻的结构示意图；（b）10 kPa压力下膜的应力分布；（c）传感器在不同压力下的非线性变化
图5 MEMS压阻式压力传感器的结构设计及参数示意图
MEMS压阻式压力传感器的制备工艺
图6展示了硅基压力传感器的制造工艺流程。图7展示了所制造压力传感器芯片的照片。研究人员对所制备芯片进行扫描电子显微镜（SEM）表征，包括整体芯片的SEM图像（如图7a）和截面图像（如图7b）。图8呈现了所制造压力传感器采用密封胶封装于TO封装中以进行后续实验测试。
图6 MEMS压阻式压力传感器的制造工艺流程
图7 MEMS压阻式压力传感器的照片
图8（a, c）MEMS压阻式压力传感器的封装结构；（b）实验测试装置
MEMS压阻式压力传感器的性能表征
图9展示了通过脑脊液（CSF）脑室引流实现颅内压监测的示意图。导管远端置入脑室，近端连接到压力传感器。脑脊液流入传感器后，即可实现颅内压实时监测。研究人员基于该MEMS压力传感器进行颅内压力监测应用，相关测试及装置如图10所示。
图9 颅内压传感器的原理图
图10（a）封装后的压力传感器；（b）压力测量装置；（c）压力测量的热性能实验装置
小结
这项研究提出了一种基于梁-膜-岛结构的高灵敏度、抗过载MEMS压阻式压力传感器。为验证所提出的设计方案，对原型进行了模拟、优化和制造。研究人员通过有限元模型（FEM）模拟分析了不同压力下膜的形变。实验结果表明，该结构可在保持抗过载能力的同时显著提升灵敏度，使其成为颅内压监测应用的理想候选器件。未来研究将通过优化实验条件与制造精度，进一步探究传感器的静态性能；同时开展全面性能表征和实际应用验证，评估该压力传感器在临床医疗压力检测中的可行性，为其工程化推广奠定坚实基础。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17020245
延伸阅读：
《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P883产品分析》
《Merit Sensor压力传感器及MEMS芯片产品分析》
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