可植入MEMS电容式压力传感器，实现无线持续监测眼内压
2026-07-25 22:10:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

眼内压（IOP）是指眼球内部的液体压力，主要由前房和后房中房水生成与流出之间的平衡决定。维持正常眼内压对眼部结构和视觉功能至关重要。异常的眼内压，尤其是眼内压升高，是青光眼的主要危险因素，而青光眼是全球致盲的主要原因之一。因此，持续监测眼内压对于降低持续性眼内压升高引发的进行性视神经损伤风险至关重要。传统的眼内压评估方法存在重大局限性，它们通常仅能在日间临床就诊时提供单点眼内压测量值。因此，它们无法捕捉全天24小时内发生的、具有临床意义的眼内压波动。

据麦姆斯咨询介绍，美国南佛罗里达大学的研究团队设计并实现了一种无线MEMS电容式压力传感器，可用于眼内压的持续监测。该传感器将变间隙电容器与固定螺旋电感集成，构成无源LC谐振电路。眼压引起的电容变化会使谐振频率发生偏移，通过与外部读出单元的互感耦合即可检测压力变化。该传感器的设计压力范围为0–50 mmHg，既覆盖了正常眼内压范围，也涵盖了青光眼监测所需的更宽异常眼内压范围。相关研究成果已经以“Wirelessly Interrogated, Implantable Capacitive MEMS Sensors for Continuous Intraocular Pressure Monitoring”，为题发表于Sensors期刊。

眼内压传感器设计

该眼内压传感器由一个固定的螺旋电感和一个可变电容器组成，二者共同构成一个无源LC谐振回路。该电容器包含两块平行极板：一块固定的底部电极，以及一块可移动、对压力敏感的膜片，该膜片充当顶部电极。当受到眼内压作用时，膜片会发生偏转，改变电极之间的间隙，从而改变电容。LC谐振回路中由压力引起的变化会表现为谐振频率和相位响应的偏移，可通过外部读出电路和矢量网络分析仪（VNA）进行无线测量。

图1 带感应耦合读出电路的眼内压传感器等效电路模型

随着施加压力的变化，电容会相应改变，导致谐振频率发生偏移。这种频率偏移可通过带有外部读取线圈的感应遥测技术实现无线压力传感。通过磁耦合，外部线圈激发可植入眼内压传感器的LC谐振器，并支持无线读取。

MEMS薄膜电容器设计

研究人员利用CoventorWare对MEMS薄膜电容器进行了设计与分析。这项仿真研究首先对候选结构材料和薄膜几何结构展开评估，在有限元（FEM）仿真中考量了镍、铜和硅三种材料。最终选定镍作为MEMS薄膜电容器的结构材料，原因在于其具备生物相容性且无磁性，可避免对附近的精密电子器件造成干扰。在MEMS电容器的设计过程中，研究人员通过参数化方法探究了薄膜尺寸、厚度以及间隙间距的多种组合情况。最终确定采用500 μm × 500 μm、厚度约2 μm的镍膜作为压力敏感结构，并将电容器间隙优化至2.5 μm。

眼内压传感器的制备

下图展示了MEMS电容式压力传感器完整的制备工艺流程。该工艺首先对抛光硅衬底进行热氧化处理，以形成1.5 µm的绝缘膜，将表面微加工结构与下方的硅基底分隔开。随后，通过溅射和剥离工艺定义200 nm的铬/钌金属叠层，作为电容器下电极。接着，在该下电极上整体沉积120 nm的二氧化铪层作为介电保护层，以避免短路。涂覆2.5 µm厚的光刻胶层作为牺牲层，再利用钛/铜籽层进行镍电沉积，同时制备螺旋电感和2 µm厚的电容器上电极。

图2 眼内压传感器的分步制备工艺

在镍电镀工艺中，选用氨基磺酸镍镀液来制备低残余应变、高延展性的沉积膜。加入硼酸以将pH值维持在3.5至4.5之间，抑制点蚀和形貌不规则现象。电镀完成后，通过湿法蚀刻选择性去除籽层。

图3 眼内压传感器的形貌图

在最终的MEMS释放工艺中，首先对晶圆进行切割。随后，将切割后的芯片浸入30%过氧化氢（H₂O₂）与29%氢氧化铵（NH₄OH）按1:1体积比混合的溶液中，浸泡两分钟，以选择性去除场区的钛/铜籽层。接着，使用AZ400T剥离剂或1165去除剂溶解牺牲性光刻胶，实现眼内压传感器的释放。最后，在完成的结构上沉积一层保形‌聚对二甲苯C型聚合物薄膜，为电容式换能器形成密封封装。

眼内压传感器的性能验证

该研究采用水囊测试法在受控条件下对MEMS眼内压传感器进行了性能表征。如下图所示，向水囊中泵入水以产生可控压力，以此模拟眼内压，进而在0–50 mmHg的目标眼内压范围内开展加压测试。该压力会使眼内压传感器的上膜片发生形变，引起电容变化，进而导致LC传感器的谐振频率发生偏移。

图4 眼内压传感器水囊测试装置示意图

此外，研究人员还通过一套定制的水下压力加载控制装置对微型化无线电容式眼内压传感器进行了性能表征。如下图所示，该装置由注射泵、压力表、眼内压传感器、外部读取线圈以及Keysight PXI M9372A矢量网络分析仪组成。在浸没状态下，传感器浸没于液体中，注射泵施加可控液体压力以模拟眼内压。矢量网络分析仪则通过谐振频率偏移和相位变化来测量传感器的相应响应。

图5 定制化眼内压传感器水下测试装置示意图

为模拟眼内环境，研究人员向玻璃容器中注入液体以构建可控压力环境，实现了0–70 mmHg压力范围内的特性表征。定制装置中的压力通过注射泵逐步升高，使传感器的顶部膜片发生偏转。这种形变会改变膜片电容，并引发相应的谐振频率偏移。得益于读出电路的设计，利用射频技术可精准测量谐振响应的幅度和相位。结果显示，随着压力增大，谐振频率明显降低，这与膜片在压力作用下偏转导致传感器电容预期升高的规律一致。

结论

该研究展示了一种MEMS电容式眼内压传感器的设计、建模、制备与表征，该传感器可用于持续无线监测眼内压。通过多物理场仿真和电路分析，对可植入眼内压传感器及外部检测电路进行了系统化设计与优化。研究开发了一套完整的微加工与密封封装工艺，实现了适用于眼部环境运行的微创可植入传感器的批量制备。外部读取线圈以及矢量网络分析仪或阻抗分析仪可实现无线检测。所开发的无电池、可植入眼内压传感器未来有望整合进美国食品药品监督管理局（FDA）批准的微创青光眼手术设备。

论文链接：https://doi.org/10.3390/s26092806

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