无铅压电微机械超声换能器用于供电生物传感的比较分析

《Micromachines》：A Comparative Analysis of Lead-Free Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers for Powered Bio-Sensing

　　

为了利用超低功耗逻辑和架构设计技术用于人体内的生物传感器，无线超声技术已成为体内功率传输的有力候选，因为其较低的介质衰减和较高的允许安全强度水平。当考虑亚100微米尺寸的生物传感器时，大多数设备由于额外的缩放要求而难以保证适合数字电子设备的电压和功率。本研究调查了文献中报道的三种基于掺钪氮化铝(ScAlN)的压电微机械超声换能器(pMUT)，工作频率在1–10 MHz范围内。研究人员分析了它们在能量收集和信号传输性能方面的各自优势和局限性。结果表明，面积小于100×100 μm²的设备可以实现超过150 mV的电压输出和大于100 nW的平均功率。

**论文解读：无铅压电微机械超声换能器用于体内生物传感供电的比较分析**

**研究背景与问题**

随着微机电系统（MEMS）在生物医学领域的集成，植入式微型设备成为可能，这些设备需要无线供电以进行本地测量或治疗。超声波（US）技术因其在生物环境中具有较低的介质衰减（0.5–1 dB/cm·MHz）和更高的安全暴露极限，优于电磁波，成为体内功率传输的有力候选。压电微机械超声换能器（pMUT）结合MEMS技术与压电薄膜层，能在MHz频率下工作，适合与高阻抗流体耦合，并实现超声能量与电能的相互转换。然而，传统压电材料锆钛酸铅（PZT）含有铅，具有毒性且不符合生物医学与环保标准；同时，当生物传感器尺寸缩小至亚100微米时，多数设备难以提供足够的电压（≥150 mV）和功率（≥100 nW）以驱动数字电子电路。此外，现有文献对小型化pMUT在能量收集中的表现研究不足，特别是满足美国食品药品监督管理局（FDA）安全限值、小面积（<100×100 μm²）及生物相容性要求的综合性能评估尚属空白。因此，本研究旨在评估三种基于无铅掺钪氮化铝（ScAlN）的pMUT设计，在1–10 MHz工作频率下的能量收集与信号传输性能，并分析其是否满足上述设计目标。

**主要技术方法**

研究人员采用有限元（FE）数值模拟方法，通过COMSOL Multiphysics^?（版本6.3）进行三维仿真。模拟中，压电层为300 nm厚的掺钪氮化铝（Sc_0.15Al_0.85N），顶部电极为300 nm厚的钼（Mo），硅膜作为结构支撑层并兼作底部电极。声学介质为弹道凝胶（密度1060 kg/m³，声速1560 m/s），其声学特性模拟人体组织。仿真步骤包括：频率域分析评估接收器（Rx）灵敏度与发射器（Tx）声压，时域分析量化Tx-Rx系统中的能量收集性能。Tx采用8×8阵列，Rx为单个元件或2×2阵列（仅R19），并考虑FDA安全限值（空间峰值时间平均强度I_spta ≤ 720 mW/cm²）及声衰减（系数0.5 dB/cm·MHz）。

**研究结果**

**3.1 接收器**
通过频率域仿真，对单个R19、R32.5、R50以及2×2阵列R19的接收灵敏度进行分析。结果表明，在1 kPa参考声压下，R19单元件灵敏度约1.35 mV/kPa（共振频率10.5 MHz），2×2阵列R19灵敏度降至0.8 mV/kPa（共振频率13.7 MHz），表明声学与机械串扰的影响。R32.5灵敏度约6.5 mV/kPa（3.25 MHz），R50灵敏度约24.0 mV/kPa（1.16 MHz），面积越大，灵敏度越高，但共振频率降低，带宽变窄（从R19的2 MHz降至R50的0.2 MHz）。储能分析显示，R50在单周期内存储能量最多。

**3.2 发射器**
8×8阵列的发射性能通过频率域分析评估，在五倍波长距离处测量声压。R19阵列在14.0 MHz发射灵敏度约26 kPa/V，在10.5 MHz降至14 kPa/V。R32.5和R50阵列的发射灵敏度分别为22 kPa/V和10 kPa/V，共振频率与Rx匹配良好。

**3.3 Tx-Rx系统瞬态分析**
时域仿真中，Tx以20 V正弦电压驱动，频率对应各Rx共振频率。在5 mm距离下，R19单元件与2×2阵列的电压输出分别为104 mV（单）和76 mV（阵列），能量分别为0.21 pJ和0.32 pJ。R32.5输出187 mV，能量7.36 pJ；R50输出534 mV，能量42.0 pJ。结果表明，R50和R32.5在理想条件下满足电压与功率目标，但R19未达标。

**讨论与结论**

讨论部分首先评估FDA安全限值：R19 8×8阵列在连续波驱动下最大I_spta为8.44 W/cm²，需限制占空比至8.5%才能合规；单R19需30%占空比；R32.5和R50的I_spta分别为206 mW/cm²和17 mW/cm²，远低于FDA限值，无需占空比限制，这是显著优势。其次，考虑声衰减后（5 mm距离，频率依赖），R19单元件和阵列的衰减分别为47.6%和57%，导致电压降至54 mV和33 mV，能量降至0.06 pJ和0.06 pJ；R32.5衰减18%，电压降至163 mV，能量4.59 pJ；R50衰减7%，电压降至324 mV，能量43.0 pJ。此外，机械应力分析显示R19最大von Mises应力为1.67 MPa，远低于材料屈服强度，设备处于弹性范围。通过参考电阻负载（1 MΩ）计算平均功率，考虑占空比后，R19单元件和阵列的平均功率分别为0.84 nW和0.20 nW，远低于100 nW目标；R32.5平均功率111 nW，电压163 mV，满足要求；R50平均功率151 nW，电压324 mV，但面积（100×100 μm²）略超设计约束。

研究结论总结：Sc_0.15Al_0.85N作为无铅、CMOS兼容的压电材料，是PZT的优秀替代品。三种设计中，R50性能最佳但面积略大；R32.5在面积、电压（163 mV）和功率（111 nW）之间取得最佳折中，无需占空比限制；R19虽能高速运行，但受衰减和占空比严重制约，无法满足目标。未来工作将聚焦于制造与实验验证，优化几何结构以在5 MHz以下工作，并考虑非线性、热效应及粘弹性效应。