基于聲傳感器的新型MEMS聽診探頭結構設計初探*

郭　楠，張國軍*，王續博，劉　源，劉夢然，張斌珍，薛晨陽，張文棟

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

基于聲傳感器的新型MEMS聽診探頭結構設計初探*

郭楠1，2，張國軍1，2*，王續博1，2，劉源1，2，劉夢然1，2，張斌珍1，2，薛晨陽1，2，張文棟1，2

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

針對傳統聽診器主要依靠醫生聽診，根據個人經驗判斷病情的問題，結合MEMS技術和聲傳感器，設計了一種基于聲傳感器的新型MEMS聽診探頭微結構。該MEMS聽診系統由MEMS聽診探頭中的敏感微結構接收人體心音信號，經過運算放大和濾波，轉換為電信號進行后續分析。建立了聽診頭敏感微結構的數學模型，利用ANSYS軟件仿真得到該結構的動態特性。利用MEMS工藝加工出聽診頭敏感微結構并進行初步測試，測試結果表明提出的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器可以實時顯示聽診對象的心音波形。將MEMS聲傳感器應用于臨床聽診為心音采集提出了一種新的思路，具有廣泛應用前景。

MEMS技術；聲傳感器；聽診探頭；敏感微結構

聽診是醫學臨床診療中的一種重要診斷方法，一般使用聽診器放大聽診器官發出的聲音。1816年，法國醫生Laennec發明了聽診器，并出版專著介紹聽診器及心肺聽診技術。1851年，美國醫生George Cammann對聽診器進行改進，成為沿用至今的聽診器基本模型。1999年，美國3 M Littmarm公司研制并生產出電子聽診器，解決了聽診器無法保存聲音資料的缺陷。2000年，基于聲學基礎的震蕩反應成像系統應用于臨床。2006年，美國軍方在美國檀香山召開的聲學會議上展示了有源聽診器，使聽診器在嘈雜、運動、顛簸等特殊環境中仍然可以發揮作用［1-3］。傳統聽診過程中存在環境噪聲的影響，且主觀經驗依賴度高，不能實時觀察聽診波形，無法直觀精確地給出量化的聽診結果，且無法保存聽診數據，還易造成醫生的感染［4-5］。因此臨床上亟需一種準確性高、簡單易用、成本低廉、體積小巧、實時顯示的聽診裝置，讓臨床醫生在心臟或肺部聽診的同時能看到相應信號的波形圖，以便對病人的病變做出更加準確的判斷，并進而促進心腦血管疾病和呼吸系統疾病的研究和診治。

文中提出一種基于聲傳感器的新型MEMS聽診探頭，利用MEMS技術，結合聲音傳感器，具有體積小、成本低、可靠性高、實時顯示等優勢［6］，可實現對聽診音的精確檢測，可為科學直觀地聽診預判提供有力輔助。

項目來源：國家863計劃項目（2013AA09A414）

收稿日期：2015-07-28修改日期：2015-08-21

1　結構設計

1.1理論依據

基于聲傳感器的新型MEMS聽診器工作時，聽診探頭微結構中框及連接塊的運動可以近似看作剛體運動，其主要作用是連接和力的傳遞，而本身并不會產生形變，則驅動梁和檢測梁可以認為是相互獨立的結構［7］，可以獨立地進行分析。同時，由于檢測梁與驅動梁結構的相似性，其力學特性可以采用相同的理論來描述。

聽診探頭微結構中，懸臂梁結構可以考慮為彈性支撐梁，如圖1所示，該結構可以提供穩定的支撐和較小的彈性剛度。折線彈性支撐梁受力分析時可以認為是由兩根彈性懸臂梁連接而成［8］。

圖1　聽診探頭微結構力學模型

多根折線彈性支撐梁根據連接的方式不同可以分為串聯和并聯：串聯的特點為又有梁公用一對固定端和作用端，可以認為它是在彈性梁厚度和寬度不變的情況下長度的增加，此時梁的彈性剛度減小；并聯的特點為每一個彈性梁都有一對固定端和作用端，可以認為它是在彈性梁長度不變的情況下厚度或寬度的增加，此時梁的彈性剛度增大。

對于本設計中的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器聽診探頭微結構，其檢測梁具有相互對稱的兩根彈性支撐梁結構，可以認為其連接方式為并聯，同時考慮結構的對稱性，根據材料力學的相關理論得到折線彈性支撐梁的等效剛度為：

距懸臂梁根部x處的應力大小為：

可以看出，梁上所受應力位于梁根部位置，即x=0處存在最大值：

由此可以得到梁上的最大應變同樣位于梁的根部，其大小為：

式中，L、b、h分別為每根彈性支撐梁的長、寬、高，Fc為梁的作用端（質量塊）受到的力（柯氏力）的大小，E為材料（硅）的楊氏模量。

可以得到結構固有頻率為：

1.2敏感微結構設計和工作原理

現在常見的電子聽診器使用的是動圈式傳感器，但其靈敏度不高，且價格昂貴，而所設計的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結構使用MEMS技術加工的一維傳感器，體積小，可批量加工，成本低廉，靈敏度高，且應用簡便，因此更具備可行性。

基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結構的主要設計參數包括質量塊和檢測梁的長、寬、高，設計時需要綜合考慮工藝約束、性能指標以及體積的限制，得到所設計的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結構的初始尺寸參數如表1所示，微結構示意圖如圖2所示。

表1　聽診探頭微結構尺寸參數

圖2　聽診探頭微結構

微結構在XOY平面內對稱，中心質量塊尺寸相對懸臂梁大得多，起到增大聲音接觸面積的作用，懸臂梁根部局部尺寸變窄，使得根部應力增大，并在其上布置壓敏電阻。當有聲音作用于微結構上時，懸臂梁發生變形，壓敏電阻受到相應的拉應力和壓應力，電阻阻值發生變化，產生輸出電壓，檢測輸出的電壓值就實現了聲信號到電信號的轉換。

心音的頻率范圍是30 Hz～600 Hz，腸音的頻率范圍是 0～1 500 Hz，肺音的頻率范圍是 100 Hz～1 500 Hz［9］。根據它們的頻率分布特點，選擇適當的高、低通濾波器對聽診音進行分別選取，再將處理后的聽診音傳輸至示波器進行實時顯示。

將基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭貼于被聽診者的待聽診器官處，MEMS聽診器的聽診探頭微結構將微弱的心肺音機械振動轉化為電信號，經過心音前置放大器的信號調理后，送至濾波器，濾除放大器本身及外界傳入的高頻噪聲以及心音信號中沒有診斷價值的高頻成分。信號經比較器處理后傳送至示波器顯示實時心音信號波形，功率放大后可傳輸至揚聲器供監聽（圖3）。

圖3　工作原理示意圖

2　有限元分析

基于ANSYS軟件對設計的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結構進行有限元仿真分析，驗證其力學特性和動態特性。建立有限元模型，然后對其進行靜力分析、模態分析以及諧響應分析，得到結構的力學特性、振型和動態響應仿真值。仿真過程中用到的材料屬性參數如表2所示，靜力分析結果如圖4所示，模態分析和諧響應分析如圖5所示。

表2　材料屬性參數

從靜力仿真可看出最大應力出現在梁根部，通過ANSYS路徑分析提取纖毛上表面x方向中心線為正應力數據映射路徑，得到該中心線上各點的正應力分布曲線。通過應力分布云圖和數據映射曲線圖可以看出最大應力出現在纖毛梁的根部，而且應力分布基本是線性的，這與理論分析是一致的。由模態分析和諧響應分析結果看出，微結構的固有頻率為3 415 Hz，心肺音信號的主要頻率范圍集中在30 Hz～1 500 Hz，在結構頻帶范圍之內，因此設計的微結構能夠滿足使用要求。

圖4　靜力仿真結果

圖5　模態和諧響應分析結果

3　MEMS加工工藝

基于聲傳感器的新型MEMS聽診器探頭敏感微結構的加工采用基于SOI硅片的MEMS工藝進行加工，工藝路線如圖6所示。

本工藝路線采用體加工工藝，初始的SOI硅片（圖6（a））的器件層經第一次RIE刻蝕形成背面梁結構，另取一片硅片進行氧化和RIE刻蝕形成空腔（圖6（b））。通過陽極鍵合，將經過兩次刻蝕的SOI硅片器件層與硅片進行鍵合（圖6（c）），此后通過濕法刻蝕去除SOI硅片的襯底層和二氧化硅埋層（圖6（d））。對鍵合后的結構進行氧化和刻蝕，形成壓敏電阻排布區窗口（圖6（e））。通過離子注入的方法形成壓敏電阻（圖6（f））。通過化學氣相沉積在頂層形成一層氧化層（圖6（g））并刻蝕（圖6（h））、正面濃離子注入形成歐姆接觸區（圖6（i））。濺射形成金屬互連線（圖6（j）），最后進行去膠清洗形成敏感微結構。

圖6　敏感微結構MEMS加工工藝路線

4　實驗結果

將設計的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結構進行芯片焊接、封裝，然后對封裝好的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器樣機（圖7）連接示波器進行初步測試。聽診對象為一隨機選擇的健康男性青年，室溫室內環境，檢測到的心音波形圖如圖8所示。由圖可以看出，該聽診對象的心動周期約為700 ms，心率約為85次/分，第1第2心音效果明顯，設計的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器可以清晰明顯地反映心音信號。

圖7　初步封裝的MEMS聽診器樣機

圖8　實測心音波形圖

5　結論

本文提出了一種基于聲傳感器的新型MEMS聽診器，將MEMS技術和壓阻原理應用于聽診探頭，設計了壓阻式的聽診探頭微結構。設計的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結構可準確檢測到被聽診對象的心肺音，能夠觀察波形，增加診斷的準確性，可連續實時急救監護。還可以將其信號文件存儲在電腦中以作備查，具有體積小、精度高、功耗低、實時顯示、簡單易用、成本少的特點。將MEMS聲傳感器應用于臨床聽診為心音采集提出了一種新的思路，具有廣泛應用前景。但還存在心音與環境噪聲存在頻譜上重疊的問題，今后對如何得到純正的心音信號，以及對采集到的信息與其對應的生物學特征進行分析是下一步工作的重點。

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郭楠（1991-），女，山西陽泉人，碩士研究生，主要從事微納器件研究及傳感器相關結構研究，精密儀器及機械專業，guonan0902@163.com；

張國軍（1977-），男，副教授，2001年7月畢業于華北工學院自動控制系并留校任教，同年9月被派往清華大學微電子系進修微電子專業。2003年考取中北大學精密儀器及機械專業研究生，2004.7-2006.7在中國科學院聲學研究所做有關穿孔板結構非線性聲學方面的研究工作，2012-2015年，在西北工業大學攻讀博士。

Design of Novel MEMS Stethoscope Probe Based on Acoustic Sensors*

GUO Nan1，2，ZHANG Guojun1，2*，WANG Xubo1，2，LIU Yuan1，2，LIU Mengran1，2，ZHANG Binzhen1，2，XUE Chenyang1，2，ZHANG Wendong1，2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test&Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Traditional auscultation of heart sounds mainly relies on doctor's personal experiences，which is quite inaccurate sometimes.With the combination of MEMS technology and acoustic sensors，a kind of novel based on acoustic sensors was proposed and designed.The sensitive microstructure of MEMS stethoscope probe receives the heart sounds signal and transforms them into electrical signals after amplifying and filtering.The mathematical model was established.The dynamic characteristics of the structure were obtained by use of ANSYS.Preliminary test was conducted for the MEMS stethoscope probe which was fabricated by means of MEMS processing technology.It can clearly display the waveforms of heart signals in real time，which shows that applying MEMS acoustic sensors into medical clinical auscultation of heart sounds provides a new idea and has wide application prospect.

MEMS technology；acoustic sensors；stethoscope probe；sensitive microstructure

TP212.3

A

1005-9490（2016）03-0535-05

EEACC：7230；782010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.008