基于声传感器的新型MEMS听诊探头结构设计初探*

郭　楠，张国军*，王续博，刘　源，刘梦然，张斌珍，薛晨阳，张文栋

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

基于声传感器的新型MEMS听诊探头结构设计初探*

郭楠1，2，张国军1，2*，王续博1，2，刘源1，2，刘梦然1，2，张斌珍1，2，薛晨阳1，2，张文栋1，2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

针对传统听诊器主要依靠医生听诊，根据个人经验判断病情的问题，结合MEMS技术和声传感器，设计了一种基于声传感器的新型MEMS听诊探头微结构。该MEMS听诊系统由MEMS听诊探头中的敏感微结构接收人体心音信号，经过运算放大和滤波，转换为电信号进行后续分析。建立了听诊头敏感微结构的数学模型，利用ANSYS软件仿真得到该结构的动态特性。利用MEMS工艺加工出听诊头敏感微结构并进行初步测试，测试结果表明提出的基于声传感器的新型MEMS听诊器可以实时显示听诊对象的心音波形。将MEMS声传感器应用于临床听诊为心音采集提出了一种新的思路，具有广泛应用前景。

MEMS技术；声传感器；听诊探头；敏感微结构

听诊是医学临床诊疗中的一种重要诊断方法，一般使用听诊器放大听诊器官发出的声音。1816年，法国医生Laennec发明了听诊器，并出版专著介绍听诊器及心肺听诊技术。1851年，美国医生George Cammann对听诊器进行改进，成为沿用至今的听诊器基本模型。1999年，美国3 M Littmarm公司研制并生产出电子听诊器，解决了听诊器无法保存声音资料的缺陷。2000年，基于声学基础的震荡反应成像系统应用于临床。2006年，美国军方在美国檀香山召开的声学会议上展示了有源听诊器，使听诊器在嘈杂、运动、颠簸等特殊环境中仍然可以发挥作用［1-3］。传统听诊过程中存在环境噪声的影响，且主观经验依赖度高，不能实时观察听诊波形，无法直观精确地给出量化的听诊结果，且无法保存听诊数据，还易造成医生的感染［4-5］。因此临床上亟需一种准确性高、简单易用、成本低廉、体积小巧、实时显示的听诊装置，让临床医生在心脏或肺部听诊的同时能看到相应信号的波形图，以便对病人的病变做出更加准确的判断，并进而促进心脑血管疾病和呼吸系统疾病的研究和诊治。

文中提出一种基于声传感器的新型MEMS听诊探头，利用MEMS技术，结合声音传感器，具有体积小、成本低、可靠性高、实时显示等优势［6］，可实现对听诊音的精确检测，可为科学直观地听诊预判提供有力辅助。

项目来源：国家863计划项目（2013AA09A414）

收稿日期：2015-07-28修改日期：2015-08-21

1　结构设计

1.1理论依据

基于声传感器的新型MEMS听诊器工作时，听诊探头微结构中框及连接块的运动可以近似看作刚体运动，其主要作用是连接和力的传递，而本身并不会产生形变，则驱动梁和检测梁可以认为是相互独立的结构［7］，可以独立地进行分析。同时，由于检测梁与驱动梁结构的相似性，其力学特性可以采用相同的理论来描述。

听诊探头微结构中，悬臂梁结构可以考虑为弹性支撑梁，如图1所示，该结构可以提供稳定的支撑和较小的弹性刚度。折线弹性支撑梁受力分析时可以认为是由两根弹性悬臂梁连接而成［8］。

图1　听诊探头微结构力学模型

多根折线弹性支撑梁根据连接的方式不同可以分为串联和并联：串联的特点为又有梁公用一对固定端和作用端，可以认为它是在弹性梁厚度和宽度不变的情况下长度的增加，此时梁的弹性刚度减小；并联的特点为每一个弹性梁都有一对固定端和作用端，可以认为它是在弹性梁长度不变的情况下厚度或宽度的增加，此时梁的弹性刚度增大。

对于本设计中的基于声传感器的新型MEMS听诊器听诊探头微结构，其检测梁具有相互对称的两根弹性支撑梁结构，可以认为其连接方式为并联，同时考虑结构的对称性，根据材料力学的相关理论得到折线弹性支撑梁的等效刚度为：

距悬臂梁根部x处的应力大小为：

可以看出，梁上所受应力位于梁根部位置，即x=0处存在最大值：

由此可以得到梁上的最大应变同样位于梁的根部，其大小为：

式中，L、b、h分别为每根弹性支撑梁的长、宽、高，Fc为梁的作用端（质量块）受到的力（柯氏力）的大小，E为材料（硅）的杨氏模量。

可以得到结构固有频率为：

1.2敏感微结构设计和工作原理

现在常见的电子听诊器使用的是动圈式传感器，但其灵敏度不高，且价格昂贵，而所设计的基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头微结构使用MEMS技术加工的一维传感器，体积小，可批量加工，成本低廉，灵敏度高，且应用简便，因此更具备可行性。

基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头微结构的主要设计参数包括质量块和检测梁的长、宽、高，设计时需要综合考虑工艺约束、性能指标以及体积的限制，得到所设计的基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头微结构的初始尺寸参数如表1所示，微结构示意图如图2所示。

表1　听诊探头微结构尺寸参数

图2　听诊探头微结构

微结构在XOY平面内对称，中心质量块尺寸相对悬臂梁大得多，起到增大声音接触面积的作用，悬臂梁根部局部尺寸变窄，使得根部应力增大，并在其上布置压敏电阻。当有声音作用于微结构上时，悬臂梁发生变形，压敏电阻受到相应的拉应力和压应力，电阻阻值发生变化，产生输出电压，检测输出的电压值就实现了声信号到电信号的转换。

心音的频率范围是30 Hz～600 Hz，肠音的频率范围是 0～1 500 Hz，肺音的频率范围是 100 Hz～1 500 Hz［9］。根据它们的频率分布特点，选择适当的高、低通滤波器对听诊音进行分别选取，再将处理后的听诊音传输至示波器进行实时显示。

将基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头贴于被听诊者的待听诊器官处，MEMS听诊器的听诊探头微结构将微弱的心肺音机械振动转化为电信号，经过心音前置放大器的信号调理后，送至滤波器，滤除放大器本身及外界传入的高频噪声以及心音信号中没有诊断价值的高频成分。信号经比较器处理后传送至示波器显示实时心音信号波形，功率放大后可传输至扬声器供监听（图3）。

图3　工作原理示意图

2　有限元分析

基于ANSYS软件对设计的基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头微结构进行有限元仿真分析，验证其力学特性和动态特性。建立有限元模型，然后对其进行静力分析、模态分析以及谐响应分析，得到结构的力学特性、振型和动态响应仿真值。仿真过程中用到的材料属性参数如表2所示，静力分析结果如图4所示，模态分析和谐响应分析如图5所示。

表2　材料属性参数

从静力仿真可看出最大应力出现在梁根部，通过ANSYS路径分析提取纤毛上表面x方向中心线为正应力数据映射路径，得到该中心线上各点的正应力分布曲线。通过应力分布云图和数据映射曲线图可以看出最大应力出现在纤毛梁的根部，而且应力分布基本是线性的，这与理论分析是一致的。由模态分析和谐响应分析结果看出，微结构的固有频率为3 415 Hz，心肺音信号的主要频率范围集中在30 Hz～1 500 Hz，在结构频带范围之内，因此设计的微结构能够满足使用要求。

图4　静力仿真结果

图5　模态和谐响应分析结果

3　MEMS加工工艺

基于声传感器的新型MEMS听诊器探头敏感微结构的加工采用基于SOI硅片的MEMS工艺进行加工，工艺路线如图6所示。

本工艺路线采用体加工工艺，初始的SOI硅片（图6（a））的器件层经第一次RIE刻蚀形成背面梁结构，另取一片硅片进行氧化和RIE刻蚀形成空腔（图6（b））。通过阳极键合，将经过两次刻蚀的SOI硅片器件层与硅片进行键合（图6（c）），此后通过湿法刻蚀去除SOI硅片的衬底层和二氧化硅埋层（图6（d））。对键合后的结构进行氧化和刻蚀，形成压敏电阻排布区窗口（图6（e））。通过离子注入的方法形成压敏电阻（图6（f））。通过化学气相沉积在顶层形成一层氧化层（图6（g））并刻蚀（图6（h））、正面浓离子注入形成欧姆接触区（图6（i））。溅射形成金属互连线（图6（j）），最后进行去胶清洗形成敏感微结构。

图6　敏感微结构MEMS加工工艺路线

4　实验结果

将设计的基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头微结构进行芯片焊接、封装，然后对封装好的基于声传感器的新型MEMS听诊器样机（图7）连接示波器进行初步测试。听诊对象为一随机选择的健康男性青年，室温室内环境，检测到的心音波形图如图8所示。由图可以看出，该听诊对象的心动周期约为700 ms，心率约为85次/分，第1第2心音效果明显，设计的基于声传感器的新型MEMS听诊器可以清晰明显地反映心音信号。

图7　初步封装的MEMS听诊器样机

图8　实测心音波形图

5　结论

本文提出了一种基于声传感器的新型MEMS听诊器，将MEMS技术和压阻原理应用于听诊探头，设计了压阻式的听诊探头微结构。设计的基于声传感器的新型MEMS听诊器的听诊探头微结构可准确检测到被听诊对象的心肺音，能够观察波形，增加诊断的准确性，可连续实时急救监护。还可以将其信号文件存储在电脑中以作备查，具有体积小、精度高、功耗低、实时显示、简单易用、成本少的特点。将MEMS声传感器应用于临床听诊为心音采集提出了一种新的思路，具有广泛应用前景。但还存在心音与环境噪声存在频谱上重叠的问题，今后对如何得到纯正的心音信号，以及对采集到的信息与其对应的生物学特征进行分析是下一步工作的重点。

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［3］ 陈海霞，李全禄，吴晶，等.医用声传感器发展现状及前景［J］.西安邮电学院学报，2011，16（S2）：47-50.

［4］ 曹杨，徐子轩，张佳斌，等.基于听诊音频谱分析的数字听诊系统设计［J］.电子器件，2013，36（5）：733-736.

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［6］ 刘媛，邴志刚，刘景泰.MEMS及其在生物医学领域中的应用［J］.天津工程师范学院学报，2005，15（4）：40-42.

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［8］ 陈伟平，郭玉刚，陈晓亮，等.双质量块微振动陀螺设计与仿真［J］.哈尔滨工业大学学报，2009，41（7）：30-33.

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郭楠（1991-），女，山西阳泉人，硕士研究生，主要从事微纳器件研究及传感器相关结构研究，精密仪器及机械专业，guonan0902@163.com；

张国军（1977-），男，副教授，2001年7月毕业于华北工学院自动控制系并留校任教，同年9月被派往清华大学微电子系进修微电子专业。2003年考取中北大学精密仪器及机械专业研究生，2004.7-2006.7在中国科学院声学研究所做有关穿孔板结构非线性声学方面的研究工作，2012-2015年，在西北工业大学攻读博士。

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