近日，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室MEMS课题组的研究人员在IEEE Sensors Journal期刊上发表了题为“MEMS ultrasonic fingertip heart rate sensor”的论文。研究团队提出了基于压电式MEMS超声换能器（PMUT）芯片的心率监测方案，详细介绍了PMUT芯片设计、制造、表征与心率测试结果。PMUT芯片具有的小尺寸、高集成度和兼容不透光封装材料的众多优势，使其在以健康监测为代表的可穿戴设备等消费电子领域中不断释放应用潜力。

     心跳是人类生活中最重要的生理活动。通过监测心率，可以有效预防心肌病、心力衰竭等心脏类病症。心率也与人类的心理活动密切相关。持续的心率监测是预防心血管疾病的重要手段。传统心电监护仪和电子听诊器主要用于医院中的病人，不适合人们在日常生活当中长期使用。如何利用可穿戴设备实现便捷、准确、持续的心率监测是人们关注的焦点之一。

     脉搏是人体皮肤表面可触摸到的动脉搏动。动脉搏动的动力来源于人类的心脏跳动，而心脏只要每收缩、舒张一次就会引起这些富有弹性的动脉管壁随着跳动一次。因此正常状态下，脉搏具有与心率一样的频率，可以通过监测脉搏的跳动从而间接监测心率。现有方式包括使用压力传感器或者光电容积脉搏波描记法（PPG），需要将传感器紧密贴合在手腕或者脖子等位置，容易受到强光以及身体运动等外部环境的影响，且须使用特定材料封装传感器，如玻璃等透光材料。

      超声传感技术具有穿透性好、环境因素干扰小、生物安全、受环境因素干扰小等优点，广泛应用于医疗领域。近年来，可穿戴超声换能器已被开发用于健康信号监测，但传统的超声探头仍然体积和重量较大，不易与其他电子设备集成。基于MEMS技术的PMUT因其具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等优点，越来越多地应用于消费电子和生物医疗领域的传感与成像。

      指尖是人体接触物体和使用最频繁的部位之一。因此，研究团队通过指尖心率数据采集实验展示了基于PMUT芯片的心率监测方案。PMUT传感器的尺寸为3.2 mm × 3.2 mm，比指尖更小。PMUT发射和接收超声波脉冲，并不断监测超声波在手指中传播的飞行时间（TOF），而由心脏跳动引起的血管扩张和收缩则周期性地调制飞行时间（TOF）。本论文详细地介绍了PMUT单元的设计思路，并将直径50μm的PMUT单元组成25 × 25的PMUT阵列，利用PDMS耦合提高超声在PMUT阵列与指尖之间的耦合。本论文将研制的PMUT传感器应用于多位受试者的指尖与颈部进行测试，与商用电子听诊器测试结果高度一致。

     据论文通讯作者张孟伦助理教授和庞慰教授介绍，用指尖轻触传感器表面或人体其他部位轻贴传感器表面就足以获得准确的心率数据，这种易于使用的PMUT传感器利用超声波传感技术实现生物安全和更好的穿透性，并利用MEMS技术实现芯片级小型化以及高度集成化，研究工作展示了PMUT芯片应用于人体进行可穿戴便捷型心率监测的可行性。未来，通过PMUT芯片与CMOS电路的高度集成可进一步提高PMUT传感器的性能以及信号处理能力，有望深刻改变现有可穿戴设备与消费电子产品的形态与消费者体验。

论文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2022.3207355