郭　楠，張國(guó)軍*，王續(xù)博，劉　源，劉夢(mèng)然，張斌珍，薛晨陽(yáng)，張文棟

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

基于聲傳感器的新型MEMS聽診探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探*

郭楠1，2，張國(guó)軍1，2*，王續(xù)博1，2，劉源1，2，劉夢(mèng)然1，2，張斌珍1，2，薛晨陽(yáng)1，2，張文棟1，2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對(duì)傳統(tǒng)聽診器主要依靠醫(yī)生聽診，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷病情的問題，結(jié)合MEMS技術(shù)和聲傳感器，設(shè)計(jì)了一種基于聲傳感器的新型MEMS聽診探頭微結(jié)構(gòu)。該MEMS聽診系統(tǒng)由MEMS聽診探頭中的敏感微結(jié)構(gòu)接收人體心音信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大和濾波，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行后續(xù)分析。建立了聽診頭敏感微結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件仿真得到該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。利用MEMS工藝加工出聽診頭敏感微結(jié)構(gòu)并進(jìn)行初步測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明提出的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器可以實(shí)時(shí)顯示聽診對(duì)象的心音波形。將MEMS聲傳感器應(yīng)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(yīng)用前景。

MEMS技術(shù)；聲傳感器；聽診探頭；敏感微結(jié)構(gòu)

聽診是醫(yī)學(xué)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(fā)出的聲音。1816年，法國(guó)醫(yī)生Laennec發(fā)明了聽診器，并出版專著介紹聽診器及心肺聽診技術(shù)。1851年，美國(guó)醫(yī)生George Cammann對(duì)聽診器進(jìn)行改進(jìn)，成為沿用至今的聽診器基本模型。1999年，美國(guó)3 M Littmarm公司研制并生產(chǎn)出電子聽診器，解決了聽診器無(wú)法保存聲音資料的缺陷。2000年，基于聲學(xué)基礎(chǔ)的震蕩反應(yīng)成像系統(tǒng)應(yīng)用于臨床。2006年，美國(guó)軍方在美國(guó)檀香山召開的聲學(xué)會(huì)議上展示了有源聽診器，使聽診器在嘈雜、運(yùn)動(dòng)、顛簸等特殊環(huán)境中仍然可以發(fā)揮作用［1-3］。傳統(tǒng)聽診過(guò)程中存在環(huán)境噪聲的影響，且主觀經(jīng)驗(yàn)依賴度高，不能實(shí)時(shí)觀察聽診波形，無(wú)法直觀精確地給出量化的聽診結(jié)果，且無(wú)法保存聽診數(shù)據(jù)，還易造成醫(yī)生的感染［4-5］。因此臨床上亟需一種準(zhǔn)確性高、簡(jiǎn)單易用、成本低廉、體積小巧、實(shí)時(shí)顯示的聽診裝置，讓臨床醫(yī)生在心臟或肺部聽診的同時(shí)能看到相應(yīng)信號(hào)的波形圖，以便對(duì)病人的病變做出更加準(zhǔn)確的判斷，并進(jìn)而促進(jìn)心腦血管疾病和呼吸系統(tǒng)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(shù)，結(jié)合聲音傳感器，具有體積小、成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)勢(shì)［6］，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聽診音的精確檢測(cè)，可為科學(xué)直觀地聽診預(yù)判提供有力輔助。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA09A414）

收稿日期：2015-07-28修改日期：2015-08-21

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1理論依據(jù)

基于聲傳感器的新型MEMS聽診器工作時(shí)，聽診探頭微結(jié)構(gòu)中框及連接塊的運(yùn)動(dòng)可以近似看作剛體運(yùn)動(dòng)，其主要作用是連接和力的傳遞，而本身并不會(huì)產(chǎn)生形變，則驅(qū)動(dòng)梁和檢測(cè)梁可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)［7］，可以獨(dú)立地進(jìn)行分析。同時(shí)，由于檢測(cè)梁與驅(qū)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)的相似性，其力學(xué)特性可以采用相同的理論來(lái)描述。

聽診探頭微結(jié)構(gòu)中，懸臂梁結(jié)構(gòu)可以考慮為彈性支撐梁，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)可以提供穩(wěn)定的支撐和較小的彈性剛度。折線彈性支撐梁受力分析時(shí)可以認(rèn)為是由兩根彈性懸臂梁連接而成［8］。

圖1　聽診探頭微結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

多根折線彈性支撐梁根據(jù)連接的方式不同可以分為串聯(lián)和并聯(lián)：串聯(lián)的特點(diǎn)為又有梁公用一對(duì)固定端和作用端，可以認(rèn)為它是在彈性梁厚度和寬度不變的情況下長(zhǎng)度的增加，此時(shí)梁的彈性剛度減小；并聯(lián)的特點(diǎn)為每一個(gè)彈性梁都有一對(duì)固定端和作用端，可以認(rèn)為它是在彈性梁長(zhǎng)度不變的情況下厚度或?qū)挾鹊脑黾?，此時(shí)梁的彈性剛度增大。

對(duì)于本設(shè)計(jì)中的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器聽診探頭微結(jié)構(gòu)，其檢測(cè)梁具有相互對(duì)稱的兩根彈性支撐梁結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為其連接方式為并聯(lián)，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)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(yīng)力大小為：

可以看出，梁上所受應(yīng)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(yīng)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(zhǎng)、寬、高，F(xiàn)c為梁的作用端（質(zhì)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(jié)構(gòu)固有頻率為：

1.2敏感微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

現(xiàn)在常見的電子聽診器使用的是動(dòng)圈式傳感器，但其靈敏度不高，且價(jià)格昂貴，而所設(shè)計(jì)的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結(jié)構(gòu)使用MEMS技術(shù)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(yīng)用簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括質(zhì)量塊和檢測(cè)梁的長(zhǎng)、寬、高，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮工藝約束、性能指標(biāo)以及體積的限制，得到所設(shè)計(jì)的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結(jié)構(gòu)的初始尺寸參數(shù)如表1所示，微結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

表1　聽診探頭微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖2　聽診探頭微結(jié)構(gòu)

微結(jié)構(gòu)在XOY平面內(nèi)對(duì)稱，中心質(zhì)量塊尺寸相對(duì)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(yīng)力增大，并在其上布置壓敏電阻。當(dāng)有聲音作用于微結(jié)構(gòu)上時(shí)，懸臂梁發(fā)生變形，壓敏電阻受到相應(yīng)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，電阻阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出電壓，檢測(cè)輸出的電壓值就實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)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(jù)它們的頻率分布特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)母?、低通濾波器對(duì)聽診音進(jìn)行分別選取，再將處理后的聽診音傳輸至示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)將微弱的心肺音機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)心音前置放大器的信號(hào)調(diào)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(hào)中沒有診斷價(jià)值的高頻成分。信號(hào)經(jīng)比較器處理后傳送至示波器顯示實(shí)時(shí)心音信號(hào)波形，功率放大后可傳輸至揚(yáng)聲器供監(jiān)聽（圖3）。

圖3　工作原理示意圖

2　有限元分析

基于ANSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，驗(yàn)證其力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)特性。建立有限元模型，然后對(duì)其進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、振型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真值。仿真過(guò)程中用到的材料屬性參數(shù)如表2所示，靜力分析結(jié)果如圖4所示，模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析如圖5所示。

表2　材料屬性參數(shù)

從靜力仿真可看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁根部，通過(guò)ANSYS路徑分析提取纖毛上表面x方向中心線為正應(yīng)力數(shù)據(jù)映射路徑，得到該中心線上各點(diǎn)的正應(yīng)力分布曲線。通過(guò)應(yīng)力分布云圖和數(shù)據(jù)映射曲線圖可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在纖毛梁的根部，而且應(yīng)力分布基本是線性的，這與理論分析是一致的。由模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析結(jié)果看出，微結(jié)構(gòu)的固有頻率為3 415 Hz，心肺音信號(hào)的主要頻率范圍集中在30 Hz～1 500 Hz，在結(jié)構(gòu)頻帶范圍之內(nèi)，因此設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。

圖4　靜力仿真結(jié)果

圖5　模態(tài)和諧響應(yīng)分析結(jié)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(jié)構(gòu)的加工采用基于SOI硅片的MEMS工藝進(jìn)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(jīng)第一次RIE刻蝕形成背面梁結(jié)構(gòu)，另取一片硅片進(jìn)行氧化和RIE刻蝕形成空腔（圖6（b））。通過(guò)陽(yáng)極鍵合，將經(jīng)過(guò)兩次刻蝕的SOI硅片器件層與硅片進(jìn)行鍵合（圖6（c）），此后通過(guò)濕法刻蝕去除SOI硅片的襯底層和二氧化硅埋層（圖6（d））。對(duì)鍵合后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧化和刻蝕，形成壓敏電阻排布區(qū)窗口（圖6（e））。通過(guò)離子注入的方法形成壓敏電阻（圖6（f））。通過(guò)化學(xué)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(qū)（圖6（i））。濺射形成金屬互連線（圖6（j）），最后進(jìn)行去膠清洗形成敏感微結(jié)構(gòu)。

圖6　敏感微結(jié)構(gòu)MEMS加工工藝路線

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結(jié)構(gòu)進(jìn)行芯片焊接、封裝，然后對(duì)封裝好的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器樣機(jī)（圖7）連接示波器進(jìn)行初步測(cè)試。聽診對(duì)象為一隨機(jī)選擇的健康男性青年，室溫室內(nèi)環(huán)境，檢測(cè)到的心音波形圖如圖8所示。由圖可以看出，該聽診對(duì)象的心動(dòng)周期約為700 ms，心率約為85次/分，第1第2心音效果明顯，設(shè)計(jì)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(hào)。

圖7　初步封裝的MEMS聽診器樣機(jī)

圖8　實(shí)測(cè)心音波形圖

5　結(jié)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(shù)和壓阻原理應(yīng)用于聽診探頭，設(shè)計(jì)了壓阻式的聽診探頭微結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的基于聲傳感器的新型MEMS聽診器的聽診探頭微結(jié)構(gòu)可準(zhǔn)確檢測(cè)到被聽診對(duì)象的心肺音，能夠觀察波形，增加診斷的準(zhǔn)確性，可連續(xù)實(shí)時(shí)急救監(jiān)護(hù)。還可以將其信號(hào)文件存儲(chǔ)在電腦中以作備查，具有體積小、精度高、功耗低、實(shí)時(shí)顯示、簡(jiǎn)單易用、成本少的特點(diǎn)。將MEMS聲傳感器應(yīng)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(yīng)用前景。但還存在心音與環(huán)境噪聲存在頻譜上重疊的問題，今后對(duì)如何得到純正的心音信號(hào)，以及對(duì)采集到的信息與其對(duì)應(yīng)的生物學(xué)特征進(jìn)行分析是下一步工作的重點(diǎn)。

［1］ 洪城，王瑋，鐘南山，等.聽診器的發(fā)明與發(fā)展［J］.中華醫(yī)史雜志，2011，40（6）：337-340.

［2］ 劉應(yīng)龍.醫(yī)用聽診器的類型及特點(diǎn)［J］.中國(guó)實(shí)用鄉(xiāng)村醫(yī)生雜志，2012，19（4）：23-25.

［3］ 陳海霞，李全祿，吳晶，等.醫(yī)用聲傳感器發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，16（S2）：47-50.

［4］ 曹楊，徐子軒，張佳斌，等.基于聽診音頻譜分析的數(shù)字聽診系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2013，36（5）：733-736.

［5］ 吳宇紅.電子聽診器［D］.黑龍江大學(xué)，2008.

［6］ 劉媛，邴志剛，劉景泰.MEMS及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，15（4）：40-42.

［7］ Zhou J，Jiang T，Jiao J，et al.Design and Fabrication of a Micromachined Gyroscope with High Shock Resistance［J］.Microsystem Technologies，2014，20（1）：137-144.

［8］ 陳偉平，郭玉剛，陳曉亮，等.雙質(zhì)量塊微振動(dòng)陀螺設(shè)計(jì)與仿真［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41（7）：30-33.

［9］ 武麗，李翔.新型多功能電子聽診器的結(jié)構(gòu)及工作原理［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18（1）：35-38.

郭楠（1991-），女，山西陽(yáng)泉人，碩士研究生，主要從事微納器件研究及傳感器相關(guān)結(jié)構(gòu)研究，精密儀器及機(jī)械專業(yè)，guonan0902@163.com；

張國(guó)軍（1977-），男，副教授，2001年7月畢業(yè)于華北工學(xué)院自動(dòng)控制系并留校任教，同年9月被派往清華大學(xué)微電子系進(jìn)修微電子專業(yè)。2003年考取中北大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)研究生，2004.7-2006.7在中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所做有關(guān)穿孔板結(jié)構(gòu)非線性聲學(xué)方面的研究工作，2012-2015年，在西北工業(yè)大學(xué)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