一、“揭榜挂帅”攻关任务

1. 攻关任务名称

智能传感及医疗监测系统

2. 攻关任务背景和意义

面对我国人口加速老龄化、慢性病高发与医疗资源紧张的双重压力，革新医疗技术、提升健康服务水平已成为国家重大需求。当前，集中式大型医疗设备难以满足长期、连续、实时的健康监测需求，尤其在家庭化、个性化医疗场景中存在明显局限。发展基于MEMS技术的小型化、集成化、自供能的智能传感及医疗监测系统，能够实现对人体生命体征的便捷、无创、长期连续监测，有助于重大疾病的早期预警与及时干预，并对推动高端医疗装备自主化、缓解医疗资源不均、落实“人民健康优先”的发展理念具有重要战略意义。

当前需重点攻关技术主要涉及柔性可穿戴自供能超声医疗监测、量子脑磁成像探头、经颅温压医学检测以及多源信息融合细胞成像等传感系统的机理、设计、制备、配套电路与算法等方面，解决我国智能医疗传感系统的“卡脖子”技术难题。在设计方面，重点研究柔性压电式MEMS超声换能器、量子磁强计、柔性自供能与超级电容、生物相容MEMS温压集成传感器、视触觉融合细胞传感系统的设计方法及核心耦合理论，为智能医疗传感系统的发展与应用奠定理论基础。在制备方面，重点攻克上述智能医疗传感器与MEMS工艺兼容的微型化、高精度制备技术，实现智能医疗传感器批量化低成本制备。在电路与算法方面，重点研究用于柔性压电式MEMS超声换能器、量子磁强计、柔性自供能、温压集成传感器、视触觉融合细胞传感系统的配套信号处理电路及算法设计设计技术，实现医学信号的高效提取与输出；最后，需要重点研究柔性可穿戴自供能超声医疗监测、量子脑磁成像探头、经颅温压医学传感器以及多源信息融合细胞传感系统的系统集成与封装技术，实现智能医疗传感器的可靠集成与封装。

为此，团队以“机理设计-核心制备-系统集成”为研究主线，围绕柔性可穿戴自供能超声监测、量子脑磁成像、经颅温压检测与多源融合细胞成像等关键技术，突破智能传感在结构设计、工艺制备、电路算法与封装集成等方面的“卡脖子”技术，构建从理论创新到器件实现的全链条研发体系，推动智能医疗传感器向微型化、精准化、实用化发展，为提升重大疾病早期诊断与连续监测能力提供技术支撑。

3. 技术方案

（1）柔性超声换能器设计与制备：采用刚柔融合以及单元间隔离凹槽的设计策略，实现柔性超声换能器结构的设计。采用双压电层、背腔真空密封及掺杂AlN材料的方法来提高机电耦合系数及超声发射和接收灵敏度。利用经典层合薄板理论、伽辽金以及能量等效等方构建机-电-声耦合等效电路模型，结实柔性超声换能器主要性能参数变化规律。制备技术研究采用理论研究与实验相结合的策略，开发柔性超声换能器贴片制备工艺流程，实现芯片制备。利用相控成像系统、阻抗分析仪等实现其性能及应用研究。构建动物模型，开展该仪器在房颤、心衰等典型心脏疾病的实验研究。

（2）柔性能量俘获、存储与管理：利用无铅陶瓷粉末如KNN、BTO掺杂，以提高PVDF等压电聚合物压电性能；通过溶胶凝胶法多次涂敷成膜技术制备PVDF压电和硒化银热电复合材料。开展高性能柔性微型超级电容器储能器件的研究。研制具有自卷曲结构的电极材料，利用其比表面积大，结构稳定的特点获得高电化学活性位点，提高储能器件的电容量。采用比较器主动整流技术实现低损耗整流接口，设计电荷泵实现低压冷启动，采用欠压锁闭设计实现两级储能的切换，采用单片机和比较器监测电压电流，控制MOS管开关，实现低功耗的取-用-储动态分配。

（3）传感信号处理与电路设计：搭建基于FPGA的多通道超声发射接收与信号处理电路。利用信号产生电路为换能器提供0.5~20MHz方波驱动信号，并利用驱动半桥电路形成高电压脉冲。基于间隙发波模式，通过控制电路调控发波时间及发波数，以用于不同的成像需求。研究发射和接收模式下的相控阵聚焦和偏转时间相位延时控制技术，以提升延时控制精度。基于二维阵列结构特征模型，研究基于相控阵原理的换能器驱动技术，并结合驱动电路的聚焦与波束指向性控制技术，实现医学超声信号的高精度、快速、可靠检测。

（4）基于量子磁强计的脑磁影像技术：针对脑磁测量的应用突破MEMS碱金属气室技术，使用硅-玻璃键合工艺冲入碱金属原子及贵重气体，使用液氮冷却实现贵重气体回收。通过光学元器件的微小型化实现光学系统的集成，对气室和无磁加热进行真空隔热系统设计，达到所需的加热温度以及高稳定性的温度控制系统。制作阵列式的传感器网络以覆盖整个大脑以实现对大脑声音刺激后的脑磁信号进行检测。通过对运动状态下的人体脑磁信号的提取与分析，实现癫痫、老年痴呆症、抑郁症等疾病进行脑部功能成像诊断。通过磁场换算关系反推磁场源头的大小，即对磁场源头进行成像。

（5）分布式经颅温压医学监测：探究MEMS植入式颅内温压复合芯片设计与制备工艺方法，通过超薄芯片刻蚀与减薄技术、超前结深压敏单元技术，实现高稳定微型颅内压芯片制备，通过高精度低应力植入导丝压焊技术，实现微型颅内复合芯片高可靠封装，通过多通道高精度温压复合校准技术，实现高分辨率高精度分布式颅内温压监测。

（6）多源信息融合细胞成像与传感：通过仿生结构设计与多敏感元件检测方案，提出触觉敏感元件分辨率、精度、线性度等性能参数优化方法；利用机器人自组装、电子束沉积等方法，实现敏感元件本体及探测末端集成制造与装配；研制高精度MEMS触觉传感器，实现与显微成像系统的物理集成；提出基于ASIC芯片微纳触觉信号传递与噪声处理技术，实现显微触觉成像系统信号实时检测。利用触觉信号特征响应快、单点分辨率高的特征，使用触觉传感器对目标细胞实现无损自动化的位置调控，实现多角度细胞几何特征的光学采样。

二、团队概况

智能传感及医疗监测系统团队由国家级人才赵立波教授和李支康教授学术带头人，现有教授3人，副教授5人，助理教授及医工交叉博士后3人。

团队在CJXZ赵立波教授带领下，依托国家医学攻关产教融合创新平台，开展医工交叉智能传感关键技术与医疗监测系统研究。重点针对现有医学诊断与治疗设备存在体积大、不便于携带、对于医师的技术水平和经验有较大的要求等问题，开展基于MEMS技术的小型化、轻量化、低功耗、集成化和智能化医学传感器系统研究。研究内容主要涉及柔性可穿戴自供能超声医疗监测、量子脑磁成像探头、经颅温压医学检测以及多源信息融合细胞成像等传感系统的机理、设计、制备、配套电路与算法等关键技术，旨在解决我国智能医疗传感系统的“卡脖子”技术难题。团队相关成果在权威期刊上发表高水平论文100余篇。团队先后承担了多个国家重大项目与任务，在微纳制造与MEMS传感技术领域做出了突出贡献，获得国家技术发明二等奖3项，国家科技进步二等奖2项，何梁何利科学与技术进步奖1项，全国创新争先奖2项等多项奖励与荣誉。

团队成员

团队在MEMS超声换能器领域研究的发展历程

三、近三年（平台成立起）攻关领域科研情况

近三年承担攻关领域横纵向项目24项，其中国家级项目15项，省部级项目7项，企业委托项目2项，发表论文50篇。申请专利33项，授权专利3项。主办及参与学术活动4场次，邀请企业及行业专家来校授课及讲座8场次。

封面论文Advanced Functional Materials, 202003601, 2020. (顶级期刊，IF:19.9)

承办第二届微系统与材料国际研讨会（IWMM 2025）

团队获“明石杯”微纳传感技术与智能应用赛优秀组织单位

承办微纳器件与系统创新论坛（2024）暨中国微米纳米技术学会微纳技术应用创新系列大会

四、团队人才培养情况

2023至2025年，共招收硕士生48人，博士生15人。其中6人获得国家级竞赛获奖，3人获得个人荣誉。1人获中国仪器仪表学会全国优博提名，1人获中国仪器仪表学会青年科技奖。开设攻关领域必修及选修课共计4门。

指导学生获得大学生机械工程创新创意大赛初赛一等奖

团队成员获得中国仪器仪表学会青年科技奖

五、合作开展情况

团队与3家医院开展了深入合作研究

六、成果转化转化成果

1. 已转化成果社会经济效益

CMUTs芯片产业转化：团队与该公司围绕CMUTs工艺标准化、器件寿命提升、性能稳定性提升、充电现象抑制等技术难题开展深度合作，促进芯片中试定型，实现该类芯片自主可控。目前已经完成3轮CMUTs流片，核心性能经工信部第五研究所等权威机构检测，达到国际领先水平，已通过省级新产品鉴定，CMUTs产业化工作稳步推进。

CMUTs芯片加工产线及晶圆

产业化高性能CMUTs芯片

基于PMUTs的血流量检测：西安交通大学研制的基于MEMS加工技术的柔性血管超声流量样机，已成功实现体外大隐静脉灌注液流体状态检测的实验验证，灌注液测量范围: 流量范围:0~0.2 L/min; 测量精度≤2%;。该柔性管超声流量传感器具有多项自主知识产权，通过MEMS加工技术制备微型化压电单元阵列，具有微型化、集成化、轻量化、低功耗等优势，实现PMUTs在体外柔性管上的微型化且具有生物兼容性的安装。

该微型柔性超声流量计的研发，针对柔性管道组织在连续灌注过程中面临的腔内层流控制、恒定压力维持以及无污染扩张等关键技术难题提供了创新解决方案。通过精确的超声波传感技术，该流量计能够实现对流体动态的实时监测，确保了灌注过程中流体的稳定性和连续性。其高精度的控制能力，不仅保障了管道组织的均匀扩张，还避免了因压力波动或污染导致的潜在风险。这种非侵入式的监测方法，为医疗领域提供了一种新的工具，特别是在需要长期、连续监测的临床环境中，最大程度地避免离体血管保存时的损伤，提高冠状动脉旁路移植术桥血管的远期通畅率。

PMUTs血管流量监测

2. 标准体系制定

团队围绕电容式微机电系统超声化能器的性能评定方法支持增材制造医疗器械的原材料、设计、装备和产品等方面主持/参与制定了多项行业和1项团体标准，包括牵头制定行业标准1项、团体标准1项，参与制定医疗器械领域的国家和行业标准十余项。

七、创新创业

面向下一代超声诊疗的CMUTs芯片产业化技术研究，团队与北方华微电子研究院有限公司围绕CMUTs工艺标准化、器件寿命提升、性能稳定性提升、充电现象抑制等技术难题开展深度合作，促进芯片中试定型，实现该类芯片自主可控。目前已经完成3轮CMUTs流片，核心性能经工信部第五研究所等权威机构检测，达到国际领先水平，已通过省级新产品鉴定，CMUTs产业化工作稳步推进，通过合在研究核心技术支撑企业发展。

八、潜在可转化技术

（1）可穿戴超声心血管疾病监测技术聚

团队联合西安交通大学第一附属医院和北医三院开展针对可穿戴心血管疾病监测的柔性超声换能器阵列的优化设计、与MEMS工艺兼容的可批量化制备，以及长期连续血压波形、运动过程中心率血压协同检测和高血压患者血管刚度临床监测实验研究，研究获得天津果实科技有限公司的资助。该研究有力推动了心衰、脑卒中等心血管疾病的长期诊断与提前预警，推动柔性超声技术在可穿戴医疗领域的应用。

（2）基于PMUTs的血流传感技术

针对柔性管道组织在连续灌注过程中面临的腔内层流控制、恒定压力维持以及无污染扩张等关键技术难题提供了创新解决方案。研制的基于MEMS加工技术的柔性血管超声流量样机，已成功实现体外大隐静脉灌注液流体状态检测的实验验证，灌注液测量范围: 流量范围:0~0.2 L/min；量精度≤ 2%，柔性管超声流量传感器具有多项自主知识产权，通过MEMS加工技术制备微型化压电单元阵列，具有微型化、集成化、轻量化、低功耗等优势，实现PMUTs在体外柔性管上的微型化且具有生物兼容性的安装。

（3）便携式MEMS超声探头

研究任务源自于国家重点研发计划项目“电容式微机械超声波换能阵列”，自2023年开展研究工作，目前已经完成了封装材料的影响及优化机制和匹配封装工艺与性能测试，实现了192通道CMUTs线阵芯片的探头封装，并基于verasonics的多通道成像平台验证该探头样机的成像能力。

（4）植入式颅内压传感技术

团队在技术层面成功开发出“植入式微型压阻颅内压传感器”样机，传感器探头外径小于1mm。基于“半岛-岛-梁”复合结构，实现了微压芯片在超小尺寸下的高灵敏度设计，采用浅PN结压敏电阻制备技术和基于C-SOI的超薄膜片制备技术，实现了压阻式颅内压测试芯片的小批量稳定制备。基于直管式外壳和“金丝键合-柔性电路板”的信号输出方法，实现了兼具生物相容性的可靠微型化封装。在模拟体温、体液测试环境中，颅内压传感器样机可达到0.2%FS的全量程综合测试精度，性能优异。目前正逐步推进活体及动物实验的开展，为实际医疗应用提供进一步验证。

（5）术中脑磁功能监护仪：目前已实现运动伪迹磁场的原位抑制与25 fT/Hz¹/⟡灵敏度的探头技术。未来，计划开发用于神经外科手术中的实时脑功能监护仪，在切除癫痫病灶或脑肿瘤时，为医生提供运动状态下依然稳定的脑功能区“实时导航”，有效避免语言、运动功能区损伤，降低手术致残率。该技术已与西京医院神经外科开展初步临床需求对接。

（6）多模态脑功能成像融合系统：探索将量子脑磁传感器与平台内其他技术（如近红外光谱脑功能成像fNIRS）进行融合，开发硬件同步、信息互补的多模态脑功能成像系统。该设备可同时获取神经元电活动（脑磁）与脑血流动力学（近红外）信息，为脑科学与临床精神疾病研究提供更全面、更精准的观测工具。

（7）面向精准医疗的量子生物传感与成像系统

超高灵敏度量子磁强计与超低场分子识别技术，面向临床医学需求延伸，构建全新的诊断工具：a.无创心脑磁成像系统。利用灵敏度达500 fT/√Hz级的He原子磁强计，构建无需液氦的脑磁图/心磁图系统，为癫痫、脑卒中、冠心病等重大疾病的早期诊断与研究提供比现有技术（如EEG/ECG）更精准、更便捷的解决方案。b.床旁代谢物快速分析仪：基于对葡萄糖、乳糖等小分子代谢物的高灵敏检测能力，开发用于重症监护、新生儿筛查的床旁诊断设备，实现体液标志物的快速、精准分析。