核心结论先讲清楚：植入式生物传感器正在往微型化、低功耗方向走，体内电子系统在有限空间里持续供电是一道硬门槛；基于 MEMS 工艺的无铅 PMUT（压电式微机械超声换能器）把压电薄膜和微加工结构结合在一起，在兆赫兹频段完成声能与电能的双向转换，可以通过体外超声穿透组织给体内器件无线供电，省去传统电池和定期手术更换电池的环节。 现有研究主要分两条路线：一条用氮化铝（AlN）薄膜做成 PMUT 阵列接收超声，搭配阻抗匹配、整流倍压和储能电容，在直径 1cm 的 PCB 上实现完整无线电源；另一条用掺钪氮化铝（ScAlN）提升压电转换性能，对比不同尺寸结构在凝胶模拟组织中的电压、功率和衰减表现。无铅的意义在于替代含铅的 PZT 压电陶瓷，同时兼顾生物相容性和 CMOS 集成兼容性。下面把技术原理、两类研究进展、关键参数和待解问题分层梳理。
一、为什么用超声给植入式传感器供电
- 植入设备的供电痛点：生物传感器体积越来越小，传统电池占空间大、容量有限，到期后需要再次手术更换；无线供能希望在体外把能量传进体内，长期维持器件运行；
- 超声相比电磁波的优势：在生物组织中安全照射强度限值更高、组织衰减更低（约 0.5—1 dB/cm・MHz）、波长较短（1MHz 时约 1.5mm），更适合厘米级穿透下的能量与数据传输；
- PMUT 的角色：PMUT 由 MEMS 结构加压电薄膜构成，接收端把入射超声振动转成电能，需要发射时也能把电信号转成声波；器件可微型化、阵列化，便于和 ASIC 电路集成。
二、为什么强调 "无铅"
| 材料路线 | 特点 | 植入式适配性 |
|---|---|---|
| PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷 | 压电性能强、应用广，但含铅，存在生物相容性和环保问题 | 不符合无铅、生态友好方向，长期植入存疑 |
| AlN（氮化铝）薄膜 | 无铅、无毒、生物相容性好，与 CMOS 工艺兼容，可单片集成 | 纯 AlN 压电转换性能相对有限 |
| ScAlN（掺钪氮化铝） | 在 AlN 中掺杂钪，压电能量转换效率高于纯 AlN，被视为 PZT 的无铅替代方向 | 适合超声接收与能量收集，材料和工艺仍在优化 |
三、研究进展一：天津大学 AlN-PMUT 超声感应无线电源
天津大学庞慰教授、张孟伦助理教授团队在《Scientific Reports》发表研究，提出一套集无线电能传输、电源管理和储能于一体的 AlN-PMUT 无线电源，面向神经电刺激、生物传感器和体内通信等低功耗植入设备。
| 项目 | 公开参数 / 做法 |
|---|---|
| 核心器件 | AlN-PMUT 阵列，作为无源无线电能接收端 |
| 配套电路 | 电阻抗匹配网络＋倍压整流电路＋储能电容 |
| 接收灵敏度 | 约 1 V/MPa |
| 电能传输效率 | 约 0.236% |
| 输出功率强度 | 7.36 μW/mm²（入射超声功率低于 FDA 安全限值） |
| 整机输出功率 | 18.8 μW |
| 储能电容 | 100 μF 电容经电源管理后充至 3.19 V |
| 实现形式 | 直径 1cm 的 PCB，制造工艺不涉及铅 |
| 后续方向 | 封装后植入生物体内实验；通过 ASIC 把电路与 PMUT 阵列集成到单颗芯片，尺寸缩小到毫米级甚至更小 |
四、研究进展二：米兰理工 ScAlN PMUT 三种尺寸对比分析
米兰理工大学团队在《Micromachines》发表数值对比研究，针对面向供能生物传感的无铅 PMUT，选取文献中三种不同尺寸的 ScAlN 结构，在 1—10MHz 频段比较能量收集与信号传输表现。
1. 设计约束
- 无铅压电材料，替代 PZT；
- 器件面积目标约 100×100 μm²，适配下一代微型植入物；
- 在 5mm 弹道凝胶介质中，输出电压至少 150mV、平均功率至少 100nW；
- 满足 FDA 超声辐射安全限值。
2. 三种结构对比
| 代号 | 谐振频率 | 特点 | 表现与限制 |
|---|---|---|---|
| R50 | 1.16 MHz | 尺寸最大、频率最低 | 能量收集性能最好、受声衰减影响最小，但面积超出设计约束约 25%，需要较长激励脉冲才能达到稳态 |
| R32.5 | 3.25 MHz | 中等尺寸，折中方案 | 面积在设计限值内，避免了严重声衰减，能量收集表现可接受；计入衰减后电压低于 200mV |
| R19 | 10 MHz 以上 | 尺寸最小、频率最高 | 单位尺寸功率密度和接收灵敏度高，但凝胶中衰减明显；阵列占空比需限制在 10% 以下，单元件约 30%，阵列元件间串扰更突出 |
3. 主要结论
- 小于 100×100 μm² 的器件可以实现超过 150mV 输出电压和 100nW 以上平均功率；
- 更小的 ScAlN PMUT 接收能力更强，更适合能量收集场景；
- 谐振频率是供能应用的关键参数：高频利于高速响应，但组织衰减随频率上升，传输距离和能量损失都会恶化；
- 中频中等尺寸结构在衰减、面积和输出能力之间最容易取得平衡；后续重点是缓解高频声波在组织中的衰减。
五、完整无线供能链路是怎么跑通的
- 体外发射：外部超声换能器向体内方向发射特定频率的超声脉冲；
- 体内接收：PMUT 振膜在声波作用下振动，压电薄膜把机械振动转换为交流电；
- 阻抗匹配与整流：匹配网络优化能量传输，倍压 / 整流电路把交流转换为可用直流；
- 电源管理与储能：电容储存电能，稳定电压后给传感器、刺激电路或体内通信模块供电；
- 持续运行：低功耗器件在超声间歇期可依靠储能电容维持工作，按需接收下一次能量补给。
六、当前仍面临的挑战
- 能量转换效率偏低：现有 AlN-PMUT 方案传输效率约 0.236% 量级，ScAlN 方案也在持续优化 PTE，距离高功率供电还有差距；
- 组织衰减与频率权衡：频率越高越微型化，但凝胶和组织中衰减更严重，传输距离受限；
- 安全限值约束：入射超声必须低于 FDA 安全强度，高灵敏度器件还要控制占空比；
- 封装与体内验证：PMUT 空腔和表面结构需要派瑞林等封装保护，长期植入的生物相容性、可靠性仍需在体实验验证；
- 单片集成：现阶段多在 PCB 上实现，未来要把 PMUT 阵列、匹配网络、整流和电源管理做成 ASIC 单片集成，才能把整机压缩到毫米级。
【相关 FAQ】
问题 1：什么是基于 MEMS 的无铅 PMUT，它怎样为植入式生物传感器无线供能？
回答 1：PMUT 是压电式微机械超声换能器，用 MEMS 工艺加工硅振膜和压电薄膜；无铅指采用 AlN 或 ScAlN 等不含铅材料替代 PZT。体内 PMUT 阵列接收体外超声，把声振动转成交流电，经阻抗匹配、整流倍压和电源管理后存入电容，给植入式生物传感器、神经刺激或体内通信模块供电，无需在体内安装传统电池。
问题 2：AlN PMUT 和 ScAlN PMUT 在植入式供能方案里有什么区别？
回答 2：AlN 薄膜无铅、生物相容性好且与 CMOS 兼容，适合单片集成，但压电转换性能相对有限；ScAlN 是掺钪氮化铝，压电能量转换效率高于纯 AlN，被视为 PZT 的无铅替代方向。天津大学 AlN-PMUT 方案已实现 18.8μW 输出和 3.19V 电容充电，米兰理工的 ScAlN 研究则对比了三种尺寸结构在凝胶组织中的电压、功率和衰减折中。
问题 3：无铅 PMUT 给植入式传感器供电能达到多少电压和功率？
回答 3：公开研究中，AlN-PMUT 无线电源在低于 FDA 安全限值的入射超声下，输出功率强度 7.36μW/mm²、整机输出 18.8μW，100μF 电容充至 3.19V；ScAlN 对比研究显示，面积小于 100×100μm² 的器件可实现 150mV 以上电压和 100nW 以上平均功率，主要面向神经刺激、生物传感等低功耗场景，尚不能支撑高功耗设备。
问题 4：PMUT 超声供能相比电磁波供电有哪些优势，目前最大的瓶颈是什么？
回答 4：超声在生物组织中安全照射限值更高、衰减更低、波长更短，适合厘米级穿透下的体内能量与数据传输；瓶颈在于能量转换效率仍偏低、高频声波组织衰减明显、安全占空比受限，以及封装长期可靠性和 PMUT 与 ASIC 单片集成尚需在体实验验证。
【参考资料】
- [2026-11-11]（基于 MEMS 的无铅 PMUT 助力植入式生物传感器无线供能）电子工程专辑
- [2026-11-09]（基于 AlN-PMUT 的超声感应无线电源，可用于植入式生物医疗）物联网世界（麦姆斯咨询）
- [2026-10-28]（Recent advances in transducers for through-tissue ultrasonic power transfer）University of Illinois Experts
- [2026-07-16]（A Comparative Analysis of Lead-Free Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers for Powered Bio-Sensing）MDPI Micromachines
- [2026-07-16]（An Ultrasonic Wireless Power Transmission System with High Conversion Efficiency Based on 30% ScAlN Piezoelectric MEMS Transducers）IEEE Xplore
- [2026-08-03]（Backscatter Ultrasonic Communication Microsystem with a High Bit Rate Using Piezoelectric MEMS Transducers）IEEE Xplore
【免责声明】
本文为基于公开学术论文、研究机构报道和行业媒体整理的技术资讯，所涉电压、功率、效率、频率和尺寸参数均来自特定实验条件或数值仿真，不同材料、结构、介质厚度和电路设计下结果会有明显差异；植入式医疗器械的安全认证、长期可靠性和临床应用须以官方审批和在体实验结论为准。本文不构成医疗建议、器件选型承诺或投资依据。