2025年6月29日至7月3日，第23届固态传感器、执行器与微系统国际会议（TRANSDUCERS 2025）在美国奥兰多成功举办。TRANSDUCERS是固态MEMS传感器、执行器与微系统领域里最顶尖的国际会议之一，每两年举办一次。该会议吸引来自全球大学、研究机构、行业企业与政府机构的专家学者参与，共同探讨电子、机械、光学、磁、热和生物MEMS器件以及微系统方面的重大科学技术突破，在国际学术界和工业界均享有很高的学术地位和广泛影响。按照论文第一单位统计，北大集成电路学院问鼎TRANSDUCERS 2025全球论文榜首，共有39篇高水平学术论文入选，成为在本届会议上录用论文最多的单位。研究成果覆盖了面向生物传感、脑机接口、工业检测、消费电子等多个领域的惯性、压力、声学、压电MEMS、柔性微电极、可共型传感阵列、生物传感器等前沿器件和微系统，部分内容简介如下：

一、可植入/可穿戴生物电极技术

1.一种基于可图案化可溶支撑层的变刚度植入式神经电极

植入式神经电极已经成为先进脑机接口系统不可或缺的工具，通过被植入不同的脑区，可以高通量、高时空分辨率地感测大脑神经活动，在神经疾病诊疗、神经科学研究、脑控机器人等领域应用广泛。为了减小植入式神经电极的组织损伤，往往需要采用更柔性的材料，然而电极的柔性和其植入的难度成为了天然的矛盾，从而限制了其发展。北京大学李志宏、郑雨晴团队开发了一种变刚度的植入式神经电极TransFlex，通过对可溶刚性支撑层的图案化，实现了柔性神经电极的通用植入方案。本工作中通过混合两种生物相容性多糖材料，并开发了其片上原位腐蚀图案化工艺，可对柔性神经电极实现植入前的临时刚性化。此方法首次实现了晶圆级可溶支撑层的图案化，大大提升了柔性植入式神经电极的植入速度。通过光学、电学、电化学、在体植入测试，验证了该电极的应用优势和长期记录的能力，说明了此植入策略的通用性和应用潜力。此项技术有望为柔性神经电极提供普适的植入解决方案，进一步推进长期、稳定、安全的脑机接口系统的发展。该工作以“TransFlex: A Flexible Multi-Shank Implantable Neuroelectrode with Variable Stiffness Based on Patternable Soluble Dextran-Pullulan Support Layer”为题Transducers 2025上发表，张致同博士为第一作者，郑雨晴研究员、李志宏教授为通讯作者。

2.面向抗运动干扰的脑电信号采集应用的可拉伸微针阵列电极研究

脑电图（Electroencephalogram, EEG）作为无创脑电采集方法，已在脑疾病诊断、ICU监护、睡眠及认知监测、脑机接口设备控制等多个场景中获得应用，这些应用依赖长时程、高质量EEG信号采集。作为EEG采集的关键工具之一，脑电电极性能稳定性和电极-皮肤接触界面稳定性对长时程可靠EEG信号采集具有重要影响。传统的湿电极和半干电极需要导电介质实现电极与皮肤之间的电学连通，在长时程EEG采集过程中，导电介质因失水而性能下降，难以实现长时程稳定EEG信号采集；干电极不依靠额外的导电介质，适合用于长时程脑电监测，受高阻抗角质层的影响，平面、爪状和柱状干电极与皮肤之间的接触阻抗高，而微针式干电极可以刺破角质层，实现低接触阻抗，但是电极-皮肤之间的接触受运动引起的皮肤形变等影响，难以维持长时程稳定的接触界面。因此，在微针干电极基础上，北京大学李志宏教授团队针对运动状态下长时程、高质量EEG信号采集的挑战，提出了电极材料和工艺创新：1）基于微模塑工艺，实现具有硬质树脂微针和本征可拉伸SEBS衬底的可拉伸微针阵列干电极；2）通过“SEBS-树脂-SEBS”结构设计实现异质材料稳定结合；3）通过蒸发镀膜、磁控溅射镀膜两步工艺进行电极表面金属层沉积，实现40%拉伸导电性（>最大20%的头皮拉伸性）；4）基于电化学沉积工艺在电极微针阵列表面进行导电聚合物修饰，实现了与湿电极相媲美的电极-皮肤接触阻抗（10 Hz下阻抗<2 k="">

二、芯片热管理与AI辅助性能预测

1.面向大面积高功率计算芯片的两相冲击射流冷却技术

随着电子器件向更高功率密度发展，散热能力已成为制约其性能提升与稳定运行的核心瓶颈。相变冷却技术借助工质的液-汽相变潜热交换，在高功率芯片散热中展现出巨大潜力，但其性能受限于冷却剂分布不均、蒸汽排放不畅等问题，难以同时实现高临界热通量与低表面过热度。团队提出两相冲击射流冷却策略，以可直接应用于电子器件的绝缘工质Novec-649为冷却剂，将大面积多孔铜反蛋白石结构在芯片背面原位集成，以增强成核位点与润湿性以提升散热效率。并将3D打印的歧管微通道与芯片集成，通过控制冷却剂分布与蒸汽排放，以实现散热性能的突破性提升。实验结果表明该散热方案可以实现140 W/cm²的临界热通量的热耗散，且表面过热度为35 K，为高功率电子设备的高效散热提供了新的解决方案。相关研究成果以“Two-phase Impingement Cooling Using Novec-649 With Copper-Inverse-Opal Wick and 3D Printed Microchannel Manifold”为题发表于Transducers 2025上，博士生石上阳为第一作者，张驰助理研究员为通讯作者。

2.人工智能辅助可拉伸硅阵列力学性能预测方法

在柔性电子领域，可拉伸硅阵列凭借优异的电性能、力学性能、高密度集成能力以及与晶圆级制造工艺的兼容性，成为可穿戴设备、柔性机器人和AR/VR 等应用领域的核心技术之一。然而，晶圆级制造过程中不可避免的特征尺寸偏差会显著影响器件的力学性能，亟需一种能在制造过程中快速、精准预测器件力学性能的技术。研究团队成功研发出一种基于人工智能（AI）的可拉伸硅阵列力学性能虚拟测试方法，并以Parylene-kirigami互联的可拉伸硅阵列为例完成了方法学验证。该方法借助人工神经网络（ANN）模型，仅通过在训练好的模型中输入可拉伸硅阵列的关键特征尺寸，就能实时、精准预测其等效杨氏模量和最大弹性应变，准确率高达95%以上。这种非破坏性、高效率、高精度的监测方法，具备拓展至蛇形、螺旋形、折纸（Origami）等多种可拉伸硅结构的潜力，为可拉伸硅阵列的大规模、高一致性制造提供了关键技术支撑，有望推动硅基柔性电子器件的产业化进程。该工作以“AI-assisted Virtual Testing Method for Mechanical Performance of Stretchable Silicon Arrays”为题发表于Transducers 2025上，博士生温博和博士后徐涵为共同第一作者文章，王玮教授为通讯作者。

三、压电和声学MEMS传感器与驱动器

1.基于单片PMUT产生新型双声瓣的多场合大范围、高精度超声流量监测

基于超声飞行时间（ToF）的传统流量计通常由一对全同而对称分布于直管段两侧的超声换能器构成，通过交替作为发射器（TX）与接收器（RX）来获取顺逆流超声传播时间差（ΔToF），从而得到体积流量值。该传感方案限制了单次测量的速率，且难以通过延长超声传播路径提升ΔToF分辨率，并对异形管道的适应性不足。针对此，本文提出一种面向适用于弯折管道的灵活流量监测方案。通过优化器件设计与时序控制，使用3.6 mm×3.6 mm紧凑的压电微机械超声换能器（PMUT）相控阵列生成与弯折管道几何高度匹配的对称双向声学波束，显著提升了超声流量传感的普适性。实验表明，该方法可实现大范围（0.5-35升/分钟气流），高线性度（0.99706）与高分辨率（185纳秒/升·分钟或2032纳秒/米·秒）的高速率（1000次/分钟）流量计量，达到国际先进水平。该工作以“High Resolution and Large Range Ultrasonic Flow Monitoring Based on Monolithic PMUT Phased Array with Bidirectional Beams”为题发表，并被选为口头汇报（oral）。本科生高毓风为论文第一作者，卢奕鹏研究员为通讯作者。

2.基于压电微机械超声换能器的体内频率调制通信系统

随着植入式医疗设备的广泛应用，传统电磁波通信方式在人体液性环境中面临传输损耗大、组织发热等问题，而现有超声通信技术又存在阻抗匹配不佳、系统复杂等挑战。针对这些难题，该工作创新性地采用直流偏压调控技术，通过优化PMUT阵列设计和驱动信号，成功实现了在±8V直流偏压下163 kHz至337 kHz的宽频谐振频率调节。该系统不仅摆脱了对高频载波和复杂电路的依赖，其频率调制方式相比传统幅度和相位调制具有更强的抗干扰能力，特别适合动态变化的体内生理环境。实验表明，在模拟人体软组织的硅油环境中，该系统通过交叉相关分析可实现完整的时序还原，为植入式医疗设备提供了更可靠的通信解决方案。该工作以“An Intrabody Ultrasonic Frequency Modulation Communication Microsystem Based on Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers”为题发表在Transducers2025会议上，第一作者是硕士研究生张晨远，卢奕鹏研究员为通讯作者。

3.基于双频PMUT的调幅准单极脉冲超声执行器

传统振幅调制技术因正负声压抵消导致调制效率低下，而现有低频超声设备又存在体积庞大、声束控制精度不足等问题。针对这些挑战，研究团队创新性地提出基于小波分解理论的准单极脉冲合成方法，通过优化双频超声波（2.81 MHz/8.31 MHz）的频率比（1:3）与幅值比（0.81），成功实现了峰峰压力比（PPP）达4.78的准单极脉冲，较传统调制方式提升150%声压输出。该PMUT阵列采用多频独立设计（5/10/15 MHz），在硅油介质中验证了低至150 kHz的连续波形调制能力，可精准合成任意低频包络。这项技术为高保真触觉反馈和靶向神经调控提供了新方案，其核心创新在于：首次将小波变换理论应用于超声波形合成，通过双频耦合机制突破声压抵消效应；开发的Cavity SOI晶圆制备工艺使微型化PMUT阵列兼具宽频带（2.81-8.31 MHz）与高压电性能。该工作以“An Ultrasonic Actuator with Amplitude-Modulated Quasi-Monopolar Pulses Based on Dual-Frequency PMUT”为题发表在Transducers2025会议上，第一作者是硕士研究生张馨月，卢奕鹏研究员为通讯作者。

4.超声波电池充电状态监测和健康评估

随着电动汽车和消费电子的快速发展，锂离子电池（LIB）的健康状态（SOH）和电荷状态（SOC）监测成为保障其安全性和性能的关键。传统基于电学特性的监测方法难以捕捉电池内部早期退化时的理化性质变化，而超声技术以其非破坏性、实时性等优势成为研究热点。然而，现有超声技术面临超声传感器体积大、集成度低和耦合效率差等挑战。针对这些问题，北京大学集成电路学院研究团队联合研发了一种小型300 kHz压电微机械超声换能器（PMUT）阵列。该阵列具有7°的高指向性，能够精准穿透多层软包电池，实现非接触式电池的实时检测。实验表明，超声信号与电池状态SOC的最大绝对相关系数高达0.8，且通过多点检测方法有望进一步提升精度。此外，研究还发现，当环境温度从室温降至10°C时，电池的SOH从89%下降至76%，同时超声信号幅值衰减16%，验证了该方法在低温环境下的适用性，为研究恶劣条件下电池的状态检测及失效的超前预警提供了新的研究思路。这一创新性成果不仅克服了传统超声探头的局限性，还为电池健康监测提供了一种小型化、高精度的解决方案。该工作以“Ultrasound-Based Battery State-of-Charge Monitoring and Health Evaluation Using High Directivity MEMS Transducer”为题发表，博士研究生夏吉奡为第一作者，卢奕鹏研究员为通讯作者。

5.针对血压监测和血管评估的多频 PMUT 阵列可穿戴光声传感系统

近几年来，可穿戴医疗设备对微型化、无创连续血压监测的需求日益增长，但传统超声血管直径测量系统因笨重的换能器阵列难以满足便携性要求。现有基于压电微机械超声换能器（PMUT）的植入式方案虽实现微型化，却面临侵入性操作和动脉对准精度等挑战。而光声成像（PAI）虽具备光学对比度高、穿透深度好的优势，但现有系统受限于固态激光器与单晶超声探头的体积，难以兼顾高分辨率和宽深度覆盖。北京大学卢奕鹏团队，提出了一种基于腔体绝缘体上硅（CSOI）工艺制造的多频PMUT阵列，通过六边形腔体设计（腔间间隙10 μm）实现高填充因子和小型化。该阵列包含三个独立频段：低频（LF，空气中5 MHz）、中频（MF，7.5 MHz）和高频（HF，12.5 MHz），在凝胶耦合剂中分别实现126%（3.5 MHz）、103%（5.5 MHz）和110%（11.0 MHz）的超宽光声带宽（-6 dB）。结合紧凑型激光器（532 nm，脉冲能量5–6 μJ），系统在光学透明仿体中成功获取了深度0.7–3.7 cm、直径1 mm与2 mm血管的A线信号。实验表明：低频/中频PMUT凭借高灵敏度（LF：0.53 μV/Pa）适用于深部大血管检测，而高频PMUT（HF：0.13 μV/Pa）则通过保留的高频成分精准解析1 mm小血管的峰峰时间差（提取直径的关键信息）。这种多频协同设计解决了单频探头在深度覆盖与分辨率间的矛盾，为开发便携式血压监测及血管健康评估设备提供了关键技术支撑。相关成果以“Multi-frequency PMUT Arrays for Blood Pressure Monitoring and Vascular Assessment Using Photoacoustic Sensing”为题发表于Transducers 2025国际会议。博士生方叶星为第一作者，卢奕鹏研究员为通讯作者。

6.针对皮肤黑色素检测的小型化光声系统集成工艺

近几年来，面向实时生理监测的可穿戴或小型化光声（PA）系统备受关注。然而，传统的光声系统依赖于笨重的脉冲激光器和超声探头，严重限制了其在便携式和可穿戴设备中的应用。许多研究致力于光源（如LED）和换能器（如PMUT）的微型化，但未能协同优化其空间排布，导致信噪比（SNR）不理想并阻碍了系统的进一步小型化与高集成度。北京大学卢奕鹏团队，开发了一种基于腔体绝缘体上硅（CSOI）工艺制造的高填充因子（80.31%）压电微机械超声换能器（PMUT）阵列。该PMUT设计采用71个六边形振元的正交布局，有效提升了信号接收面积和性能。通过将此PMUT与紧凑型垂直腔面发射激光器（VCSEL）在空间上进行优化集成，成功构建了尺寸仅为4.6 mm × 2.0 mm × 5.6 mm的微型光声传感系统。该系统在凝胶耦合剂中工作中心频率为3.50 MHz，光声带宽高达146%（-6dB），并展现出0.53 µV/Pa的接收灵敏度。实验成功采集到仿体中不同深度黑色素标记物的光声信号，验证了系统在近距离检测应用中的优势。该微型化、高集成度的光声系统为开发便携式生物医学监测设备（如皮肤黑色素检测仪）铺平了道路。通过激光—换能器空间协同优化，该方案在保证宽带、高灵敏度的同时，大幅提升了系统集成度和信噪比，为袖带式或贴片式连续监测皮肤黑色素异常及浅表血管病变奠定了技术基础。该工作以“A Miniature Photoacoustic System for Skin Melanin Detection”为题在Transducer 2025国际会议上发表。博士研究生方叶星为第一作者，卢奕鹏研究员为通讯作者。

7.基于直流偏置的带宽可调PMUT阵列

多频压电微机械超声换能器（PMUT）阵列技术在医疗成像和无损检测等领域极具应用前景，然而传统的设计方法通常依赖于阵列单元采用不同几何尺寸来实现宽带宽，这不仅导致了阵列的空间利用率低下，也使得制造工艺相对复杂。针对这一技术瓶颈，本研究提出并实现了一种基于均匀几何结构设计的带宽可调PMUT阵列。该创新方法通过对阵列中的不同通道施加特定的直流偏压组合，便能灵活地调谐工作带宽，从而能够在不改变物理结构的情况下，实现动态增强器件轴向分辨率（宽带）或提高声发射强度（窄带）的目标。研究最终通过实验证明，利用该直流偏压调控方法可以实现带宽的显著拓宽，这一成果为开发下一代高性能的先进治疗与成像应用奠定了重要基础。该工作以“A Bandwidth-Tunable Array of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers With Various DC Bias Voltage Combinations”为题发表，文章第一作者是本科生王熙理，卢奕鹏研究员为通讯作者。

8.基于宽频设计及负极化处理的的高耦合效率PMUT阵列

随着超声成像技术的不断发展，如何提高超声换能器的带宽和分辨率成为了关键挑战。本研究针对高频宽带压电微机械超声换能器（PMUT）阵列在带宽与灵敏度之间的权衡问题，提出了一种有效解决方案。该方案通过设计集成多频谐振器，并结合负极化处理，成功实现了带宽的拓宽以及声压输出的保持。该阵列在液体介质中的中心频率为18.1 MHz，-6 dB带宽达到15.5 MHz，较传统单频设计增加了三倍的带宽，同时保持了84%的声压灵敏度。此外，负极化处理优化了压电材料的极化方向，进一步增强了声压输出。单脉冲轴向分辨率达到147微米，比传统设计提高了近30%。通过优化阵列的设计，该研究在带宽和灵敏度之间找到理想平衡，可有效提升超声成像和微结构缺陷检测的精度。该工作以“High-Frequency and Broadband PZT-Based PMUT Array with Negative Poling for Enhanced Coupling Efficiency”为题发表。博士生赵雷为论文的第一作者，卢奕鹏研究员为通讯作者。

9.针对PZT薄膜的超薄多层结构集成的压电MEMS驱动器制造工艺

近几年来，在许多传统或者新兴的应用领域都可以看到压电MEMS驱动器的身影，例如用于自动驾驶的压电微镜、用于AR眼镜的压电透镜、用于智能音频设备的压电扬声器、压电散热和压电打印喷头。这些压电MEMS驱动器不再局限于简单的悬臂梁或振膜，而是逐渐与更复杂的结构集成在一起，如弹簧、杠杆、声学谐振腔和微流道。而这需要能够实现超薄结构和多层结构集成的工艺方案。另一方面PZT由于其高压电系数，仍是压电MEMS驱动器最广泛应用的材料，但是其在复杂的压电MEMS工艺过程中会发生退化。北京大学卢奕鹏团队，比较了工艺过程中不同顶电极材料对PZT影响，并采用了ALD方法沉积的致密氧化铝作为保护层，最终PZT的极化强度保持为原来的94.27%。利用临时键合方案和parylene键合，实现了较薄的振子和腔室（130 µm和50 µm）以及对表面粗糙度要求较低的多层结构集成。该工作以“A Fully MEMS-Compatible Process for Ultra-thin Piezoelectric Actuators with Good Uniformity And High Coupling Efficiency”为题在Transducer 2025国际会议上发表。博士研究生鲍奥成为第一作者，卢奕鹏研究员为通讯作者。

10.兼容高温微纳加工的PZT压电薄膜的热稳定性研究

随着微纳加工技术的发展，压电MEMS器件对系统集成度与小型化的要求不断提高，与CMOS芯片一体化集成已成为业界共识。PZT（锆钛酸铅）薄膜因其独特的非中心对称钙钛矿结构，展现出优异的铁电性与压电性能，广泛应用于传感器、微镜、压电超声换能器（PMUT）以及表面声波（SAW）滤波器等压电MEMS器件中。但PZT材料在经历高温工艺过程，如刻蚀、退火及等离子体化学气相沉积（PECVD）后，往往会形成铅挥发及氧空位，严重影响其压电与铁电性能。然而，在CMOS后端工艺（BEOL）中，器件常常要经受高达450°C以上的热预算处理，这对PZT材料热稳定性提出了严峻挑战。本研究系统比较了不同顶部电极材料（Pt、Cr、Ti）对PZT薄膜在高温热处理后性能变化的影响。研究采用450°C热处理，模拟CMOS兼容的后压电工艺条件，并测量了薄膜的压电系数（e₃₁,f）以及电滞回线。实验结果显示：采用Pt电极的PZT薄膜在高温处理后依然保持了稳定的压电和铁电性能；相比之下，采用Cr或Ti黏附层作为电极的样品在热处理后表现出显著的性能退化。研究还发现，压电性能与铁电极化特性之间存在高度相关性。本研究为推动压电MEMS器件在高温、集成环境下的可靠性提升提供了材料层面的理论依据和实验支持，为高温后压电工艺的材料选型与结构设计提供了重要参考。该工作以“Electrode Dependent Thermal Stability of PZT Thin Film for Post-Piezoelectric Process”为题在Transducer 2025国际会议上发表，第一作者是博士研究生杨冲，卢奕鹏研究员为通讯作者。

四、MEMS声矢量传感器和电化学传感器

1.基于MCN热敏材料的声矢量传感器

热式声质点振速传感器能够获得声场中的矢量信息，近年来在声学成像、声源定位等领域得到了广泛应用。目前铂（Pt）常被用作该类传感器中的热敏电阻材料，但其电阻温度系数（TCR）较低且需要较高的加热功率，限制了传感器性能的进一步提升。相比之下，锰钴镍氧化物（MCN）的TCR比Pt高一个数量级，有望突破现有传感器灵敏度提升幅度受限的问题，并有助于降低功耗。然而，由于MCN的材料特性与Pt存在较大差异，基于该新型热敏材料的热式声质点振速传感器在结构设计、制备工艺和理论建模等方面有待探索和研究。针对上述挑战，北京大学高成臣-杨振川教授团队开发了一种新型的基于MCN的热式声质点振速传感器，提出了一种完全基于干法刻蚀的制备工艺来解决MCN与湿法刻蚀不兼容的问题，成功实现了上下穿通的悬梁结构。此外，进一步推导了基于负温度系数（NTC）热敏电阻的传感器灵敏度模型，用于优化传感器的工作点。结果表明，该传感器在相同功耗下的灵敏度与基于Pt热敏电阻的传感器相比提高了36倍，展现了高灵敏和低功耗的优势。该工作以“A Novel Thermal Acoustic Particle Velocity Sensor With High Sensitivity And Low Power Consumption”为题发表，博士生陈旺楠为第一作者，杨振川教授为通讯作者。

2.热式矢量水听器的声学振速喇叭型低频增益封装

水下声学在现代海洋开发与科学研究中具有不可替代的核心地位。热式矢量水听器因其理论上具备频率响应平坦、灵敏度不随频率变化等优点，在低频水声信号探测领域展现出巨大应用潜力。然而在实际测试中，该类水听器仍存在低频灵敏度衰减及整体灵敏度偏低的问题，限制了其工程应用性能。北京大学高成臣-杨振川教授团队将声学振速喇叭结构（Acoustic Velocity Horn, AVH）引入热式矢量水听器的封装设计中，通过增强封装内的声质点振速场，有效提升传感器的灵敏度。团队系统研究了声学振速喇叭结构在低频水声环境中的适用性，尤其关注在高粘度封装介质中粘滞效应对喇叭尺寸的限制。同时，还深入分析了封装结构所引发的谐振效应对低频灵敏度的影响，并通过优化透声膜的参数实现了有效改善。在此基础上，团队设计并研制了一种集成声学振速喇叭型封装增益结构的单轴热式矢量水听器。实测结果表明，该器件在10  Hz频率下实现了约15 dB的单轴灵敏度提升，且具备平坦的频率响应特性；在10  Hz至1  kHz频段内展现出优异的空间指向性，其凹点深度超过35  dB。该研究成果以“A Low Frequency MEMS Thermal Vector Hydrophone with Acoustic Velocity Horn”为题发表，博士研究生马旭为第一作者，杨振川教授为通讯作者。

3.紧凑型三维声矢量传感器结构设计

三维声矢量传感器在空间声场感知中具备方向分辨能力，但由于传感单元存在热惯性效应及封装引起的干扰，其频率响应常表现为非线性起伏，影响信号幅度一致性和后续处理精度。同时，在低信噪比环境下，自噪声对有效信号的干扰尤为显著，制约了系统在复杂环境中的应用能力。针对上述问题，北京大学高成臣-杨振川教授团队提出了一种面向三维声矢量传感系统的频响均衡与多通道噪声优化方法。该方法结合物理知识与机器学习框架，通过优化多级滤波器参数（具有不同截止频率与增益系数），实现对传感器频率响应的建模与修正。同时，采用零相位滤波器设计，有效避免了传统滤波中的相位失真，保证了方向信息的准确性。此外，系统引入两阶段降噪策略，结合谱减法与基于三轴信号相关性的多通道优化算法，实现对热噪声与不相关干扰的动态抑制。实验结果表明，该系统在100 Hz~10 kHz范围内可实现±3 dB的频响平坦度，在低信噪比环境下可提升约10 dB信噪比，在提升信号可用性的同时保持方向估计的稳定性。该工作以 “Advanced Three-Dimensional Acoustic Vector Sensor System: Physically-Informed Machine Learning-Driven Frequency Response Flattening and Multi-Axis Correlation Noise Optimization” 为题发表，博士生马利豪为第一作者，杨振川教授为通讯作者。

4.三维声矢量传感器频率响应均衡与多通道噪声优化设计

三维声矢量传感器可同时感知声压与粒子振速，在空间声场建模与声源定位等方面具有一定应用前景。为改善热式振速传感器的灵敏度，传统常采用锥形号角结构，但在三轴集成中容易引起通道间距扩大、结构紧凑性下降，限制了其在小型化系统中的应用。针对上述问题，北京大学高成臣-杨振川教授团队提出了一种面向三轴声矢量传感的紧凑型号角设计方案，基于阶梯式双半锥管（Stepped-DSCT）结构构建小型封装，以在体积受限条件下平衡结构与性能。该设计通过多级锥角优化，在1 kHz频率点实现12.5 dB灵敏度增益与13 dB指向性增益。传感器整体体积约10 mm3，实现三轴正交集成，各轴方向性图呈典型“8”字型，凹点深度超过40 dB。系统性能在100 Hz~10 kHz频段内通过仿真与实验得到验证。相较于传统结构，该方案在结构紧凑性和方向响应之间取得了较好平衡，具备一定的工程应用潜力。该工作以 “A Compact Three-Dimensional Acoustic Vector Sensor with Stepped Double Semi-Cone Tube Horn” 为题发表，博士生马利豪为第一作者，杨振川教授为通讯作者。

5.基于MEMS的具有优化流阻和高可靠性敏感单元的电化学振动传感器

电化学振动传感器因其在低频探测中的优越性能，在地球物理勘探等场景中展现出广阔前景。然而，传统制备工艺中为减小流阻常需牺牲硅片机械强度，导致器件封装可靠性差、易碎裂等问题。针对上述挑战，北京大学高成臣-杨振川教授团队提出了一种基于硅槽设计的高可靠性电化学敏感电极芯片，通过结构创新实现了流阻调控与机械强度的解耦。该设计在硅片正面引入微槽结构，有效将流孔深度与硅片厚度分离，同时在硅槽底部集成阳极，缩短两阴极间距，降低信号失真。传感器在1 Hz下的自噪声水平达到-171 dB，优于商用器件CME6011，并实现226倍的峰值灵敏度提升。此外，采用COMSOL仿真优化了机械响应模块的流阻结构，验证了硅槽深度调节对低频性能的显著提升。展示了MEMS电化学传感器在极端环境下高灵敏、高可靠的应用潜力。该研究以"A MEMS-Based Electrochemical Vibration Sensor with Optimized Flow-Resistance and High-Reliability Sensitive Unit"为题发表，博士生张楠为第一作者，杨振川和高成臣教授为通讯作者。

6.一种稳流封装方法的设计用于增强电化学速度型矢量水听器的抗干扰能力

传统电化学矢量水听器在复杂海洋环境中易受到低频流体噪声扰动影响，导致稳态离子浓度场破坏、传感器失效，限制其实用性。针对该关键难题，北京大学高成臣-杨振川教授团队提出了一种具备“稳流通道导引”结构的电化学矢量水听器封装方法，显著提升器件在复杂水动力条件下的抗干扰能力。该方法引入稳流通道以分离流体扰动与目标声波信号，从根本上避免了敏感电极附近的离子场扰乱问题。实验结果表明，该设计有效缩短93.9%的稳态恢复时间，在5-100 Hz范围内保持平坦频响，5 Hz处灵敏度达到-174.2 dB（无放大）。即便在强低频水流干扰环境中，依然可准确捕获30 Hz水下目标声波，为电化学水声传感器走向复杂深海应用提供了关键封装解决方案。该项研究以"A Stabilized-Flow Packaging Method for Enhanced Interference Resistance in Electrochemical Velocity-Type Vector Hydrophones"为题发表，博士生张楠为第一作者，杨振川和高成臣教授为通讯作者。

7.基于GOS基片的高灵敏度高上截止频率电化学加速度计

振动测量在诸如水下探测，地震检测，资源勘探等诸多领域具有非常广泛的需求。电化学加速度计用于振动传感在低频探测领域因其高灵敏度，低噪声的特点具有较高的应用价值。但是一方面，电化学振动传感器的高频探测能力较为受限，目前的研究中其高频截止频率通常在100Hz附近，极大限制了其应用场景；另一方面，电化学传感器的芯片厚度是决定系统流阻与器件性能的关键因此，而该参数往往受限于基片厚度，薄基片的加工难度制约限制了芯片结构层厚度的降低。针对以上问题，北京大学高成臣-杨振川教授团队提出了一种基于玻璃-硅键合片（GOS Wafer）的腔室结构电化学电极芯片，成功实现了高灵敏度、高上截至频率的电化学振动传感器。该方案采用的玻璃-硅键合基片，其玻璃层厚度仅为20微米，在该层上制备了关键的阴阳电极结构，并且由于玻璃材质良好的绝缘特性，优化了硅基工艺中的绝缘层制备步骤；同时，500微米厚度的硅层在加工中为基片提供了良好的机械支撑，保证了加工良率，通过TMAH自停止湿法腐蚀工艺，在芯片背面制备了腔室结构，提高阴极附近的电解液体积，有效提高器件灵敏度。除此之外，通过设计器件的固定方式，在高频区域设计谐振峰，对高频灵敏度衰减进行补偿，最终成功实现了达到1032Hz的高频截止频率。该工作以“An Electrochemical Accelerometer with Over 1K Frequency Bandwidth and High Sensitivity”为题发表。第一作者是博士生齐霄雨，通讯作者为杨振川教授与高成臣教授级高工。

8.具有快速响应、高抗过载能力的高灵敏度电化学振动传感器

电化学振动传感器具有低频高灵敏度低噪声的优势，但当器件在面临外界大冲击的条件下，器件将会进入长达数十秒无法工作的状态，在器件冷启动的状态下也会有数秒的时间没有信号输出。为了定位与解决以上问题，北京大学高成臣-杨振川教授团队分析了器件失效机理，通过电路方案解决了器件长时间失效的问题，并以此电路设计为基础提出了增益电极结构，极大提高了器件灵敏度。经过分析，器件失效的机理是由于在大振幅或者冷启动条件下，器件的工作电流会超出后级跨阻放大器的电流承载能力，导致其负输入端的虚地电位失效，阴极电位从0 V上升至接近阳极电位，破坏了电解池的恒压，致使后级整体电路失效的同时，进一步拖慢了浓度梯度的回复（建立）过程。本方案增加了射极跟随器结构，有效分担跨阻放大器的电流，使得阴极电位保持0 V，有效提高了电路的电流承载能力，进而增强了器件的过载恢复速度与启动速度。同时基于增强后的电流承载能力，在器件封装中增加了增益电极结构，有效利用远端离子，极大提高器件灵敏度。实验表面器件的过载回复时间降低87.5%，启动时间降低96.2%，增益电极在带内将灵敏度提高了平均947.1%。该工作以“A High-sensitivity Electrochemical Vibration Sensors with Fast Response and High Overlord Resistance Capability”为题发表。第一作者是博士生齐霄雨，通讯作者为杨振川教授与高成臣教授级高工。

9.基于锰钴镍氧（MCN）的微测辐射热计工艺开发

红外微测辐射热计作为非制冷红外探测器的核心器件，其性能提升对安防监控、医疗成像等领域具有重要意义。针对传统器件热敏材料有待优化的挑战，北京大学高成臣-杨振川教授团队开发了一种新型的基于MCN的微测辐射热计。本研究提出基于MCN薄膜的桥式结构创新工艺，主要突破包括：热学优化设计：开发新型桥式结构工艺，通过释放聚酰亚胺后实施高温退火工艺，将热导率优化至1.3×10-4 W/K，响应率提升至234.7 V/W，为高灵敏度红外探测器提供了创新工艺路线；工艺创新：采用双步电极成形工艺，通过精细化桥梁结构设计，突破传统光刻对准精度限制；材料创新：选用电阻率降低43倍的新型MCN材料，有效抑制器件热噪声。该工作以“Ultra-High Responsivity Bridge Uncooled Infrared Microbolometers Based on Thin-Film Mn-Co-Ni-O”为题发表，第一作者为博士生赵妍，通讯作者为杨振川教授和高成臣教授级高工。

10.新型微测辐射热计桥腿热导设计

非制冷红外微测辐射热计在环境监测、工业检测等领域需求迫切，传统等宽度梁结构面临热力协同优化的关键瓶颈，导致热灵敏度受限，现有设计方法缺乏系统性理论支撑。北京大学高成臣-杨振川教授团队提出基于等强度梁的非制冷红外微测辐射热计创新架构，主要突破包括：建立悬臂梁应力分布的系统化力学模型，求解优化梁宽解析解，本方案保持该结构在保持最大第一主应力和吸热面积不变的同时，消除了低效悬臂梁，实现热导率降低2.58倍，制备而成的红外微测辐射热计大气条件下读出电压提升1.63倍，有效提升了器件的响应度。该工作以“Low Thermal Conductivity Uncooled Infrared Bridge Microbolometer Based on Beams of Constant Strength”为题发表，第一作者为博士生赵妍，通讯作者为杨振川教授和高成臣教授级高工。

五、太赫兹和光学超表面传感技术

1.基于双材料微悬臂梁焦平面阵列的太赫兹三维缺陷探测技术

聚合物材料因其轻质、优异的热稳定性和耐腐蚀性，在工业制造、生物医学和建筑工程等领域得以广泛应用。然而，聚合物材料内部的缺陷会显著降低其性能，因此准确检测和表征这些隐藏缺陷对聚合物系统的可靠性和寿命至关重要。太赫兹检测技术因其强穿透性和低能量特性，成为一种备受关注的无损检测方法。太赫兹时域光谱作为一种最为常见的检测手段，其单像素采集模式需要逐点扫描，耗时且依赖笨重的光栅设备，限制了实际应用。此外，太赫兹脉冲源的输出功率较低，也难以探测到较厚材料的内部结构信息。针对上述挑战，北京大学于晓梅教授团队提出了一种基于超灵敏双材料微悬臂梁焦平面阵列的三维太赫兹成像技术，用于表征聚合物材料内部的隐藏缺陷。该技术将工作在太赫兹频段的超材料吸收器集成到微悬臂梁焦平面阵列的每个像素中，进而将入射的太赫兹波能量转化为微悬臂梁的热机械形变，通过可见光读出系统读取每一个微悬臂梁像元的热机械偏折情况。结合多角度太赫兹投影图像和三维计算机断层扫描算法，研究团队成功重建了高密度聚乙烯和聚四氟乙烯样品内部隐藏孔隙和杂质的三维结构。该技术克服了传统太赫兹时域光谱系统的扫描效率低和功率限制问题，为聚合物材料的无损检测提供了一种高分辨率、快速的三维成像解决方案。该工作以“3D Terahertz Detection of Internal Defects within Polymer Materials Using A Thermomechanical Performance-Enhanced Bi-Material Microcantilever FPA”为题发表，博士生周湛轩为论文第一作者，通讯作者为于晓梅教授。

2.基于双材料微悬臂梁焦平面阵列的太赫兹指纹谱传感技术

太赫兹光谱技术自提出以来，已成为应用极为广泛的表征方法之一，许多生物分子和组织在太赫兹频段表现出独特的指纹特性。随着光谱技术应用场景的日益复杂，人们对光谱仪的物理尺寸、鲁棒性、集成度、便携性等方面提出了更高的要求，甚至优先于对高性能的追求。然而，作为太赫兹光谱技术的核心，传统的台式太赫兹时域光谱系统通常包含体积庞大的频率扫描和机械调谐组件。针对上述挑战，北京大学于晓梅教授团队提出了一种基于双材料微悬臂梁焦平面阵列的成像型太赫兹指纹谱传感技术，该技术中无需使用传统的太赫兹时域光谱系统。通过在微悬臂焦平面阵列分为5×5个不同区域，每个区域的微悬臂梁焦平面阵列都分别集成一种在不同频率下工作的超材料吸收器，通过读取每个区域微悬臂梁焦平面阵列的热机械偏折情况，在2.1 cm×2 cm的面积内即可实现25个光谱通道太赫兹光谱信息的捕获，并利用设计的算法将捕获的光谱信息以像素矩阵图像的形式显示。研究团队在2.52太赫兹下验证了制备器件的光谱捕获能力，并成功实现了L-谷氨酰胺的太赫兹指纹谱传感，指纹谱传感的灵敏度为9.9%/wt%。该工作以“Imaging-Based Terahertz Fingerprint Sensing Using A Bi-Material Microcantilever Focal Plane Array”为题发表，博士生周湛轩为论文第一作者，通讯作者为于晓梅教授。

3.用于肾癌细胞高灵敏检测的偏振不敏感类EIT太赫兹超表面生物传感器

肾癌作为全球癌症相关死亡的主要病因之一，其早期诊断困难和高昂检测费用严重制约了治疗效果。现有太赫兹超表面检测技术多局限于干燥/失活生物样品的单参数频移检测，难以满足临床实时检测需求。针对这一挑战，北京大学吴文刚教授团队基于类电磁诱导透明（EIT-like）效应提出一种极化不敏感太赫兹超表面生物传感器。该传感器通过金十字结构（明模）与旋转对称四裂环谐振器（明模）的耦合作用，在1.35 THz处产生86.3%高透射窗口，实现0.321 THz/RIU的峰值灵敏度，较传统传感器性能显著提升。实验验证表明，该传感器具有优异的极化不敏感特性（0°-180°全极化角度稳定），并通过频率偏移（Δf）和振幅衰减（ΔA）双参数实现活体肾癌细胞定量检测：对于2×105cells/mL样本，Δf = 63 GHz，ΔA=11.95 dB；8×105 cells/mL样本，Δf =1 15 GHz，ΔA=18.18 dB。此项研究突破了现有技术对活体细胞检测的局限，为肾癌早期诊断提供了快速、低成本且非侵入式的全新解决方案。相关成果以“High-Sensitivity Detection For Kidney Cancer Cells Using Polarization Insensitive Eit-Like Thz Metasurface Biosensor”为题发表在Transducers 2025上，博士生曹云昊为第一作者，吴文刚教授为通讯作者。

4.集成超薄微流道的可重复使用型高灵敏度太赫兹超表面传感器研究

针对传统太赫兹超表面传感器灵敏度低、难以直接检测极性溶液的技术瓶颈，北京大学吴文刚教授团队创新性地提出了一种集成4 μm超薄微流通道的可重复使用型太赫兹超表面传感器。该传感器通过环形谐振单元设计（金属微阵列成功研制在15μm超薄石英基上）在1.25 THz处实现99.4%的完美吸收峰（Q因子达25），并利用超薄微流控通道将电磁场能量完全局域于检测区域，显著增强光-物质相互作用。实验表明，该传感器对0.4 μL痕量溶液的检测灵敏度高达0.568 THz/RIU，是传统结构（0.095-0.205THz/RIU）的2.59-5.65倍，对乙醇、甲醇和甘油的频率偏移量分别达到363 GHz、400 GHz和475 GHz。通过独特的镂空石英层-导电胶-超薄超表面-硅基座多层结构设计，解决了超薄结构易碎性问题，实现了传感器的可重复使用特性。该研究为生化痕量检测提供了新一代高灵敏度、可重复使用的太赫兹传感平台，在环境监测、医疗诊断等领域具有重要应用价值。相关成果以“A Reusable and High-Sensitive Terahertz Metasurface Sensor Integrated Ultra-Thin Microfluidic Channel for Detection of Trace Solution”为题发表在Transducers 2025上，博士生曹云昊为第一作者，吴文刚教授为通讯作者。

5.面向特定生化物质识别的智能传感平台

在生命科学、医疗诊断及食品安全等领域，氨基酸与糖类等生化物质的精准识别具有重要意义。尽管传统检测手段如色谱法和质谱法具有较高的准确性，但其操作复杂、检测周期长，难以满足现场快速检测的实际需求。为解决上述问题，本研究构建了一种结合太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）与FPGA推理加速硬件的智能传感平台。该平台兼具实时性与高识别准确率等优势，能够对典型氨基酸（组氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）及糖类物质（果胶、蔗糖、麦芽糖）实现快速且高准确率识别。平台充分利用THz-TDS对分子振动模式高度敏感的特性，提取目标物质在THz频段下的指纹谱信息，并通过部署于FPGA芯片内部的卷积神经网络模型实现实时处理与智能识别。实验结果表明，该平台对六种目标生化物质的识别准确率超过98%，响应时间约为320毫秒，具备优异的检测性能与快速响应能力。此外，系统具有良好的扩展性，可适用于更多种类的生化物质识别任务，为小型化、智能化的THz生化检测系统的发展提供了技术路径与实现基础。该研究成果以题为“An Integrated Intelligent Sensing Platform for Specific Identification of Biochemical Substances”发表在Transducers 2025上，第一作者为博士生陈雨萨，通讯作者为吴文刚教授。

6.基于横电模表面晶格共振的超灵敏膜厚检测

光学薄膜在当代光学器件中发挥着重要作用，因此高效厚度检测始终是研究热点，尤其针对超薄薄膜层。基于干涉测量法或椭偏仪的传统非接触式光学检测技术虽已广泛应用，但需要复杂设备和先进算法支持。此外，由于系统噪声、色散、蝠翼效应等因素导致的误差，这些方法对纳米级厚度的测量精度不足。北京大学吴文刚教授团队提出了一种基于全金属超表面中横电模式表面晶格共振的波长调制与角度调制结合的厚度检测方法，兼具高厚度灵敏度和简易检测流程的优势。针对15 nm尺度内的Al2O3薄膜，实验观测到共振波长随厚度增加呈线性红移，其波长询问模式下的厚度灵敏度达到2.16 nm/nm，检测限可达5 nm。在角度调制测量中，我们基于宽带光源将裸样品在垂直入射时测得的共振波长定义为工作波长，既保持了小角度测量范围又确保了共振波长提取精度。随着薄膜厚度增加，实测共振角度随之增大，导致角度灵敏度呈下降趋势，但其数值仍比表面等离极化激元的高出一个数量级，最高可达2.1º/RIU。该工作以“Ultrathin Thickness Detection Based on The Wavelength- and Angleinterrogation of Surface Lattice Resonance”为题发表在Transducers 2025上，博士生李立业为第一作者，吴文刚教授为通讯作者。

7.多单元太赫兹频率选择性指纹传感器：痕量物质的宽带识别

当前太赫兹光谱技术在生物医学诊断、安全检测等领域应用广泛，其能直接表征分子的化学特异性结构，但传统太赫兹检测方法在痕量样品分析与宽带检测中面临显著挑战——需数百毫克的样品量才能产生可识别信号，受限于太赫兹源功率、水分子吸收及探测器灵敏度，难以满足早期疾病诊断、安检等痕量分析场景的实际需求。超表面作为人工设计的亚波长结构，能通过聚焦电磁能量增强太赫兹波与分析物的近场相互作用，提升检测灵敏度，但现有超表面方案存在共振品质因数（Q因子）低、光谱分辨率与灵敏度不足，且多针对特定频率设计，无法实现宽带分子指纹检测，可调超表面还易引入噪声干扰，制约了其在痕量物质宽带识别中的应用。北京大学吴文刚教授团队提出了一种基于多单元法诺共振超表面的太赫兹频率选择指纹传感器方案，通过多单元组合策略生成0.3~2.0 THz 宽带信号。该方案设计了21种具有独特结构参数的超表面，通过调节周期等参数覆盖目标频段，并结合紫外光刻技术制备多单元超表面，实现了对痕量物质的宽带识别。进一步的实验验证显示，该传感器成功识别出10 μL 1 mmol/L（0.3423 mg/mL）的 α-乳糖溶液，通过0.53、1.20、1.38 THz三个特征频率点捕捉其分子指纹，相比传统技术显著提升了检测灵敏度与宽带覆盖能力，为太赫兹光谱设备的小型化及现场部署应用提供了可行路径。该工作以“Multi-Unit Terahertz Frequency Selective Fingerprint Sensor: Wideband Identification of Trace Substances”为题发表在Transducers 2025上，并在Robotics & Tactile Sensing Session做口头报告，第一作者是博士生孙宏顺，通讯作者是吴文刚教授。

8.基于二级光栅结构的高灵敏反射型导模共振超表面比色传感器

比色传感技术因具备快速响应、无需标记以及肉眼可直接识别等优点，近年来在医疗诊断、环境监测及生物分析等领域受到了广泛关注。然而，现有基于全介质导模共振（GMR）超表面的比色传感器，其性能仍受限于弱的近场与分析物间相互作用，导致其在折射率微小变化检测方面灵敏度不足，难以满足对高性能生化检测平台的需求。因此，亟需探索一种能够同时实现高品质因子、强近场耦合的新型超表面结构。针对上述挑战，北京大学吴文刚教授团队提出并成功实现了一种基于二级光栅结构的反射型GMR超表面。该设计通过在传统介质光栅的基础上引入铝反射镜和二级光栅，不仅提高了共振电场强度，还大幅增强了近场与分析物之间的相互作用。实验结果显示，该超表面在可见光波段实现了4.36倍于传统透射型全介质GMR超表面的折射率灵敏度提升，且在折射率变化仅0.0097 RIU时，即可引发肉眼可见的显著颜色变化。通过电磁仿真与多极散射分析，团队系统揭示了二级光栅结构的共振机理。结合双次电子束曝光及反应离子刻蚀工艺，成功制备出高精度、高重复性的器件，不同结构参数的样品展现出良好的稳定性与可靠性。该研究不仅突破了传统GMR超表面在比色传感灵敏度方面的瓶颈，也为未来高性能光学比色传感器的设计和实际应用提供了理论基础。该工作以“High-Sensitivity Colorimetric Sensors Based on Reflective Guided-Mode Resonance Metasurfaces”为题发表在Transducers 2025上，并在Metasurfaces & Metamaterials Session做口头报告。博士生马丽筠为第一作者，吴文刚教授为通讯作者。

以上论文的相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家高层次人才计划、国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划，国家集成电路产教融合创新平台、集成电路高精尖创新中心等项目和基地平台的支持。

集成电路学院学生汇报讲演工作