一種應(yīng)用于光聲成像系統(tǒng)的高階多波段超聲換能器陣列

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，上海理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息研究所、上海大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Beyond fundamental resonance mode: high-order multi-band ALN PMUT for in vivo photoacoustic imaging”的論文，提出了一種應(yīng)用于光聲（PA）成像系統(tǒng)的高階多波段氮化鋁（AlN）壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）陣列，以提高其成像分辨率。

在體模實(shí)驗(yàn)中，與基頻諧振模式下的分辨率相比，三階和四階諧振模式下的分辨率分別提高了38.7%和76.9%，表明此次提出的AlN PMUT陣列在提高光聲成像分辨率應(yīng)用方面具有巨大的潛力。

自19世紀(jì)80年代Alexander Bell報(bào)道了光聲效應(yīng)以來，這一現(xiàn)象已在氣體傳感和生物醫(yī)學(xué)成像等各個(gè)領(lǐng)域得到研究。光聲成像是一種由激光激發(fā)和超聲接收組成的物理過程。當(dāng)粒子被短脈沖激光束照射時(shí)，由于粒子的光吸收，會(huì)發(fā)生瞬時(shí)熱膨脹和收縮。膨脹和收縮產(chǎn)生可以被超聲換能器接收的聲波。

隨著光聲成像（PAI）成為21世紀(jì)新興和快速發(fā)展的成像技術(shù)，研究人員利用光聲成像提供了多樣化生物醫(yī)學(xué)信息，并幫助生物和臨床科學(xué)家更好地了解生物組織的某些維度。因此，光聲成像已成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，通過揭示功能和形態(tài)學(xué)信息來補(bǔ)充超聲成像（USI）。

光聲成像系統(tǒng)基于最先進(jìn)的超聲換能器開發(fā)而成，具有高空間分辨率、更大的成像深度、豐富的光學(xué)對(duì)比度，以及更小、更快和更便宜等特點(diǎn)。光聲成像對(duì)于乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌和結(jié)直腸癌等早期癌癥檢測(cè)是有效的。由于激發(fā)激光在人體組織中的強(qiáng)烈衰減，圖像深度仍被限制在5cm以內(nèi)，?這使得系統(tǒng)很難診斷人體內(nèi)部的深層信息，例如內(nèi)臟中的血管。

因此，具有微型化技術(shù)的內(nèi)窺鏡成像受到高度關(guān)注。傳統(tǒng)的塊體型壓電換能器在內(nèi)窺鏡中的使用受到其尺寸和制造工藝的限制。幸運(yùn)的是，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)可以為內(nèi)窺鏡光聲成像應(yīng)用提供微型化換能器的解決方案?；贛EMS技術(shù)的超聲換能器可以分為兩種類型：壓電式微機(jī)械超聲換能（PMUT）和電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）。

CMUT具有高靈敏度和可調(diào)諧寬帶寬的優(yōu)點(diǎn)，然而，它們需要高偏置電壓或其他電壓降低技術(shù)，這可能會(huì)在生物醫(yī)學(xué)活體成像應(yīng)用中造成安全風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，PMUT由于其無源性，在活體應(yīng)用中更靈活、更安全。

PMUT通常根據(jù)工作模式分為兩類：厚度擴(kuò)展模式（TEM）和彎曲振動(dòng)模式（FVM）?；谔沾射嗏佀徙U（PZT）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）和鈮酸鋰（LiNbO3）等不同類型的TEM PMUT已經(jīng)被制造并應(yīng)用于光聲成像中。

基于單晶PMN-PT和陶瓷PZT的TEM PMUT由于PZT和PMN-PT的優(yōu)異壓電常數(shù)而兼具高頻率和高靈敏度。然而，TEM PMUT在光聲成像應(yīng)用中存在成像速度低的缺點(diǎn)?；赑VDF的PMUT具有帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，但PVDF壓電常數(shù)非常低，因此必須將換能器制造得很大，以確保其具有足夠的靈敏度來檢測(cè)光聲信號(hào)?；贚iNbO3、PMN-PT或PZT薄膜的PMUT可以被制造成更小的尺寸，但其工藝與CMOS技術(shù)不兼容。

與TEM PMUT相比，F(xiàn)VM PMUT具有相對(duì)較低的聲阻抗，并且更容易集成多個(gè)頻段。此外，F(xiàn)VM PMUT更容易被制造和形成更高靈敏度、更大帶寬和更多功能的陣列。在過去的幾十年中，ZnO、PZT和AlN薄膜被廣泛應(yīng)用于制造FVM PMUT。

與ZnO和PZT相比，AlN具有更好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及生物安全性，并且AlN PMUT器件制造工藝也與CMOS制造工藝兼容，這使得CMOS-MEMS單片換能器芯片成為可能。此外，對(duì)于FVM壓電MEMS換能器，傳感靈敏度與e3.1.f/?33.f（e3.1.f：壓電常數(shù)，?33.f：介電常數(shù)）成正比，因此，與PZT相比，AlN薄膜因其較小的介電常數(shù)而具有更高的靈敏度，成為制造FVM PMUT的首選。最近，基于AlN薄膜的FVM PMUT已被應(yīng)用于超聲成像、指紋識(shí)別和光聲等領(lǐng)域。

在光聲成像中，橫向和軸向分辨率都會(huì)影響成像質(zhì)量。橫向分辨率由光學(xué)激發(fā)和超聲檢測(cè)的重疊性決定。軸向分辨率源于光聲信號(hào)的半峰全寬（FWHM），并且與聲探測(cè)器的帶寬成正比。通常，光聲信號(hào)具有寬帶寬的短脈沖輪廓。為了獲得高保真度的光聲信號(hào)，必須使用具有寬帶寬的聲學(xué)傳感器。因此，擴(kuò)展超聲換能器的帶寬對(duì)于提高光聲成像分辨率至關(guān)重要。

為了解決用于光聲成像的FVM PMUT帶寬較小的挑戰(zhàn)，目前有兩種方法來擴(kuò)展超聲換能器的帶寬：將多個(gè)不同尺寸（不同諧振頻率）的PMUT組合成一個(gè)陣列，以及設(shè)計(jì)具有多個(gè)諧振模式的矩形結(jié)構(gòu)PMUT。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種應(yīng)用于光聲成像的圓形AlN PMUT陣列（如圖1所示），該陣列利用PMUT的高階諧振模式提高成像分辨率。圖2（a）顯示了提出的FVM PMUT陣列的制造工藝流程，他們制造了陣列并將其應(yīng)用于光聲成像系統(tǒng)中。

通過激光多普勒振動(dòng)測(cè)量、電阻抗測(cè)量和光聲信號(hào)傳感，他們對(duì)制造的PMUT的多頻段諧振特性進(jìn)行了表征和分析?；l和三個(gè)高階諧振帶寬分別為2.2、8.8、18.5和48.2?kHz。在體模實(shí)驗(yàn)中，與基頻諧振模式下的分辨率相比，三階和四階諧振模式下的分辨率分別提高了38.7%和76.9%。提出的AlN PMUT傳感器陣列的高階諧振模式為光聲信號(hào)檢測(cè)提供了更高的中心頻率和更寬的帶寬，從而提高了光聲成像的分辨率。

圖1 研究人員提出的AlN PMUT及其振型分析

圖2 PMUT陣列的制造工藝流程及光聲成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 樣本的光聲成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 人手的活體光聲成像表征

他們還利用AlN PMUT陣列的高階諧振模式在人體手指關(guān)節(jié)上進(jìn)行了活體光聲成像實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖4所示。結(jié)果表明，該光聲成像系統(tǒng)具有區(qū)分不同層段血管的能力，與實(shí)際解剖位置非常接近。綜上，提出的高階多波段AlN PMUT陣列在提高光聲成像分辨率應(yīng)用方面具有巨大的潛力。

未來，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是制造和開發(fā)一種完整的將光纖、掃描儀和PMUT陣列完全集成的內(nèi)窺鏡。此外，具有特殊電極或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高階PMUT可能會(huì)表現(xiàn)出更好的帶寬性能，并可進(jìn)一步探索其光聲成像應(yīng)用。

這項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61874073）、上海市自然科學(xué)基金（19ZR1477000）、臨港實(shí)驗(yàn)室（LG-QS-202202-05）、上海臨床研究與試驗(yàn)中心（2022A0305-418-02）和浦江人才計(jì)劃（19PJ1432300）的支持。

審核編輯：劉清