適用于掌上超聲相控陣成像的小尺寸高頻PMUT陣列

醫(yī)學(xué)超聲影像設(shè)備被廣泛應(yīng)用于人體健康診斷，超聲換能器是其中的核心部件，現(xiàn)階段普遍采用基于多晶或單晶壓電陶瓷及復(fù)合材料的換能器，它們擁有高介電常數(shù)和高機(jī)電耦合系數(shù)，成為醫(yī)學(xué)成像的參考標(biāo)準(zhǔn)。然而壓電陶瓷需經(jīng)高精度機(jī)械切割制成單個(gè)換能器元件，無(wú)法像半導(dǎo)體芯片一樣大規(guī)模制造且造價(jià)高，很難構(gòu)建大規(guī)模二維換能器陣列進(jìn)行三維成像，同樣也很難制造微型高頻植入式換能器并進(jìn)行合適的聲阻抗匹配。這些因素限制了現(xiàn)階段超聲影像的使用范圍和受眾規(guī)模。

微機(jī)械超聲換能器（MUT）是利用半導(dǎo)體微納加工工藝制造的MEMS超聲器件，基于靜電和壓電原理可分為CMUT和PMUT。它們的生產(chǎn)規(guī)模大、成本低，容易集成到各種電子設(shè)備之中，滿(mǎn)足體內(nèi)體外多種場(chǎng)景的應(yīng)用需求；它們的頻帶寬頻率控制靈活、無(wú)需添加聲阻抗匹配層，一體性好集成度高，單個(gè)探頭即可進(jìn)行全身通用成像及三維成像，與人工智能（AI）結(jié)合可進(jìn)行智能化診斷；它們的體積小質(zhì)量輕、功耗低、靈敏度和可靠性高、成像分辨率和質(zhì)量?jī)?yōu)異，非常適用于便攜式、手持式、穿戴式甚至是植入式應(yīng)用場(chǎng)景，具有跨越醫(yī)療級(jí)進(jìn)入消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的巨大潛力。

因此，MEMS超聲診療被認(rèn)為是革命性技術(shù)，其成功及大批量使用將為全球健康事業(yè)貢獻(xiàn)巨大力量?；贛EMS技術(shù)的手持式超聲影像儀器研發(fā)受到當(dāng)下學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的深度關(guān)注。其中，美國(guó)Butterfly Network公司利用CMUT技術(shù)，于2018推出全球首款完整的基于MEMS超聲的成像系統(tǒng)—Butterfly iQ掌上超聲儀，目前已歷經(jīng)兩代，給全球手持式超聲系統(tǒng)帶來(lái)巨大變化。美國(guó)Exo Imaging公司基于PMUT技術(shù)，截至2021年7月已融資3.2億美元，研發(fā)名為Cello的經(jīng)濟(jì)型醫(yī)療超聲平臺(tái)，旨在放入每位護(hù)理人員和臨床醫(yī)生的口袋。

圖1 (a) MEMS超聲對(duì)傳統(tǒng)超聲的革命及 (b) Butterfly公司基于CMUT技術(shù)的iQ+手持式超聲診斷儀及MEMS芯片微結(jié)構(gòu)

超聲相控陣成像要求振元間距遵循半波長(zhǎng)規(guī)則，縮小振元尺寸是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的核心，其在高頻MEMS陣列中的決定性作用尤為明顯；另外縮小振元尺寸也是提高M(jìn)EMS超聲陣列集成度和成像能力的必然要求。

圖2 2023年4月出版JMEMS期刊的封面

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牛鵬飛老師、王茁晨老師、龐慰教授等報(bào)道了一種用于超聲相控陣成像的小尺寸高頻PMUT陣列及其低成本實(shí)施方案。研究人員采用SiO2為PMUT的彈性層。在常用材料中SiO2的模量最小，導(dǎo)致同等頻率和膜層厚度情況下，其剛性最低進(jìn)而使器件的尺寸最小。

研究人員將SiO2彈性層置于壓電薄膜層遠(yuǎn)離空腔的一側(cè)，即器件外側(cè)，使所設(shè)計(jì)的PMUT結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)非常成熟的磷硅酸鹽玻璃（PSG）犧牲層工藝進(jìn)行低成本制造。另外該層疊布局使SiO2能夠承擔(dān)彈性層和保護(hù)層雙重功能，進(jìn)一步減薄膜層厚度縮小PMUT尺寸。

圖3(a)-(f)是PMUT線性陣列的制造流程；(g)-(h)是俯視圖光學(xué)照片；(i)是橫截面SEM圖像。

研究人員開(kāi)發(fā)了水環(huán)境下頻率為8MHz的AlN基一維線性PMUT陣列，其振動(dòng)單元的整體膜層厚度和直徑分別僅為1.9μm和40μm。電阻抗測(cè)試結(jié)果顯示所開(kāi)發(fā)的PMUT陣列在晶圓上呈現(xiàn)出一致的性能；聲學(xué)性能方面，擁有20個(gè)振元的線陣在10mm處的聲學(xué)發(fā)射和脈沖回波信號(hào)的信噪比分別可達(dá)38dB和25dB。

研究人員通過(guò)合成孔徑方法成像，發(fā)現(xiàn)間距120μm的16列線陣PMUT的橫縱向超聲分辨率約為~1mm和~0.3mm。優(yōu)異的超聲性能加上更小尺寸和低成本的制造能力，表明作者所提方案在開(kāi)發(fā)高性能相控陣級(jí)PMUT陣列中具有強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清