電容式超聲換能器在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進展

近年來，隨著醫(yī)療診斷技術(shù)對微創(chuàng)及精準度的要求越來越高，超聲成像檢查已經(jīng)逐漸成為非侵入性檢查診斷的主要方法之一?；诔暭夹g(shù)的彩超、B超等在醫(yī)療診斷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，高強度聚焦超聲（HIFU）無創(chuàng)外科更是被譽為21世紀治療腫瘤的最新技術(shù)。電容式微機械超聲換能器（CMUT）作為超聲醫(yī)療技術(shù)中的核心器件，依靠靜電力引起薄膜振動發(fā)出超聲波，具有易于與電子產(chǎn)品集成、可大型陣列化、與人體組織阻抗匹配良好、機電轉(zhuǎn)換效率高、靈敏度高、頻帶寬和成本低等傳統(tǒng)壓電換能器無法匹敵的優(yōu)點，成為超聲成像技術(shù)領(lǐng)域的新秀。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，天津工業(yè)大學(xué)李曉云課題組在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上發(fā)表了題為“電容式超聲換能器在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進展”的綜述性論文，簡述了CMUT的工作原理，總結(jié)了CMUT的主要制造工藝和在超聲醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對其未來發(fā)展進行了展望。

CMUT制造工藝研究進展

（1）犧牲層釋放工藝

犧牲層釋放工藝多采用非晶硅（Si）或多晶硅作為犧牲層，以氮化硅（Si?N?）作為上層振膜及空腔側(cè)壁，利用氫氧化鉀（KOH）溶液刻蝕犧牲層得到空腔，最后鍍鋁（Al）層作為電極層。

為探索柔性材料在CMUT制造工藝中的可行性，Gerardo C. D.等人通過使用聚合物材料作為振膜，制備出了基于聚合物薄膜的CMUT（圖1）。此工藝以O(shè)mnicoat聚合物作為犧牲釋放層，將上電極封裝在SU-8聚合物振膜內(nèi)部，使工作電壓降低到10 V直流電壓疊加12 V的交流電壓。此工藝制成的CMUT還可以獲得1.5 MHz諧振頻率以及高達106%的帶寬比。除上述優(yōu)點外，該工藝流程更為簡單，所用材料也更廉價。

圖1 基于聚合物薄膜的犧牲層釋放工藝

近年來，對低頻高分辨率成像系統(tǒng)的需求日益增長，其中利用犧牲層釋放工藝在絕緣襯底上制造的2D陣列成像效果突出。圖2為劉嘉俊等人基于犧牲層釋放工藝研制的一種帶孔陣列的CMUT剖面圖。在犧牲層釋放工藝基礎(chǔ)上制成的2D帶孔陣列相較于同類換能器具有更強的超聲波穿透能力，同時200 kHz的低工作頻率和2.5 ns的最小時延分辨率也促進了快速高分辨率成像。

圖2 CMUT模型的俯視圖與剖面主視圖

（2）晶圓鍵合工藝

經(jīng)典的晶圓鍵合技術(shù)中晶圓鍵合步驟對表面粗糙度和潔凈度等問題非常敏感，成品率低，并且后期工藝復(fù)雜性大，適用范圍有限。硅的局部氧化工藝是晶圓鍵合工藝的一種改進，與傳統(tǒng)晶圓鍵合工藝相比，它的間隙高度更好控制，寄生電容有所降低。此外，為適應(yīng)低溫環(huán)境，降低器件性能對CMUT表面粗糙度要求，陽極鍵合工藝順勢而生。梁留洋等人研制了基于陽極鍵合的CMUT。該工藝是先在高摻雜的硅襯底上沉積下電極，并在頂部陽極鍵合硅晶圓形成氮化硅振膜。沉積的二氧化硅層可防止極板與底部電極接觸時發(fā)生電短路，并且充當中間粘結(jié)層。此工藝可在較低的溫度下進行小接觸面鍵合，在7.5 MHz的工作頻率和140 V直流電壓下帶寬比可達170%左右，因此，實現(xiàn)了更寬帶寬的高分辨率成像。

CMUT陣列在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）CMUT陣列在超聲成像中的應(yīng)用

目前，超聲成像領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的陣列為一維相控陣和二維相控陣。一維超聲換能器多用于腸道成像診斷；二維相控陣換能器多用于婦科及臟器官檢查；眼科成像則常采用單陣元換能器。

為提高簡單陣列的成像幀率，譚清源等人研制出一種線性環(huán)形陣列用于內(nèi)窺鏡成像，陣列如圖3所示。該CMUT環(huán)陣由128個陣元的線陣圍繞而成，陣元間距為0.041 mm，圓環(huán)陣的中心頻率可達8 MHz。此環(huán)形陣列相較于線性陣列成像面積更廣，60%的帶寬比促進了高分辨率成像。

圖3 一維環(huán)形陣列

（2）CMUT陣列在超聲治療中的應(yīng)用

近幾年，CMUT被證明在超聲治療方面有著巨大的潛能，成為超聲治療的新方向。Yooh H S等人設(shè)計了一種基于8 mm × 8 mm，32 × 32單元的二維CMUT陣列的高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)，陣列如圖4所示。依據(jù)相位延遲來劃分的陣列通道解決了大陣列的復(fù)雜性。在40 V直流電壓和60 V交流電壓下，病理組織表面壓力可達到1.2 MPa，在焦點處其壓力甚至可達8.5 MPa，可在瞬間產(chǎn)生損傷。結(jié)果表明，該CMUT陣列能同時支持成像和高強度聚焦超聲操作，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 二維CMUT陣列

總體而言，雖然當前超聲醫(yī)療市場依舊以壓電式超聲換能器為主導(dǎo)地位，但性能的優(yōu)越性將使CMUT逐步趕超壓電式超聲換能器在超聲醫(yī)療中的地位，并為超聲醫(yī)療領(lǐng)域帶來新前景。但是，CMUT在超聲治療領(lǐng)域目前仍處于研究階段，應(yīng)用方向多以高強度聚焦超聲治療為主，缺少創(chuàng)新，所以仍然需要一段時期的開發(fā)與探索。

審核編輯：劉清