一种应用于光声成像系统的高阶多波段超声换能器阵列

据麦姆斯咨询报道，近日，上海理工大学、中国科学院上海微系统与信息研究所、上海大学的研究人员组成的团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Beyond fundamental resonance mode: high-order multi-band ALN PMUT for in vivo photoacoustic imaging”的论文，提出了一种应用于光声（PA）成像系统的高阶多波段氮化铝（AlN）压电式微机械超声换能器（PMUT）阵列，以提高其成像分辨率。

在体模实验中，与基频谐振模式下的分辨率相比，三阶和四阶谐振模式下的分辨率分别提高了38.7%和76.9%，表明此次提出的AlN PMUT阵列在提高光声成像分辨率应用方面具有巨大的潜力。

自19世纪80年代Alexander Bell报道了光声效应以来，这一现象已在气体传感和生物医学成像等各个领域得到研究。光声成像是一种由激光激发和超声接收组成的物理过程。当粒子被短脉冲激光束照射时，由于粒子的光吸收，会发生瞬时热膨胀和收缩。膨胀和收缩产生可以被超声换能器接收的声波。

随着光声成像（PAI）成为21世纪新兴和快速发展的成像技术，研究人员利用光声成像提供了多样化生物医学信息，并帮助生物和临床科学家更好地了解生物组织的某些维度。因此，光声成像已成为一个新兴的研究领域，通过揭示功能和形态学信息来补充超声成像（USI）。

光声成像系统基于最先进的超声换能器开发而成，具有高空间分辨率、更大的成像深度、丰富的光学对比度，以及更小、更快和更便宜等特点。光声成像对于乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌和结直肠癌等早期癌症检测是有效的。由于激发激光在人体组织中的强烈衰减，图像深度仍被限制在5cm以内， 这使得系统很难诊断人体内部的深层信息，例如内脏中的血管。

因此，具有微型化技术的内窥镜成像受到高度关注。传统的块体型压电换能器在内窥镜中的使用受到其尺寸和制造工艺的限制。幸运的是，微机电系统（MEMS）技术可以为内窥镜光声成像应用提供微型化换能器的解决方案。基于MEMS技术的超声换能器可以分为两种类型：压电式微机械超声换能（PMUT）和电容式微机械超声换能器（CMUT）。

CMUT具有高灵敏度和可调谐宽带宽的优点，然而，它们需要高偏置电压或其他电压降低技术，这可能会在生物医学活体成像应用中造成安全风险。相比之下，PMUT由于其无源性，在活体应用中更灵活、更安全。

PMUT通常根据工作模式分为两类：厚度扩展模式（TEM）和弯曲振动模式（FVM）。基于陶瓷锆钛酸铅（PZT）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、单晶铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）和铌酸锂（LiNbO3）等不同类型的TEM PMUT已经被制造并应用于光声成像中。

基于单晶PMN-PT和陶瓷PZT的TEM PMUT由于PZT和PMN-PT的优异压电常数而兼具高频率和高灵敏度。然而，TEM PMUT在光声成像应用中存在成像速度低的缺点。基于PVDF的PMUT具有带宽宽的优点，但PVDF压电常数非常低，因此必须将换能器制造得很大，以确保其具有足够的灵敏度来检测光声信号。基于LiNbO3、PMN-PT或PZT薄膜的PMUT可以被制造成更小的尺寸，但其工艺与CMOS技术不兼容。

与TEM PMUT相比，FVM PMUT具有相对较低的声阻抗，并且更容易集成多个频段。此外，FVM PMUT更容易被制造和形成更高灵敏度、更大带宽和更多功能的阵列。在过去的几十年中，ZnO、PZT和AlN薄膜被广泛应用于制造FVM PMUT。

与ZnO和PZT相比，AlN具有更好的化学和热稳定性以及生物安全性，并且AlN PMUT器件制造工艺也与CMOS制造工艺兼容，这使得CMOS-MEMS单片换能器芯片成为可能。此外，对于FVM压电MEMS换能器，传感灵敏度与e3.1.f/ϵ33.f（e3.1.f：压电常数，ϵ33.f：介电常数）成正比，因此，与PZT相比，AlN薄膜因其较小的介电常数而具有更高的灵敏度，成为制造FVM PMUT的首选。最近，基于AlN薄膜的FVM PMUT已被应用于超声成像、指纹识别和光声等领域。

在光声成像中，横向和轴向分辨率都会影响成像质量。横向分辨率由光学激发和超声检测的重叠性决定。轴向分辨率源于光声信号的半峰全宽（FWHM），并且与声探测器的带宽成正比。通常，光声信号具有宽带宽的短脉冲轮廓。为了获得高保真度的光声信号，必须使用具有宽带宽的声学传感器。因此，扩展超声换能器的带宽对于提高光声成像分辨率至关重要。

为了解决用于光声成像的FVM PMUT带宽较小的挑战，目前有两种方法来扩展超声换能器的带宽：将多个不同尺寸（不同谐振频率）的PMUT组合成一个阵列，以及设计具有多个谐振模式的矩形结构PMUT。

基于此，研究团队提出了一种应用于光声成像的圆形AlN PMUT阵列（如图1所示），该阵列利用PMUT的高阶谐振模式提高成像分辨率。图2（a）显示了提出的FVM PMUT阵列的制造工艺流程，他们制造了阵列并将其应用于光声成像系统中。

通过激光多普勒振动测量、电阻抗测量和光声信号传感，他们对制造的PMUT的多频段谐振特性进行了表征和分析。基频和三个高阶谐振带宽分别为2.2、8.8、18.5和48.2 kHz。在体模实验中，与基频谐振模式下的分辨率相比，三阶和四阶谐振模式下的分辨率分别提高了38.7%和76.9%。提出的AlN PMUT传感器阵列的高阶谐振模式为光声信号检测提供了更高的中心频率和更宽的带宽，从而提高了光声成像的分辨率。

图1 研究人员提出的AlN PMUT及其振型分析

图2 PMUT阵列的制造工艺流程及光声成像实验设计示意图

图3 样本的光声成像实验结果

图4 人手的活体光声成像表征

他们还利用AlN PMUT阵列的高阶谐振模式在人体手指关节上进行了活体光声成像实验测试，如图4所示。结果表明，该光声成像系统具有区分不同层段血管的能力，与实际解剖位置非常接近。综上，提出的高阶多波段AlN PMUT阵列在提高光声成像分辨率应用方面具有巨大的潜力。

未来，团队的目标是制造和开发一种完整的将光纤、扫描仪和PMUT阵列完全集成的内窥镜。此外，具有特殊电极或结构设计的高阶PMUT可能会表现出更好的带宽性能，并可进一步探索其光声成像应用。

这项研究工作得到了国家自然科学基金（61874073）、上海市自然科学基金（19ZR1477000）、临港实验室（LG-QS-202202-05）、上海临床研究与试验中心（2022A0305-418-02）和浦江人才计划（19PJ1432300）的支持。

审核编辑：刘清