适用于掌上超声相控阵成像的小尺寸高频PMUT阵列

医学超声影像设备被广泛应用于人体健康诊断，超声换能器是其中的核心部件，现阶段普遍采用基于多晶或单晶压电陶瓷及复合材料的换能器，它们拥有高介电常数和高机电耦合系数，成为医学成像的参考标准。然而压电陶瓷需经高精度机械切割制成单个换能器元件，无法像半导体芯片一样大规模制造且造价高，很难构建大规模二维换能器阵列进行三维成像，同样也很难制造微型高频植入式换能器并进行合适的声阻抗匹配。这些因素限制了现阶段超声影像的使用范围和受众规模。

微机械超声换能器（MUT）是利用半导体微纳加工工艺制造的MEMS超声器件，基于静电和压电原理可分为CMUT和PMUT。它们的生产规模大、成本低，容易集成到各种电子设备之中，满足体内体外多种场景的应用需求；它们的频带宽频率控制灵活、无需添加声阻抗匹配层，一体性好集成度高，单个探头即可进行全身通用成像及三维成像，与人工智能（AI）结合可进行智能化诊断；它们的体积小质量轻、功耗低、灵敏度和可靠性高、成像分辨率和质量优异，非常适用于便携式、手持式、穿戴式甚至是植入式应用场景，具有跨越医疗级进入消费级市场的巨大潜力。

因此，MEMS超声诊疗被认为是革命性技术，其成功及大批量使用将为全球健康事业贡献巨大力量。基于MEMS技术的手持式超声影像仪器研发受到当下学术界和产业界的深度关注。其中，美国Butterfly Network公司利用CMUT技术，于2018推出全球首款完整的基于MEMS超声的成像系统—Butterfly iQ掌上超声仪，目前已历经两代，给全球手持式超声系统带来巨大变化。美国Exo Imaging公司基于PMUT技术，截至2021年7月已融资3.2亿美元，研发名为Cello的经济型医疗超声平台，旨在放入每位护理人员和临床医生的口袋。

图1 (a) MEMS超声对传统超声的革命及 (b) Butterfly公司基于CMUT技术的iQ+手持式超声诊断仪及MEMS芯片微结构

超声相控阵成像要求振元间距遵循半波长规则，缩小振元尺寸是实现目标的核心，其在高频MEMS阵列中的决定性作用尤为明显；另外缩小振元尺寸也是提高MEMS超声阵列集成度和成像能力的必然要求。

图2 2023年4月出版JMEMS期刊的封面

据麦姆斯咨询报道，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室牛鹏飞老师、王茁晨老师、庞慰教授等报道了一种用于超声相控阵成像的小尺寸高频PMUT阵列及其低成本实施方案。研究人员采用SiO2为PMUT的弹性层。在常用材料中SiO2的模量最小，导致同等频率和膜层厚度情况下，其刚性最低进而使器件的尺寸最小。

研究人员将SiO2弹性层置于压电薄膜层远离空腔的一侧，即器件外侧，使所设计的PMUT结构能够通过非常成熟的磷硅酸盐玻璃（PSG）牺牲层工艺进行低成本制造。另外该层叠布局使SiO2能够承担弹性层和保护层双重功能，进一步减薄膜层厚度缩小PMUT尺寸。

图3(a)-(f)是PMUT线性阵列的制造流程；(g)-(h)是俯视图光学照片；(i)是横截面SEM图像。

研究人员开发了水环境下频率为8MHz的AlN基一维线性PMUT阵列，其振动单元的整体膜层厚度和直径分别仅为1.9µm和40µm。电阻抗测试结果显示所开发的PMUT阵列在晶圆上呈现出一致的性能；声学性能方面，拥有20个振元的线阵在10mm处的声学发射和脉冲回波信号的信噪比分别可达38dB和25dB。

研究人员通过合成孔径方法成像，发现间距120µm的16列线阵PMUT的横纵向超声分辨率约为~1mm和~0.3mm。优异的超声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开发高性能相控阵级PMUT阵列中具有强大竞争力和应用前景。

审核编辑：刘清