MEMS技术，推动超声波革命

来源：IEEE，谢谢

编辑：感知芯视界 Link

医疗超声领域正在发生惊人的变化，正在医院和医生办公室中展开。历史悠久、最先进的超声波机器被推在推车上，悬挂着电缆和多个探头，现在正被永久推到一边，取而代之的是可将图像发送到手机的手持探头。

这些设备足够小，可以放入实验室外套口袋中，并且足够灵活，可以对身体的任何部位（从深部器官到浅静脉）进行成像，并提供全面的 3D 视图，所有这些都只需一个探头即可完成。伴随它们的人工智能可能很快就会使未经训练的专业人员在任何环境下都可以操作这些设备，而不仅仅是诊所中训练有素的超声检查人员。

第一个此类小型手持式超声探头于 2018 年上市，来自马萨诸塞州伯灵顿的Butterfly Network 。去年 9 月，加利福尼亚州圣克拉拉的 Exo Imaging推出了竞争版本。

让这一切成为可能的是硅超声技术，该技术使用一种微机电系统 (MEMS) 构建，将 4,000 到 9,000 个传感器（将电信号转换为声波并再次转换回来的设备）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。通过将 MEMS 传感器技术与复杂的电子器件集成在单个芯片上，这些扫描仪不仅可以复制传统成像和 3D 测量的质量，而且还开辟了以前不可能的新应用。

01超声波如何工作？

要了解研究人员如何实现这一壮举，了解超声波技术的基础知识会很有帮助。超声波探头使用换能器将电能转换为穿透身体的声波。声波从身体的软组织反弹并回波回探头。然后传感器将回声声波转换为电信号，计算机将数据转换为可以在屏幕上查看的图像。

传统的超声探头包含由压电晶体板或钛酸铅锆 (PZT) 等陶瓷板制成的换能器阵列。当受到电脉冲撞击时，这些板会膨胀和收缩，并产生在其内部反弹的高频超声波。

为了对成像有用，超声波需要从平板传播到患者身体的软组织和体液中。这不是一项简单的任务。捕捉这些波浪的回声就像站在游泳池旁边试图听到有人在水下说话一样。因此，换能器阵列由多层材料构成，这些材料的刚度从探头中心的硬压电晶体平滑过渡到身体的软组织。

传输到体内的能量的频率主要由压电层的厚度决定。更薄的层传输更高的频率，这使得在超声图像中可以看到更小、更高分辨率的特征，但仅限于浅深度。较厚的压电材料的较低频率会更深入地传播到体内，但分辨率较低。

因此，需要多种类型的超声波探头来对身体的各个部位进行成像，频率范围为 1 到 10 兆赫兹。为了对身体深处的大型器官或子宫内的婴儿进行成像，医生使用 1 到 2 MHz 的探头，它可以提供 2 到 3 毫米的分辨率，并且可以深入体内 30 厘米。为了对颈部动脉的血流进行成像，医生通常使用 8 至 10 MHz 探头。

02MEMS 如何改变超声波

对多个探头的需求以及小型化的缺乏意味着传统的医疗超声系统位于拖在推车上的笨重、四四方方的机器中。MEMS 技术的引入改变了这一点。

在过去三十年中，MEMS 使各行各业的制造商能够在微观尺度上制造出精确、极其敏感的元件。这一进步使得高密度换能器阵列的制造成为可能，该阵列可以产生 1 至 10 MHz 范围内的频率，从而可以使用一个探头对体内的各种深度进行成像。

MEMS 技术还有助于小型化附加组件，使所有部件都适合手持式探头。与智能手机的计算能力相结合，就不再需要笨重的购物车。

第一个基于 MEMS 的硅超声原型出现于 20 世纪 90 年代中期，当时 MEMS 作为一项新技术的兴奋度达到顶峰。这些早期传感器的关键元件是振动微机械膜，它使设备能够产生振动，就像敲击鼓在空气中产生声波一样。

出现了两种架构。其中一种称为电容式微机械超声波换能器（CMUT），因其简单的电容器状结构而得名。斯坦福大学电气工程师 Pierre Khuri-Yakub 及其同事演示了第一个版本。

CMUT 基于电容器中的静电力，该电容器由两个由小间隙隔开的导电板形成。一块板——前面提到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，带有金属电极。另一种——通常是微机械加工的硅晶片基板——更厚、更坚硬。当施加电压时，在膜和基板上放置相反的电荷，吸引力将膜拉向基板并使其弯曲。当添加振荡电压时，力就会改变，导致薄膜振动，就像敲击的鼓面一样。

当膜与人体接触时，振动将超声波发送到组织中。产生或检测到多少超声波取决于膜和基底之间的间隙，该间隙需要在大约一微米或更小处进行测量。微加工技术使这种精度成为可能。

另一种基于 MEMS 的架构称为 压电微机械超声换能器(PMUT)，其工作原理类似于烟雾报警器蜂鸣器的小型化版本。这些蜂鸣器由两层组成：固定在其外围的薄金属盘和粘合在金属盘顶部的薄且较小的压电盘。当电压施加到压电材料时，它的厚度以及从一侧到另一侧会膨胀和收缩。由于横向尺寸更大，压电盘直径变化更显着，并且在此过程中使整个结构弯曲。在烟雾报警器中，这些结构的直径通常为 4 厘米，它们会产生大约 3 千赫兹的尖叫警报声。当膜的直径缩小到 100 μm、厚度缩小到 5 到 10 μm 时，振动会上升到兆赫频率，使其可用于医疗超声。

霍尼韦尔 (Honeywell) 在 20 世纪 80 年代初开发了第一批使用硅隔膜上的压电薄膜的微机械传感器。直到1996 年，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的材料科学家 Paul Muralt 的研究成果 才出现了第一批以超声波频率运行的 PMUT 。

03CMUT 早年

CMUT 面临的一大挑战是让它们产生足够的压力，将声波发送到身体深处并接收返回的回声。膜的运动受到膜与基底之间极小的间隙的限制。这限制了可以产生的声波的幅度。将不同尺寸的 CMUT 设备阵列组合到单个探头中以增加频率范围也会损害压力输出，因为它减少了每个频率可用的探头面积。

这些问题的解决方案来自斯坦福大学的 Khuri-Yakub 实验室。在2000 年代初期的实验中 ，研究人员发现，增加 CMUT 类结构上的电压会导致静电力克服膜的恢复力。结果，膜的中心塌陷到基底上。

塌陷的薄膜一开始似乎是灾难性的，但事实证明这是一种使 CMUT 更高效、更能适应不同频率的方法。由于接触区域周围的间隙非常小，从而增加了那里的电场，因此效率提高了。而且压力增加是因为边缘周围的大环形区域仍然具有良好的运动范围。此外，只需改变电压即可调节设备的频率。反过来，这使得单个 CMUT 超声探头能够高效地产生医疗诊断所需的整个超声频率范围。

从那时起，我们花了十多年的时间来理解和模拟 CMUT 阵列的复杂机电行为并解决制造问题。对这些设备进行建模非常棘手，因为每个 CMUT 阵列中都有数千个单独的膜相互作用。

在制造方面，挑战包括寻找合适的材料并开发生产光滑表面和一致间隙厚度所需的工艺。例如，分隔导电膜和基板的薄介电层必须以 1 μm 的厚度承受约 100 伏的电压。如果该层有缺陷，则电荷可能会注入其中，并且器件可能会在边缘处或当膜接触基板时短路，从而损坏器件或至少降低其性能。

不过，最终，荷兰埃因霍温的飞利浦工程解决方案公司和新竹的台积电 (TSMC) 等 MEMS 代工厂开发出了这些问题的解决方案。2010 年左右，这些公司开始生产可靠、高性能的 CMUT。

04PMUT 的早期开发

早期的 PMUT 设计也难以产生足够的压力来用于医疗超声。但它们可能足以在某些消费类应用中发挥作用，例如 手势检测和接近传感器。在这种“空中超声波”用途中，带宽并不重要，频率可以低于 1 MHz。

2015 年，随着用于手机指纹传感的大型 2D 矩阵阵列的推出，用于医疗应用的 PMUT 获得了意想不到的提升。在这种方法的首次演示中，加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校的研究人员将大约 2,500 个 PMUT 元件连接到 CMOS 电子器件，并将它们放置在硅橡胶类层下。当指尖按在表面上时，原型会测量 20 MHz 反射信号的振幅，以区分指尖的脊和指尖之间的气穴。

这是在硅芯片上集成 PMUT 和电子器件的令人印象深刻的演示，它表明大型 2D PMUT 阵列可以产生足够高的频率，可用于浅层特征的成像。但为了实现医疗超声领域的跨越，PMUT 技术需要更大的带宽、更大的输出压力以及更高效率的压电薄膜。

总部位于日内瓦的ST 微电子 公司等半导体公司提供了帮助 ，该公司找到了如何将 PZT 薄膜集成到硅膜上的方法。这些薄膜需要额外的加工步骤来保持其特性。但性能的提高使得额外步骤的成本变得值得。

为了实现更大的压力输出，压电层需要足够厚，以使薄膜能够承受良好的超声图像所需的高电压。但厚度增加会导致膜变得更坚硬，从而降低带宽。

一种解决方案是使用椭圆形 PMUT 膜，该膜可有效地将多个不同尺寸的膜组合成一个。这类似于改变吉他弦的长度来产生不同的音调。椭圆形膜以其窄截面和宽截面在同一结构上提供多种长度的串。为了以不同频率有效地振动膜的较宽和较窄部分，将电信号施加到放置在膜的相应区域上的多个电极。这种方法使 PMUT 在更宽的频率范围内保持高效。

05从学术界到现实世界

2000 年代初期，研究人员开始将用于医学超声的 CMUT 技术推向实验室并进入商业开发。斯坦福大学针对这个市场成立了几家初创公司。GE、飞利浦、三星和日立等领先的医学超声成像公司开始开发 CMUT 技术并测试基于 CMUT 的探头。

但直到2011年，CMUT商业化才真正开始取得进展。那一年，一个具有半导体电子经验的团队创立了蝴蝶网络。2018 年 IQ Probe 的推出是一次变革性事件。它是第一个可以通过 2D 成像阵列对全身进行成像并生成 3D 图像数据的手持式超声探头。该探测器的大小与电视遥控器相当，仅稍重一些，最初售价为 1,999 美元，是全尺寸推车式机器成本的二十分之一。

大约在同一时间，东京的日立公司和中国苏州的 Kolo Medical（以前位于加利福尼亚州圣何塞）将基于 CMUT 的探头商业化，用于传统超声系统。但两者都不具备与 Butterfly 相同的能力。例如，CMUT 和电子设备没有集成在同一块硅芯片上，这意味着探头具有一维阵列而不是二维阵列。这限制了系统生成 3D 图像的能力，而这在高级诊断中是必需的，例如确定膀胱体积或查看心脏的同步正交视图。

Exo Imaging 于 2023 年 9 月推出手持式探头 Iris，标志着用于医疗超声的 PMUT 的商业首次亮相。Iris 由具有半导体电子和集成经验的团队开发，其尺寸和重量与 Butterfly 的 IQ Probe 大致相同。其 3,500 美元的价格与 Butterfly 最新型号 IQ+ 的售价 2,999 美元相当。

这些探头中的超声波 MEMS 芯片尺寸为 2 x 3 厘米，是最大的硅芯片之一，具有机电和电子功能。尺寸和复杂性给器件的均匀性和产量带来了生产挑战。

这些手持设备以低功耗运行，因此探头的电池重量轻，在设备连接到手机或平板电脑时可持续使用几个小时，并且充电时间短。为了使输出数据与手机和平板电脑兼容，探头的主芯片执行数字化以及一些信号处理和编码。

为了提供 3D 信息，这些手持式探头获取多个 2D 解剖切片，然后使用机器学习和 AI 来构建必要的 3D 数据。内置的基于人工智能的算法还可以帮助医生和护士将针精确地放置在所需位置，例如具有挑战性的脉管系统或其他组织进行活检。

为这些探头开发的人工智能非常好，以至于未受过超声波培训的专业人员（例如护士助产士）可以使用便携式探头来确定胎儿的胎龄，其准确度与经过培训的超声波技师相似。NEJM Evidence 2022 年的一项研究 。基于人工智能的功能还可以使手持式探头在急诊医学、低收入环境以及医学生培训方面发挥作用。

06MEMS 超声波只是一个开始

这仅仅是小型化超声波的开始。包括台积电和意法半导体在内的几家全球最大的半导体代工厂现在分别在 300 毫米和 200 毫米晶圆上生产 MEMS 超声波芯片。

事实上，意法半导体最近在新加坡成立了一个专门用于薄膜压电 MEMS 的“工厂实验室”，以加速从概念验证到批量生产的转变。Philips Engineering Solutions为 CMUT-on-CMOS 集成提供 CMUT 制造，位于法国图尔的Vermon提供商业 CMUT 设计和制造。这意味着初创公司和学术团体现在可以获得基础技术，从而以比 10 年前低得多的成本实现新的创新水平。

通过所有这些活动，行业分析师预计超声波 MEMS 芯片将集成到许多不同的医疗设备中，用于成像和传感。例如，Butterfly Network 与 Forest Neurotech合作，正在开发用于脑机接口和神经调节的 MEMS 超声波。其他应用包括长期、低功耗可穿戴设备，例如心脏、肺和大脑监视器，以及康复中使用的肌肉活动监视器。

未来五年，预计将出现采用超声波 MEMS 芯片的微型无源医疗植入物，其中使用超声波远程传输电力和数据。最终，这些手持式超声探头或可穿戴阵列不仅可以用于解剖结构成像，还可以读取生命体征，例如由于肿瘤生长或手术后深部组织氧合导致的内部压力变化。有一天，类似指纹的超声波传感器可以用来测量血流量和心率。

有一天，可穿戴或植入式版本可能会在我们睡觉、吃饭和生活时生成被动超声图像。

审核编辑 黄宇