用于光声成像的陶瓷PZT薄膜双频/多频PMUT阵列

原创 MEMS 2022-11-30 00:00

据麦姆斯咨询报道,近日,由北京理工大学、佛罗里达大学(University of Florida)、南佛罗里达大学(University of South Florida)、MEMS Engineering and Materials Inc.、北京理工大学重庆微电子研究院的研究人员组成的团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Thin ceramic PZT dual- and multi-frequency pMUT arrays for photoacoustic imaging”的最新论文,研究团队提出了基于9µm厚度的陶瓷PZT薄膜的双频和多频压电式微机械超声换能器(PMUT)阵列,其谐振频率范围为1 MHz至8 MHz,以应用于内窥镜光声成像(PAI)系统。文中详细介绍了PMUT的设计、制造、表征和光声成像结果,表明了其在光声成像方面具有的高空间分辨率和高信噪比优势。


图1 论文提出的双频和多频PMUT阵列及光声成像

光声成像具有丰富的光学对比度、深穿透深度和高声学分辨率等优点,已被研究了数十年,并被证实可广泛应用于乳腺癌检测、脑功能成像、人体四肢成像和血流动力学研究等。除了台式光声成像系统外,内窥镜光声成像已被广泛研究用于诊断内脏疾病,并为外科手术指导提供精确的深部组织局部信息。例如,Xi等人在2012年提出了一种基于微机电系统(MEMS)的术中光声成像探头,并展示了其在手术中评估乳腺肿瘤边缘和检查肿瘤切除情况的能力。Basij等人在2019年提出了一种用于宫颈癌诊断的微型化相控阵超声和光声内窥镜成像系统。然而,内窥镜光声成像的研发仍处于早期阶段,仍没有成熟的光声内窥镜在临床上得到认可,主要的挑战包括光源、扫描组件的集成,以及在保持高性能的同时实现成像组件的微型化。

在光声成像中,通常利用纳秒量级的短激光脉冲照射和激发组织,以产生基于光声效应的宽带宽的超声信号。超声信号由单个超声换能器(UT)或超声换能器阵列发射并接收。超声换能器或超声换能器阵列是光声成像系统中的关键组件,因为其灵敏度、频率和带宽直接影响光声成像系统的信噪比(SNR)、穿透深度和成像分辨率。高频率的超声换能器可以实现更高的空间分辨率,但由于更高的声学衰减和较低的信噪比,成像深度会被牺牲。此外,超声换能器的中心频率的选择取决于成像目标,因为光声信号的频率分量与吸收体的尺寸有关。通常,较小的成像目标表现出较高频率的光声信号。因此,内窥镜光声成像需要双频和多频超声换能器或超声换能器阵列,以使多重长度尺度的目标可视化,同时实现高空间分辨率和大成像深度。

然而,由于基于压电材料厚度扩展模式的传统超声换能器的谐振频率由所采用的压电板的厚度决定,因此将其制造成具有多个谐振频率的阵列的成本较高。它们庞大的尺寸也使其在内镜光声成像中的应用具有挑战性。在MEMS技术的推动下,微机械超声换能器(MUT)具有尺寸小、易于以低成本制造阵列的优点,已被开发应用于内窥镜光声成像系统,包括电容式微机械超声换能器(CMUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)。多频CMUT阵列已被证实可用于光声成像,并具有准确显示多尺度结构、提供高分辨率和高对比度的全面图像的能力。

然而,CMUT的高偏置电压和微小电容间隙要求对其生物医学应用和制造工艺提出了挑战。它们的微弱电容也使其容易受到寄生效应的影响,因此需要复杂的专用集成电路(ASIC)。相比之下,PMUT具有易于制造、抗寄生效应的鲁棒性和更好的设计灵活性等优点,其在内窥镜光声成像中的应用正日益引起研究人员的关注。溅射氮化铝(AlN)、溶胶-凝胶锆钛酸铅(PZT)和薄膜陶瓷PZT已被用于制造应用于光声成像的弯曲振动模式PMUT。

就最先进的PMUT而言,厚度扩展模式PMUT通常基于陶瓷PZT、单晶铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和单晶铌酸锂(LiNbO3)制造。在内窥镜光声成像应用中的大多数厚度扩展模式PMUT是单频率和单元件的,因为将厚度扩展模式PMUT制造成阵列并在多个频率下工作是具有挑战性的。相比之下,弯曲振动模式PMUT更容易制造成大型阵列。典型的压电薄膜,如PZT、AlN和转移的LiNbO3薄膜,已经被应用于制造弯曲振动模式PMUT。然而,它们在内窥镜光声成像中的应用仍处于早期阶段,面临着薄膜厚度有限和压电响应不足的挑战。目前关于光声成像应用的双频和多频PMUT阵列的研究仍非常缺乏,并且使用PMUT的光声成像结果的报道也非常有限。

在之前的研究工作中,团队提出了一种基于4µm厚度的陶瓷PZT薄膜的16 × 16正方形双频PMUT阵列,工作频率为1.2 MHz和3.4 MHz,以应用于内窥镜光声成像。为了提高信噪比并获得更高分辨率和更高对比度的光声图像,PMUT元件的传感孔径和PMUT阵列的频率范围需要进一步增加。


图2 双频和多频PMUT阵列设计示意图

在本文中,研究团队报道了基于陶瓷PZT薄膜的双频和多频PMUT阵列的开发及其光声成像应用的演示。基于长度为3.5mm或直径为10mm的芯片,他们为内窥镜光声成像应用开发了包含多达2520个PMUT元件的正方形和圆环形PMUT阵列,其频率范围为1 MHz至8 MHz。通过晶圆键合和化学机械抛光(CMP)技术制得了厚度为9 μm的陶瓷PZT薄膜,并用作PMUT阵列的压电层,其压电常数d31经测量高达140 pm/V。受益于这种高压电常数,制造的PMUT阵列表现出高机电耦合系数和大振动位移。除了电学、机械和声学表征之外,他们还使用制造的双频和多频PMUT阵列进行了铅笔芯嵌入琼脂体模的光声成像实验。利用不同频率的PMUT元件成功检测了光声信号,并将其用于重建单频和融合光声图像,表明了使用双频和多频PMUT阵列能够同时提供高空间分辨率和高信噪比的优势。


图3 PMUT制造工艺流程示意图


图4 制造的PMUT器件的SEM图像


图5 光声成像实验

综上所述,这项工作证实了基于陶瓷PZT薄膜制造的双频和多频PMUT阵列应用于内窥镜光声成像的可行性,该阵列可以同时实现高空间分辨率和高信噪比。通过电阻抗测量、机械振动测试和超声发射和接收实验,表征了所制造器件的双频和多频性能,所有PMUT元件均按预期工作。此外,利用制造的双频和多频PMUT阵列进行了光声成像实验,成功检测了铅笔芯嵌入琼脂体模中的光声信号并重建了光声图像。利用不同频率的PMUT元件重建的光声图像清楚地显示了成像分辨率和对比度、PMUT的中心频率和吸收体尺寸之间的关系。未来,随着多通道电路板的微型化,开发的双频和多频PMUT阵列有望组装成探头,并应用于内窥镜光声成像中,以用于多尺寸目标成像,并获得高分辨率和大成像深度。

论文信息:
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00449-0

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论
  • ALINX 正式发布 AMD Virtex UltraScale+ 系列 FPGA PCIe 3.0 综合开发平台 AXVU13P!这款搭载 AMD 16nm 工艺 XCVU13P 芯片的高性能开发验证平台,凭借卓越的计算能力和灵活的扩展性,专为应对复杂应用场景和高带宽需求而设计,助力技术开发者加速产品创新与部署。随着 5G、人工智能和高性能计算等领域的迅猛发展,各行业对计算能力、灵活性和高速数据传输的需求持续攀升。FPGA 凭借其高度可编程性和实时并行处理能力,已成为解决行业痛点的关
    ALINX 2024-12-20 17:44 219浏览
  • 百佳泰特为您整理2024年12月各大Logo的最新规格信息。——————————USB▶ 百佳泰获授权进行 USB Active Cable 认证。▶ 所有符合 USB PD 3.2 标准的产品都有资格获得USB-IF 认证——————————Bluetooth®▶ Remote UPF Testing针对所有低功耗音频(LE Audio)和网格(Mesh)规范的远程互操作性测试已开放,蓝牙会员可使用该测试,这是随时测试产品的又一绝佳途径。——————————PCI Express▶ 2025年
    百佳泰测试实验室 2024-12-20 10:33 203浏览
  • 国产数字隔离器已成为现代电子产品中的关键部件,以增强的性能和可靠性取代了传统的光耦合器。这些隔离器广泛应用于医疗设备、汽车电子、工业自动化和其他需要强大信号隔离的领域。准确测试这些设备是确保其质量和性能的基本步骤。如何测试数字隔离器测试数字隔离器需要精度和正确的工具集来评估其在各种条件下的功能和性能。以下设备对于这项任务至关重要:示波器:用于可视化信号波形并测量时序特性,如传播延迟、上升时间和下降时间。允许验证输入输出信号的完整性。频谱分析仪:测量电磁干扰(EMI)和其他频域特性。有助于识别信号
    克里雅半导体科技 2024-12-20 16:35 202浏览
  • 光耦固态继电器(SSR)作为现代电子控制系统中不可或缺的关键组件,正逐步取代传统机械继电器。通过利用光耦合技术,SSR不仅能够提供更高的可靠性,还能适应更加复杂和严苛的应用环境。在本文中,我们将深入探讨光耦固态继电器的工作原理、优势、挑战以及未来发展趋势。光耦固态继电器:如何工作并打破传统继电器的局限?光耦固态继电器通过光电隔离技术,实现输入信号与负载之间的电气隔离。其工作原理包括三个关键步骤:光激活:LED接收输入电流并发出与其成比例的光信号。光传输:光电传感器(如光电二极管或光电晶体管)接收
    腾恩科技-彭工 2024-12-20 16:30 169浏览
  • 随着工业自动化和智能化的发展,电机控制系统正向更高精度、更快响应和更高稳定性的方向发展。高速光耦作为一种电气隔离与信号传输的核心器件,在现代电机控制中扮演着至关重要的角色。本文将详细介绍高速光耦在电机控制中的应用优势及其在实际工控系统中的重要性。高速光耦的基本原理及优势高速光耦是一种光电耦合器件,通过光信号传递电信号,实现输入输出端的电气隔离。这种隔离可以有效保护电路免受高压、电流浪涌等干扰。相比传统的光耦,高速光耦具备更快的响应速度,通常可以达到几百纳秒到几微秒级别的传输延迟。电气隔离:高速光
    晶台光耦 2024-12-20 10:18 227浏览
  • 光耦合器,也称为光隔离器,是用于电气隔离和信号传输的多功能组件。其应用之一是测量电路中的电压。本文介绍了如何利用光耦合器进行电压测量,阐明了其操作和实际用途。使用光耦合器进行电压测量的工作原理使用光耦合器进行电压测量依赖于其在通过光传输信号的同时隔离输入和输出电路的能力。该过程包括:连接到电压源光耦合器连接在电压源上。输入电压施加到光耦合器的LED,LED发出的光与施加的电压成比例。光电二极管响应LED发出的光由输出侧的光电二极管或光电晶体管检测。随着LED亮度的变化,光电二极管的电阻相应减小,
    腾恩科技-彭工 2024-12-20 16:31 219浏览
  • 汽车驾驶员监控系统又称DMS,是一种集中在车辆中的技术,用于实时跟踪和评估驾驶员状态及驾驶行为。随着汽车产业智能化转型,整合AI技术的DMS逐渐成为主流,AI模型通过大量数据进行持续训练,使得驾驶监控更加高效和精准。 驾驶员监测系统主要通过传感器、摄像头收集驾驶员的面部图像,定位头部姿势、人脸特征及行为特征,并通过各种异常驾驶行为检测模型运算来识别驾驶员的当前状态。如果出现任何异常驾驶行为(如疲劳,分心,抽烟,接打电话,无安全带等),将发出声音及视觉警报。此外,驾驶员的行为数据会被记录
    启扬ARM嵌入式 2024-12-20 09:14 119浏览
  •                                                窗        外       年底将近,空气变得格外寒冷,估计这会儿北方已经是千里
    广州铁金刚 2024-12-23 11:49 177浏览
  • Supernode与艾迈斯欧司朗携手,通过Belago红外LED实现精准扫地机器人避障;得益于Belago出色的红外补光功能,使扫地机器人能够大大提升其识别物体的能力,实现精准避障;Belago点阵照明器采用迷你封装,兼容标准无铅回流工艺,适用于各种3D传感平台,包括移动设备、物联网设备和机器人。全球领先的光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗(瑞士证券交易所股票代码:AMS)近日宣布,与国内领先的多行业三维视觉方案提供商超节点创新科技(Supernode)双方联合推出采用艾迈斯欧司朗先进Belago红
    艾迈斯欧司朗 2024-12-20 18:55 210浏览
  • 耳机虽看似一个简单的设备,但不仅只是听音乐功能,它已经成为日常生活和专业领域中不可或缺的一部分。从个人娱乐到专业录音,再到公共和私人通讯,耳机的使用无处不在。使用高质量的耳机不仅可以提供优良的声音体验,还能在长时间使用中保护使用者听力健康。耳机产品的质量,除了验证产品是否符合法规标准,也能透过全面性的测试和认证过程,确保耳机在各方面:从音质到耐用性,再到用户舒适度,都能达到或超越行业标准。这不仅保护了消费者的投资,也提升了该公司在整个行业的产品质量和信誉!客户面临到的各种困难一家耳机制造商想要透
    百佳泰测试实验室 2024-12-20 10:37 279浏览
  • //```c #include "..\..\comm\AI8051U.h"  // 包含头文件,定义了硬件寄存器和常量 #include "stdio.h"              // 标准输入输出库 #include "intrins.h"         &n
    丙丁先生 2024-12-20 10:18 137浏览
  •         不卖关子先说感受,真本书真是相见恨晚啊。字面意思,见到太晚了,我刚毕业或者刚做电子行业就应该接触到这本书的。我自己跌跌撞撞那么多年走了多少弯路,掉过多少坑,都是血泪史啊,要是提前能看到这本书很多弯路很多坑都是可以避免的,可惜这本书是今年出的,羡慕现在的年轻人能有这么丰富完善的资料可以学习,想当年我纯靠百度和论坛搜索、求助啊,连个正经师傅都没有,从软件安装到一步一布操作纯靠自己瞎摸索,然后就是搜索各种教程视频,说出来都是泪啊。  &
    DrouSherry 2024-12-19 20:00 187浏览
  • 汽车行业的变革正愈演愈烈,由交通工具到“第三生活空间”。业内逐渐凝聚共识:汽车的下半场在于智能化。而智能化的核心在于集成先进的传感器,以实现高等级的智能驾驶乃至自动驾驶,以及更个性、舒适、交互体验更优的智能座舱。毕马威中国《聚焦电动化下半场 智能座舱白皮书》数据指出,2026年中国智能座舱市场规模将达到2127亿元,5年复合增长率超过17%。2022年到2026年,智能座舱渗透率将从59%上升至82%。近日,在SENSOR CHINA与琻捷电子联合举办的“汽车传感系列交流会-智能传感专场”上,艾
    艾迈斯欧司朗 2024-12-20 19:45 320浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦