近年来，随着先进压电材料、集成电路、微纳声学等领域的飞速发展，基于氮化铝（AlN）和氮化铝钪（AlScN）薄膜的压电微机电系统（MEMS）以其低成本、小体积和高性能而受到广泛关注。上海科技大学信息学院吴涛教授与多位上科大教授合作在压电式微机械超声换能器( Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers, PMUT)器件的理论建模、器件设计、微纳工艺、以及医学应用等方面取得了多项研究成果。
氮化铝及氮化铝钪PMUT的工艺研发
氮化铝薄膜具有生物兼容性好、热稳定性高和集成电路工艺(Complementary metal–oxide–semiconductor, CMOS)兼容等优点，是可植入设备和医用传感应用领域的首选压电材料之一。氮化铝钪通过稀土元素掺杂改性，其压电常数d31较氮化铝薄膜提升2倍以上。吴涛团队通过对氮化铝钪溅射工艺的优化，成功地制备出不同浓度的高质量、应力可控的氮化铝钪薄膜。基于优质氮化铝钪压电薄膜，信息学院特聘教授李昕欣团队与吴涛团队合作开发了多种微加工压电超声换能器件加工工艺，相关成果由博士生吴声和蔡俊翔主要完成。其中一种创新工艺以“PMUT Structure Design with a Scar-Free Minimally Invasive Surgery Process on (111)Silicon Wafer”为题在超声领域学术会议 2022 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) 发表。信息学院2018级博士研究生吴声为论文第一作者。
图 1 基于不同工艺的PMUT制备流程图。（a）前向预填充开孔释放工艺；（b）背部深硅刻蚀工艺；（c）微孔各项异性腐蚀释放工艺。
基于氮化铝及氮化铝钪PMUT的创新应用：人体可穿戴设备
利用压电薄膜材料和微机电(MEMS)技术制备的PMUT是可实现微米量级的超声换能器，在可穿戴、小尺寸医学影像等设备中有着广泛应用前景。李昕欣团队博士生吴声在前向预填充开孔释放工艺的基础上，制备了频率高达5 MHz氮化铝钪压电超声换能器阵列，并利用其实现了脉搏无创监测和血压的测量功能，未来可应用在可穿戴人体健康监测设备上。相关成果发表在微机电系统领域期刊Micromachines 和会议TRANSDUCERS上，信息学院2018级博士研究生吴声为论文第一作者，信息学院助理教授吴涛和特聘教授李昕欣为共同通讯作者。
图 2 AlN PMUT 用于脉搏血压检测
基于氮化铝及氮化铝钪PMUT的创新应用：多功能成像
当生物组织受到短脉冲激光束照射时，因不同成分的光吸收而发生瞬时热膨胀和收缩所形成的声波可以被超声换能器接收并进行三维成像。信息学院吴涛团队与高飞团队合作，实现了基于带宽扩展的PMUT光声成像。结果表明，提高PMUT的带宽，能够在光声成像中得到半峰宽更小的信号，并能有效提升光声成像的分辨率，尤其是轴向（深度方向）的成像分辨率。该工作结合微机电制造工艺和光声成像技术，在微创医疗内窥成像方面有广泛的应用前景。相关成果以“Photoacoustic Imaging Based on Broadened Bandwidth Aluminum Nitride Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers”为题发表在传感器领域学术刊物IEEE Sensors Letters上，信息学院2020级博士研究生蔡俊翔和2020级硕士研究生王怡韵为论文共同第一作者，信息学院助理教授吴涛和助理教授高飞为共同通讯作者，上科大为第一完成单位。
物体受热膨胀振动激发的超声信号被称为热声信号。生物组织受微波脉冲加热振动产生的热声信号可以反映相关组织的理化状态，从不同角度采集热声信号后可计算得到生物组织热吸收特性的三维图像。为了使热声成像系统小型化，信息学院吴涛团队与王雄团队合作，实现并验证了基于氮化铝压电微机械超声换能器（AlN PMUT）的热声成像系统，在临床诊疗与可穿戴设备的研发有广泛应用前景。相关成果在期刊Applied Physics Letters和会议IEEE MEMS 2023发表，信息学院2022级硕士研究生王一玮与2021级硕士研究生张乐嘉为共同第一作者，信息学院助理教授吴涛和副教授王雄为共同通讯作者，上科大为第一完成单位。该成果还在学校第五届创新创业大会上荣获二等奖，受到了多家投资和医疗企业的关注。
图 3 （a）基于带宽扩展的氮化铝PMUT的光声成像研究 ;（b）基于氮化铝PMUT的热声成像研究。
