近年来，随着医疗诊断技术对微创及精准度的要求越来越高，超声检查已逐渐成为非侵入性检查诊断的主要方法之一。基于超声技术的彩超、B超等在医疗诊断领域得到了广泛应用，高强度聚焦超声（HIFU）无创外科更是被誉为21世纪治疗肿瘤的最新技术。电容式微机械超声换能器（CMUT）作为超声医疗技术中的核心器件，依靠静电力引起薄膜振动发出超声波，具有易于与电子产品集成、可大型阵列化、与人体组织阻抗匹配良好、机电转换效率高、灵敏度高、频带宽、成本低等传统压电换能器无法匹敌的优点，成为超声技术领域的新秀。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究进展，天津工业大学的研究团队进行了综述分析，以CMUT的主要应用方向超声医疗领域研究为切入点，对CMUT在超声成像和超声治疗中的应用机理进行了简述，列举了CMUT在超声医疗领域中的代表性研究成果。同时，综述了CMUT主要研制工艺与阵列结构，并对CMUT结构及制造工艺进行了总结和比较，针对CMUT在超声医疗领域中的科技创新做出了展望。相关研究内容以“电容式超声换能器在医疗领域的研究进展”为题发表在《传感器与微系统》期刊上。
CMUT的工作原理
CMUT单元由衬底层、绝缘层、空腔、薄膜、电极等几部分组成。外形似平行板电容器。CMUT的工作过程是一个电-力-声耦合的过程，工作模式可分为发射模式和接收模式。CMUT的性能主要取决于振膜的大小、厚度，材料密度、单元间距等参数，因而器件结构和制备工艺对CMUT的性能有着决定性的影响。
CMUT的制造工艺
CMUT主要通过牺牲层释放和晶圆键合两种工艺制备。每种制造工艺在各自的研究基础上与现有技术相结合又有着新的改进与发展，形成了各自的工艺体系，为CMUT的制造提供了多种可行的选择。
牺牲层释放工艺多采用非晶硅（Si）或多晶硅作为牺牲层，以氮化硅（Si₃N₄）作为上层振膜及空腔侧壁，氢氧化钾（KOH）溶液刻蚀牺牲层得到空腔，最后镀铝（Al）层作为电极层。在早期的牺牲层释放工艺中，空腔高度由多晶硅沉积层和Si₃N₄的厚度决定。与晶圆键合工艺相比，沉积层均匀性较差，而且板材料固有应力较大，因此，早期的牺牲释放工艺有待改进。
经典的晶圆键合工艺如下：通过氧化、图形化、刻蚀硅衬底形成空腔，氧化层和晶圆键合后，形成的SiO₂层构成CMUT的振膜。最后，在除去衬底层和氧化层后的晶圆上、下端分别镀Al层制作成上、下电极。这种经典的晶圆键合技术中晶片键合步骤对表面粗糙度和洁净度等问题非常敏感，成品率低。后期工艺复杂性大，适用范围有限。
图1 基于聚合物薄膜的牺牲层释放工艺
图2 基于牺牲层释放工艺的四面环形CMUT阵列成像结构
CMUT阵列在医疗领域的应用进展
由于CMUT单个微元在发射接收性能、指向性、发射功率、分辨率等方面具有较大的局限，因而CMUT器件的微小振动单元多以线阵或面阵排列，以此来改善CMUT器件的综合性能，比如成像质量、工作频率、功率等。
目前，超声成像领域应用比较广泛的阵列为一维相控阵和二维相控阵。一维超声换能器多用于肠道成像诊断，二维相控阵换能器多用于妇科及脏器官检查，眼科成像则常采用单阵元换能器。
超声治疗是利用超声波定向能量损伤病理组织的一种理疗方法，其应用范围主要为超声药物透疗、超声理疗、体外碎石、超声手术刀以及治疗癌症等方面。超声治疗的核心器件多为压电超声换能器，近几年，CMUT被证明在超声治疗方面有着巨大的潜能，成为超声治疗的新方向。
图3 一维环形阵列
图4 二维CMUT阵列
研究总结与展望
虽然当前超声医疗市场依旧以压电换能器为主导地位，但在机电转换效率和带宽范围方面，传统压电超声换能器带宽比仅为30% ~ 80%，而CMUT带宽比范围可达60% ~ 100%，其机电转换效率也可达到80%，远高于传统超声换能器。在灵敏度方面，由于CMUT具有更高的信噪比，因此相较于传统压电超声换能器，CMUT的灵敏度可实现约10 dB的提升。在工作频率方面，压电超声换能器的工作频率约为20 MHz，高于20 MHz的工作频率实现较为困难。而CMUT的工作范围更广，有些医疗成像CMUT甚至可达60 MHz。这些性能的优越性将使CMUT逐步赶超压电超声换能器在超声医疗中的地位，并为超声医疗领域带来新前景。但CMUT在超声治疗领域目前仍处于研究阶段，应用方向多以HIFU治疗为主，缺少创新，需要一段时期的开发与探索。未来CMUT有望取得更为先进的发展，促进中国新型医疗设备的革新。
论文信息：
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2023)07-0011-04
