医学超声影像设备广泛应用于人体健康诊断，超声换能器是其中的核心部件。基于块体型多晶或单晶压电陶瓷及复合材料的换能器，可以产生高声压和大带宽超声信号，进而得到高分辨率和高清晰度图像，因此现阶段在医学超声成像领域占据无可匹敌的统治地位。然而块体型压电陶瓷需经高精度机械切割制成单个元件，其生产效率较低且与先进半导体制造技术的兼容性不足，阻碍了超声诊断的受众规模和应用范畴，行业亟需创新的医用超声换能器实现方案。
压电式微机械超声换能器（PMUT）是利用半导体微纳工艺构建的MEMS换能器，具有以下优点：可批量生产、产量和良品率易于提升、成本低；灵活多样兼容性好，能够匹配各式各样的需求；与ASIC电路工艺无缝衔接，在开发微型化及2D阵列型换能器方面优势无与伦比，完美契合当前介入式IVUS和ICE及3D成像的市场需求。此外，PMUT的驱动电压小、灵敏度高、能耗低，适合便携式、手持式、穿戴式甚至是植入式应用场景。因此，PMUT除被认为能解决超声诊断行业当前痛点，更具有构建更多样式医疗级甚至是消费级产品的潜力，受到学术界和产业界的广泛关注和深度参与。
当前，医学超声成像应用的PMUT尚处起步阶段，有许多问题亟需解决，主要包括：1. 发射声压低导致探测深度不足且信号对比度低；2. 带宽窄导致成像分辨率和精度差。这些局限使PMUT产生的图像质量差，无法用于准确疾病诊断，因此提升PMUT性能至关重要。众所周知，PMUT带宽与发射声压呈负相关，即提升带宽将降低发射声压，反之亦然。由此可见，当前已知的带宽和/或声压提升方案不适用于医学影像级PMUT，同步提升其带宽和声压当前无解却势在必行。
据麦姆斯咨询报道，天津大学庞慰教授团队，牛鹏飞老师、北京化工大学王茁晨老师近日提出一种同步提升PMUT带宽和声压的创新方案。研究人员联合调制PMUT单元的边界束缚和振膜纵向结构（图1），构建了一系列不同频宽响应的PMUT阵列，在维持超声中心频率不变的前提下，大幅提升PMUT阵列的有效振动面积、振动位移及发射声压；并可几乎随心所欲地拓宽PMUT阵列带宽。
图1 研究人员提出的PMUT单元及阵列创新结构。边缘开口释放边界束缚增加PMUT单元有效振动面积及振动位移，添加质量块调整PMUT单元工作频率；联合不同PMUT单元大幅拓展PMUT阵列带宽。
如图2所示，研究人员以空气环境下中心频率为10MHz（水环境下~6MHz）的PMUT阵列实施为例，展示了频带宽度为1.4MHz、3.9MHz和6.2MHz的不同PMUT元件的位移响应和脉冲回波曲线：在全部关注频率范围内，其位移响应数值均一，并高于对照结构近2倍，脉冲回波带宽从原始17%增至近90%。该高性能PMUT阵列可实现高质量、大深度超声成像。另外，研发人员所提出的声压和带宽同步提升方案所涉的PMUT结构设计灵活多样、工艺流程简单方便，可满足各种频段和形式的应用需求。
图2 合理设计PMUT振膜开口和质量块，可在全部关注频率范围内，实现PMUT单元的位移响应数值均一并高于对照结构近2倍，脉冲回波带宽从原始17%增至近90%。
上述相关成果以“Equidimensional Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer Array with Synchronously Improved Bandwidth and Sensitivity”为题发表在MEMS领域旗舰期刊Journal of Microelectromechanical Systems上，研发人员正以此为基础，构建医用MEMS超声探头及相关影像设备，欢迎感兴趣的同仁交流合作，共创未来。联系信息：牛鹏飞，niupengfei2018@tju.edu.cn；庞慰，weipang@tju.edu.cn
论文信息：
DOI: 10.1109/JMEMS.2024.3425956
