同步提升PMUT带宽和声压,推动医学超声成像应用大众化

MEMS 2024-07-30 00:00

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

延伸阅读:
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《电容式微机械超声换能器(CMUT)期刊文献检索与分析-2022版》

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