用于光聲成像的陶瓷PZT薄膜雙頻/多頻PMUT陣列

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由北京理工大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)（University of Florida）、南佛羅里達(dá)大學(xué)（University of South Florida）、MEMS Engineering and Materials Inc.、北京理工大學(xué)重慶微電子研究院的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Thin ceramic PZT dual- and multi-frequency pMUT arrays for photoacoustic imaging”的最新論文，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于9μm厚度的陶瓷PZT薄膜的雙頻和多頻壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）陣列，其諧振頻率范圍為1?MHz至8?MHz，以應(yīng)用于內(nèi)窺鏡光聲成像（PAI）系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了PMUT的設(shè)計(jì)、制造、表征和光聲成像結(jié)果，表明了其在光聲成像方面具有的高空間分辨率和高信噪比優(yōu)勢(shì)。

圖1 論文提出的雙頻和多頻PMUT陣列及光聲成像

光聲成像具有豐富的光學(xué)對(duì)比度、深穿透深度和高聲學(xué)分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已被研究了數(shù)十年，并被證實(shí)可廣泛應(yīng)用于乳腺癌檢測、腦功能成像、人體四肢成像和血流動(dòng)力學(xué)研究等。除了臺(tái)式光聲成像系統(tǒng)外，內(nèi)窺鏡光聲成像已被廣泛研究用于診斷內(nèi)臟疾病，并為外科手術(shù)指導(dǎo)提供精確的深部組織局部信息。例如，Xi等人在2012年提出了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的術(shù)中光聲成像探頭，并展示了其在手術(shù)中評(píng)估乳腺腫瘤邊緣和檢查腫瘤切除情況的能力。Basij等人在2019年提出了一種用于宮頸癌診斷的微型化相控陣超聲和光聲內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)。然而，內(nèi)窺鏡光聲成像的研發(fā)仍處于早期階段，仍沒有成熟的光聲內(nèi)窺鏡在臨床上得到認(rèn)可，主要的挑戰(zhàn)包括光源、掃描組件的集成，以及在保持高性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成像組件的微型化。

在光聲成像中，通常利用納秒量級(jí)的短激光脈沖照射和激發(fā)組織，以產(chǎn)生基于光聲效應(yīng)的寬帶寬的超聲信號(hào)。超聲信號(hào)由單個(gè)超聲換能器（UT）或超聲換能器陣列發(fā)射并接收。超聲換能器或超聲換能器陣列是光聲成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，因?yàn)槠潇`敏度、頻率和帶寬直接影響光聲成像系統(tǒng)的信噪比（SNR）、穿透深度和成像分辨率。高頻率的超聲換能器可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率，但由于更高的聲學(xué)衰減和較低的信噪比，成像深度會(huì)被犧牲。此外，超聲換能器的中心頻率的選擇取決于成像目標(biāo)，因?yàn)楣饴曅盘?hào)的頻率分量與吸收體的尺寸有關(guān)。通常，較小的成像目標(biāo)表現(xiàn)出較高頻率的光聲信號(hào)。因此，內(nèi)窺鏡光聲成像需要雙頻和多頻超聲換能器或超聲換能器陣列，以使多重長度尺度的目標(biāo)可視化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和大成像深度。

然而，由于基于壓電材料厚度擴(kuò)展模式的傳統(tǒng)超聲換能器的諧振頻率由所采用的壓電板的厚度決定，因此將其制造成具有多個(gè)諧振頻率的陣列的成本較高。它們龐大的尺寸也使其在內(nèi)鏡光聲成像中的應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性。在MEMS技術(shù)的推動(dòng)下，微機(jī)械超聲換能器（MUT）具有尺寸小、易于以低成本制造陣列的優(yōu)點(diǎn)，已被開發(fā)應(yīng)用于內(nèi)窺鏡光聲成像系統(tǒng)，包括電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）和壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）。多頻CMUT陣列已被證實(shí)可用于光聲成像，并具有準(zhǔn)確顯示多尺度結(jié)構(gòu)、提供高分辨率和高對(duì)比度的全面圖像的能力。

然而，CMUT的高偏置電壓和微小電容間隙要求對(duì)其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和制造工藝提出了挑戰(zhàn)。它們的微弱電容也使其容易受到寄生效應(yīng)的影響，因此需要復(fù)雜的專用集成電路（ASIC）。相比之下，PMUT具有易于制造、抗寄生效應(yīng)的魯棒性和更好的設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)，其在內(nèi)窺鏡光聲成像中的應(yīng)用正日益引起研究人員的關(guān)注。濺射氮化鋁（AlN）、溶膠-凝膠鋯鈦酸鉛（PZT）和薄膜陶瓷PZT已被用于制造應(yīng)用于光聲成像的彎曲振動(dòng)模式PMUT。

就最先進(jìn)的PMUT而言，厚度擴(kuò)展模式PMUT通常基于陶瓷PZT、單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）和單晶鈮酸鋰（LiNbO3）制造。在內(nèi)窺鏡光聲成像應(yīng)用中的大多數(shù)厚度擴(kuò)展模式PMUT是單頻率和單元件的，因?yàn)閷⒑穸葦U(kuò)展模式PMUT制造成陣列并在多個(gè)頻率下工作是具有挑戰(zhàn)性的。相比之下，彎曲振動(dòng)模式PMUT更容易制造成大型陣列。典型的壓電薄膜，如PZT、AlN和轉(zhuǎn)移的LiNbO3薄膜，已經(jīng)被應(yīng)用于制造彎曲振動(dòng)模式PMUT。然而，它們?cè)趦?nèi)窺鏡光聲成像中的應(yīng)用仍處于早期階段，面臨著薄膜厚度有限和壓電響應(yīng)不足的挑戰(zhàn)。目前關(guān)于光聲成像應(yīng)用的雙頻和多頻PMUT陣列的研究仍非常缺乏，并且使用PMUT的光聲成像結(jié)果的報(bào)道也非常有限。

在之前的研究工作中，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于4μm厚度的陶瓷PZT薄膜的16?×?16正方形雙頻PMUT陣列，工作頻率為1.2?MHz和3.4?MHz，以應(yīng)用于內(nèi)窺鏡光聲成像。為了提高信噪比并獲得更高分辨率和更高對(duì)比度的光聲圖像，PMUT元件的傳感孔徑和PMUT陣列的頻率范圍需要進(jìn)一步增加。

圖2 雙頻和多頻PMUT陣列設(shè)計(jì)示意圖

在本文中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于陶瓷PZT薄膜的雙頻和多頻PMUT陣列的開發(fā)及其光聲成像應(yīng)用的演示?；陂L度為3.5mm或直徑為10mm的芯片，他們?yōu)閮?nèi)窺鏡光聲成像應(yīng)用開發(fā)了包含多達(dá)2520個(gè)PMUT元件的正方形和圓環(huán)形PMUT陣列，其頻率范圍為1?MHz至8?MHz。通過晶圓鍵合和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)制得了厚度為9?μm的陶瓷PZT薄膜，并用作PMUT陣列的壓電層，其壓電常數(shù)d31經(jīng)測量高達(dá)140?pm/V。受益于這種高壓電常數(shù)，制造的PMUT陣列表現(xiàn)出高機(jī)電耦合系數(shù)和大振動(dòng)位移。除了電學(xué)、機(jī)械和聲學(xué)表征之外，他們還使用制造的雙頻和多頻PMUT陣列進(jìn)行了鉛筆芯嵌入瓊脂體模的光聲成像實(shí)驗(yàn)。利用不同頻率的PMUT元件成功檢測了光聲信號(hào)，并將其用于重建單頻和融合光聲圖像，表明了使用雙頻和多頻PMUT陣列能夠同時(shí)提供高空間分辨率和高信噪比的優(yōu)勢(shì)。

圖3 PMUT制造工藝流程示意圖

圖4 制造的PMUT器件的SEM圖像

圖5 光聲成像實(shí)驗(yàn)

綜上所述，這項(xiàng)工作證實(shí)了基于陶瓷PZT薄膜制造的雙頻和多頻PMUT陣列應(yīng)用于內(nèi)窺鏡光聲成像的可行性，該陣列可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和高信噪比。通過電阻抗測量、機(jī)械振動(dòng)測試和超聲發(fā)射和接收實(shí)驗(yàn)，表征了所制造器件的雙頻和多頻性能，所有PMUT元件均按預(yù)期工作。此外，利用制造的雙頻和多頻PMUT陣列進(jìn)行了光聲成像實(shí)驗(yàn)，成功檢測了鉛筆芯嵌入瓊脂體模中的光聲信號(hào)并重建了光聲圖像。利用不同頻率的PMUT元件重建的光聲圖像清楚地顯示了成像分辨率和對(duì)比度、PMUT的中心頻率和吸收體尺寸之間的關(guān)系。未來，隨著多通道電路板的微型化，開發(fā)的雙頻和多頻PMUT陣列有望組裝成探頭，并應(yīng)用于內(nèi)窺鏡光聲成像中，以用于多尺寸目標(biāo)成像，并獲得高分辨率和大成像深度。