據麥姆斯咨詢報道，近日，由北京理工大學、佛羅里達大學（University of Florida）、南佛羅里達大學（University of South Florida）、MEMS Engineering and Materials Inc.、北京理工大學重慶微電子研究院的研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了題為“Thin ceramic PZT dual- and multi-frequency pMUT arrays for photoacoustic imaging”的最新論文，研究團隊提出了基于9μm厚度的陶瓷PZT薄膜的雙頻和多頻壓電式微機械超聲換能器（PMUT）陣列，其諧振頻率范圍為1?MHz至8?MHz，以應用于內窺鏡光聲成像（PAI）系統。文中詳細介紹了PMUT的設計、制造、表征和光聲成像結果，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勢。

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對比度、深穿透深度和高聲學分辨率等優點，已被研究了數十年，并被證實可廣泛應用于乳腺癌檢測、腦功能成像、人體四肢成像和血流動力學研究等。除了臺式光聲成像系統外，內窺鏡光聲成像已被廣泛研究用于診斷內臟疾病，并為外科手術指導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電系統（MEMS）的術中光聲成像探頭，并展示了其在手術中評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窺鏡成像系統。然而，內窺鏡光聲成像的研發仍處于早期階段，仍沒有成熟的光聲內窺鏡在臨床上得到認可，主要的挑戰包括光源、掃描組件的集成，以及在保持高性能的同時實現成像組件的微型化。

在光聲成像中，通常利用納秒量級的短激光脈沖照射和激發組織，以產生基于光聲效應的寬帶寬的超聲信號。超聲信號由單個超聲換能器（UT）或超聲換能器陣列發射并接收。超聲換能器或超聲換能器陣列是光聲成像系統中的關鍵組件，因為其靈敏度、頻率和帶寬直接影響光聲成像系統的信噪比（SNR）、穿透深度和成像分辨率。高頻率的超聲換能器可以實現更高的空間分辨率，但由于更高的聲學衰減和較低的信噪比，成像深度會被犧牲。此外，超聲換能器的中心頻率的選擇取決于成像目標，因為光聲信號的頻率分量與吸收體的尺寸有關。通常，較小的成像目標表現出較高頻率的光聲信號。因此，內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可視化，同時實現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展模式的傳統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諧振頻率的陣列的成本較高。它們龐大的尺寸也使其在內鏡光聲成像中的應用具有挑戰性。在MEMS技術的推動下，微機械超聲換能器（MUT）具有尺寸小、易于以低成本制造陣列的優點，已被開發應用于內窺鏡光聲成像系統，包括電容式微機械超聲換能器（CMUT）和壓電式微機械超聲換能器（PMUT）。多頻CMUT陣列已被證實可用于光聲成像，并具有準確顯示多尺度結構、提供高分辨率和高對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其生物醫學應用和制造工藝提出了挑戰。它們的微弱電容也使其容易受到寄生效應的影響，因此需要復雜的專用集成電路（ASIC）。相比之下，PMUT具有易于制造、抗寄生效應的魯棒性和更好的設計靈活性等優點，其在內窺鏡光聲成像中的應用正日益引起研究人員的關注。濺射氮化鋁（AlN）、溶膠-凝膠鋯鈦酸鉛（PZT）和薄膜陶瓷PZT已被用于制造應用于光聲成像的彎曲振動模式PMUT。

就最先進的PMUT而言，厚度擴展模式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。在內窺鏡光聲成像應用中的大多數厚度擴展模式PMUT是單頻率和單元件的，因為將厚度擴展模式PMUT制造成陣列并在多個頻率下工作是具有挑戰性的。相比之下，彎曲振動模式PMUT更容易制造成大型陣列。典型的壓電薄膜，如PZT、AlN和轉移的LiNbO3薄膜，已經被應用于制造彎曲振動模式PMUT。然而，它們在內窺鏡光聲成像中的應用仍處于早期階段，面臨著薄膜厚度有限和壓電響應不足的挑戰。目前關于光聲成像應用的雙頻和多頻PMUT陣列的研究仍非常缺乏，并且使用PMUT的光聲成像結果的報道也非常有限。

在之前的研究工作中，團隊提出了一種基于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，以應用于內窺鏡光聲成像。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一步增加。

圖2 雙頻和多頻PMUT陣列設計示意圖

在本文中，研究團隊報道了基于陶瓷PZT薄膜的雙頻和多頻PMUT陣列的開發及其光聲成像應用的演示。基于長度為3.5mm或直徑為10mm的芯片，他們為內窺鏡光聲成像應用開發了包含多達2520個PMUT元件的正方形和圓環形PMUT陣列，其頻率范圍為1?MHz至8?MHz。通過晶圓鍵合和化學機械拋光（CMP）技術制得了厚度為9?μm的陶瓷PZT薄膜，并用作PMUT陣列的壓電層，其壓電常數d31經測量高達140?pm/V。受益于這種高壓電常數，制造的PMUT陣列表現出高機電耦合系數和大振動位移。除了電學、機械和聲學表征之外，他們還使用制造的雙頻和多頻PMUT陣列進行了鉛筆芯嵌入瓊脂體模的光聲成像實驗。利用不同頻率的PMUT元件成功檢測了光聲信號，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陣列能夠同時提供高空間分辨率和高信噪比的優勢。

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 光聲成像實驗

綜上所述，這項工作證實了基于陶瓷PZT薄膜制造的雙頻和多頻PMUT陣列應用于內窺鏡光聲成像的可行性，該陣列可以同時實現高空間分辨率和高信噪比。通過電阻抗測量、機械振動測試和超聲發射和接收實驗，表征了所制造器件的雙頻和多頻性能，所有PMUT元件均按預期工作。此外，利用制造的雙頻和多頻PMUT陣列進行了光聲成像實驗，成功檢測了鉛筆芯嵌入瓊脂體模中的光聲信號并重建了光聲圖像。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比度、PMUT的中心頻率和吸收體尺寸之間的關系。未來，隨著多通道電路板的微型化，開發的雙頻和多頻PMUT陣列有望組裝成探頭，并應用于內窺鏡光聲成像中，以用于多尺寸目標成像，并獲得高分辨率和大成像深度。