據麥姆斯咨詢報道，近期，比利時魯汶大學（KU Leuven）電子工程系的Michael Kraft教授團隊在IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control期刊上發表了題為“Novel Phased Array Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers (pMUTs) for Medical Imaging”的最新論文，文中提出了具有128個通道的一維高頻（6MHz）和低頻（1.5MHz）PMUT相控陣，通過水下成像實驗表明了其在醫學成像應用中的巨大潛力。

圖1 128×1高頻PMUT陣列的光學顯微圖像（插圖顯示了PMUT元件的放大圖像）

超聲在無損評估（NDE）、超聲驅動、醫學成像、藥物輸送和其他治療應用、粒子和細胞操縱，以及物體識別等方面都有應用。特別是，自20世紀40年代超聲醫學成像問世以來，它對我們的生活產生了重大影響。由于電子學的進步，醫學超聲成像系統在過去幾年里取得了顯著的進步。

與其它電子系統類似，超聲設備正變得更緊湊、便攜、智能、節能和便宜。因此，目前在醫療診斷中出現了許多新興的超聲成像應用，例如用于即時診斷超聲（POCUS）應用的手持探頭和血管內超聲系統（IVUS）。

當前，市場上主流的超聲成像系統都使用塊體型壓電材料將電激勵轉換為超聲波，反之亦然。然而，這些傳統技術面臨各種限制。超聲換能器陣列中的元件需要對壓電塊體層進行機械切割，這會限制元件之間的間距。此外，超聲換能器在發射過程中需要使用70~140V范圍內的高驅動電壓，這限制了其在緊湊型電池供電設備中的使用或性能。此外，傳統超聲換能器的制造成本很高，而且是勞動密集型的產品。

為了克服上述缺點，并使超聲成像系統與電子器件的市場趨勢保持一致，在過去十年中，微機械超聲換能器（MUT）已經被開發出來。MUT受益于基于光刻的MEMS制造工藝、超小型化、與CMOS技術的潛在集成以及低成本制造工藝。目前主要有兩種類型的微機械技術，即具有通常處于d31模式的壓電薄膜的壓電式微機械超聲換能器（PMUT）和具有處于靜電力彎曲模式的電容式微機械超聲換能器（CMUT）。

本質上，CMUT元件是由金屬化懸浮薄膜構成的小型化電容器。CMUT可以接收和發射超聲信號，目前已被用于不同制造商的多個超聲探頭中。然而，CMUT技術也存在一些嚴重的缺點，從而阻礙了它作為傳統超聲技術的替代品。CMUT依賴于薄膜和電極之間的微小間隙（100~300nm），但這很容易被污染。

為了使CMUT高性能地運行，在塌陷電壓附近要施加一個高的直流偏置電壓（30~100V）。這限制了它們的使用，原因有三：（i）更高的功耗，（ii）更高的噪聲水平導致的低信噪比（SNR），以及（iii）相對較高的器件故障概率。

此外，CMUT中的薄膜厚度被限制在小于2μm，首先是因為它們依賴于表面微機械加工制造技術，其次是因為弱靜電會使薄膜彎曲。因此，為了達到一定的諧振頻率，CMUT的橫向尺寸通常非常小，從而導致其輸出聲壓和靈敏度較低。因此，CMUT獲得的超聲圖像質量較差，特別是在需要高穿透深度的應用中。

PMUT是具有壓電薄膜的薄膜型MEMS器件。薄膜通過在頂部和底部電極之間施加激勵電壓來驅動。施加的電場在有源壓電層中形成橫向應力，從而導致離面薄膜位移在外部介質中產生壓力波。與CMUT相比，PMUT不需要直流偏置電壓，其薄膜幾何形狀可以自由選擇，以提供足夠的輸出聲功率。然而，迄今為止，PMUT的主要問題是：（i）低頻帶寬和（ii）相對于塊體型壓電技術的低發射響應。

基于此，本論文的作者們提出了適用于醫學成像應用的具有128個通道的高頻（6MHz）和低頻（1.5MHz）PMUT陣列。他們詳細描述了PMUT陣列的設計、制造工藝和表征。PMUT陣列在空氣中通過激光多普勒測振儀（LDV）進行表征，在水下通過使用1mm針式水聽器和寬帶寬換能器進行表征。所提出的PMUT陣列的超聲成像功能通過水下成像實驗得到了證實，這表明了其在醫學成像應用中的巨大潛力。

使用高頻陣列有助于獲得更高空間分辨率的圖像，而較低工作頻率的超聲的能量被介質吸收較少，可以更深入地穿透到體內。PMUT陣列設計的重點是其頻率帶寬。頻率響應的帶寬越高，聲脈沖越短，PMUT輸出的振鈴越小，從而提高軸向空間分辨率。

PMUT在接收信號期間也需要寬帶寬，因為它有助于捕獲器官和組織產生的其他頻率和諧波，這對于例如多普勒或諧波成像方法很有用。高質量超聲圖像的意義總是與換能器獲得的信噪比水平相融合。為了獲得高信噪比，較低的寄生電容和較高的發射和接收靈敏度總是首選。

所提出的高頻PMUT陣列具有45kPa/V@3cm的發射靈敏度和204mV/MPa的接收靈敏度。高發射靈敏度也有利于獲得高穿透深度和高分辨率圖像。而低頻PMUT的中心頻率為1.5MHz，受益于118%的寬帶寬。發射和接收脈沖響應沒有任何明顯的振鈴，這有利于獲得高空間圖像分辨率。

圖2 研究人員研制的PMUT陣列制造工藝

圖3 水下超聲成像實驗

圖4（a）高頻PMUT陣列（b）低頻PMUT陣列的B模式成像實驗結果

審核編輯：劉清