用于光声成像的陶瓷PZT薄膜双频/多频PMUT阵列

近日，由北京理工大学、佛罗里达大学（University of Florida）、南佛罗里达大学（University of South Florida）、MEMS Engineering and Materials Inc.、北京理工大学重庆微电子研究院的研究人员组成的团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Thin ceramic PZT dual- and multi-frequency pMUT arrays for photoacoustic imaging”的最新论文，研究团队提出了基于9μm厚度的陶瓷PZT薄膜的双频和多频压电式微机械超声换能器（PMUT）阵列，其谐振频率范围为1?MHz至8?MHz，以应用于内窥镜光声成像（PAI）系统。文中详细介绍了PMUT的设计、制造、表征和光声成像结果，表明了其在光声成像方面具有的高空间分辨率和高信噪比优势。

图1 论文提出的双频和多频PMUT阵列及光声成像

光声成像具有丰富的光学对比度、深穿透深度和高声学分辨率等优点，已被研究了数十年，并被证实可广泛应用于乳腺癌检测、脑功能成像、人体四肢成像和血流动力学研究等。除了台式光声成像系统外，内窥镜光声成像已被广泛研究用于诊断内脏疾病，并为外科手术指导提供精确的深部组织局部信息。例如，Xi等人在2012年提出了一种基于微机电系统（MEMS）的术中光声成像探头，并展示了其在手术中评估乳腺肿瘤边缘和检查肿瘤切除情况的能力。Basij等人在2019年提出了一种用于宫颈癌诊断的微型化相控阵超声和光声内窥镜成像系统。然而，内窥镜光声成像的研发仍处于早期阶段，仍没有成熟的光声内窥镜在临床上得到认可，主要的挑战包括光源、扫描组件的集成，以及在保持高性能的同时实现成像组件的微型化。

在光声成像中，通常利用纳秒量级的短激光脉冲照射和激发组织，以产生基于光声效应的宽带宽的超声信号。超声信号由单个超声换能器（UT）或超声换能器阵列发射并接收。超声换能器或超声换能器阵列是光声成像系统中的关键组件，因为其灵敏度、频率和带宽直接影响光声成像系统的信噪比（SNR）、穿透深度和成像分辨率。高频率的超声换能器可以实现更高的空间分辨率，但由于更高的声学衰减和较低的信噪比，成像深度会被牺牲。此外，超声换能器的中心频率的选择取决于成像目标，因为光声信号的频率分量与吸收体的尺寸有关。通常，较小的成像目标表现出较高频率的光声信号。因此，内窥镜光声成像需要双频和多频超声换能器或超声换能器阵列，以使多重长度尺度的目标可视化，同时实现高空间分辨率和大成像深度。

然而，由于基于压电材料厚度扩展模式的传统超声换能器的谐振频率由所采用的压电板的厚度决定，因此将其制造成具有多个谐振频率的阵列的成本较高。它们庞大的尺寸也使其在内镜光声成像中的应用具有挑战性。在MEMS技术的推动下，微机械超声换能器（MUT）具有尺寸小、易于以低成本制造阵列的优点，已被开发应用于内窥镜光声成像系统，包括电容式微机械超声换能器（CMUT）和压电式微机械超声换能器（PMUT）。多频CMUT阵列已被证实可用于光声成像，并具有准确显示多尺度结构、提供高分辨率和高对比度的全面图像的能力。

然而，CMUT的高偏置电压和微小电容间隙要求对其生物医学应用和制造工艺提出了挑战。它们的微弱电容也使其容易受到寄生效应的影响，因此需要复杂的专用集成电路（ASIC）。相比之下，PMUT具有易于制造、抗寄生效应的鲁棒性和更好的设计灵活性等优点，其在内窥镜光声成像中的应用正日益引起研究人员的关注。溅射氮化铝（AlN）、溶胶-凝胶锆钛酸铅（PZT）和薄膜陶瓷PZT已被用于制造应用于光声成像的弯曲振动模式PMUT。

就最先进的PMUT而言，厚度扩展模式PMUT通常基于陶瓷PZT、单晶铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）和单晶铌酸锂（LiNbO3）制造。在内窥镜光声成像应用中的大多数厚度扩展模式PMUT是单频率和单元件的，因为将厚度扩展模式PMUT制造成阵列并在多个频率下工作是具有挑战性的。相比之下，弯曲振动模式PMUT更容易制造成大型阵列。典型的压电薄膜，如PZT、AlN和转移的LiNbO3薄膜，已经被应用于制造弯曲振动模式PMUT。然而，它们在内窥镜光声成像中的应用仍处于早期阶段，面临着薄膜厚度有限和压电响应不足的挑战。目前关于光声成像应用的双频和多频PMUT阵列的研究仍非常缺乏，并且使用PMUT的光声成像结果的报道也非常有限。

在之前的研究工作中，团队提出了一种基于4μm厚度的陶瓷PZT薄膜的16?×?16正方形双频PMUT阵列，工作频率为1.2?MHz和3.4?MHz，以应用于内窥镜光声成像。为了提高信噪比并获得更高分辨率和更高对比度的光声图像，PMUT元件的传感孔径和PMUT阵列的频率范围需要进一步增加。

图2 双频和多频PMUT阵列设计示意图

在本文中，研究团队报道了基于陶瓷PZT薄膜的双频和多频PMUT阵列的开发及其光声成像应用的演示。基于长度为3.5mm或直径为10mm的芯片，他们为内窥镜光声成像应用开发了包含多达2520个PMUT元件的正方形和圆环形PMUT阵列，其频率范围为1?MHz至8?MHz。通过晶圆键合和化学机械抛光（CMP）技术制得了厚度为9?μm的陶瓷PZT薄膜，并用作PMUT阵列的压电层，其压电常数d31经测量高达140?pm/V。受益于这种高压电常数，制造的PMUT阵列表现出高机电耦合系数和大振动位移。除了电学、机械和声学表征之外，他们还使用制造的双频和多频PMUT阵列进行了铅笔芯嵌入琼脂体模的光声成像实验。利用不同频率的PMUT元件成功检测了光声信号，并将其用于重建单频和融合光声图像，表明了使用双频和多频PMUT阵列能够同时提供高空间分辨率和高信噪比的优势。

图3 PMUT制造工艺流程示意图

图4 制造的PMUT器件的SEM图像

图5 光声成像实验

综上所述，这项工作证实了基于陶瓷PZT薄膜制造的双频和多频PMUT阵列应用于内窥镜光声成像的可行性，该阵列可以同时实现高空间分辨率和高信噪比。通过电阻抗测量、机械振动测试和超声发射和接收实验，表征了所制造器件的双频和多频性能，所有PMUT元件均按预期工作。此外，利用制造的双频和多频PMUT阵列进行了光声成像实验，成功检测了铅笔芯嵌入琼脂体模中的光声信号并重建了光声图像。利用不同频率的PMUT元件重建的光声图像清楚地显示了成像分辨率和对比度、PMUT的中心频率和吸收体尺寸之间的关系。未来，随着多通道电路板的微型化，开发的双频和多频PMUT阵列有望组装成探头，并应用于内窥镜光声成像中，以用于多尺寸目标成像，并获得高分辨率和大成像深度。