电容式超声换能器在医疗领域的研究进展

近年来，随着医疗诊断技术对微创及精准度的要求越来越高，超声成像检查已经逐渐成为非侵入性检查诊断的主要方法之一。基于超声技术的彩超、B超等在医疗诊断领域得到了广泛应用，高强度聚焦超声（HIFU）无创外科更是被誉为21世纪治疗肿瘤的最新技术。电容式微机械超声换能器（CMUT）作为超声医疗技术中的核心器件，依靠静电力引起薄膜振动发出超声波，具有易于与电子产品集成、可大型阵列化、与人体组织阻抗匹配良好、机电转换效率高、灵敏度高、频带宽和成本低等传统压电换能器无法匹敌的优点，成为超声成像技术领域的新秀。

据麦姆斯咨询报道，近期，天津工业大学李晓云课题组在《传感器与微系统》期刊上发表了题为“电容式超声换能器在医疗领域的研究进展”的综述性论文，简述了CMUT的工作原理，总结了CMUT的主要制造工艺和在超声医疗领域中的应用，并对其未来发展进行了展望。

CMUT制造工艺研究进展

（1）牺牲层释放工艺

牺牲层释放工艺多采用非晶硅（Si）或多晶硅作为牺牲层，以氮化硅（Si₃N₄）作为上层振膜及空腔侧壁，利用氢氧化钾（KOH）溶液刻蚀牺牲层得到空腔，最后镀铝（Al）层作为电极层。

为探索柔性材料在CMUT制造工艺中的可行性，Gerardo C. D.等人通过使用聚合物材料作为振膜，制备出了基于聚合物薄膜的CMUT（图1）。此工艺以Omnicoat聚合物作为牺牲释放层，将上电极封装在SU-8聚合物振膜内部，使工作电压降低到10 V直流电压叠加12 V的交流电压。此工艺制成的CMUT还可以获得1.5 MHz谐振频率以及高达106%的带宽比。除上述优点外，该工艺流程更为简单，所用材料也更廉价。

图1 基于聚合物薄膜的牺牲层释放工艺

近年来，对低频高分辨率成像系统的需求日益增长，其中利用牺牲层释放工艺在绝缘衬底上制造的2D阵列成像效果突出。图2为刘嘉俊等人基于牺牲层释放工艺研制的一种带孔阵列的CMUT剖面图。在牺牲层释放工艺基础上制成的2D带孔阵列相较于同类换能器具有更强的超声波穿透能力，同时200 kHz的低工作频率和2.5 ns的最小时延分辨率也促进了快速高分辨率成像。

图2 CMUT模型的俯视图与剖面主视图

（2）晶圆键合工艺

经典的晶圆键合技术中晶圆键合步骤对表面粗糙度和洁净度等问题非常敏感，成品率低，并且后期工艺复杂性大，适用范围有限。硅的局部氧化工艺是晶圆键合工艺的一种改进，与传统晶圆键合工艺相比，它的间隙高度更好控制，寄生电容有所降低。此外，为适应低温环境，降低器件性能对CMUT表面粗糙度要求，阳极键合工艺顺势而生。梁留洋等人研制了基于阳极键合的CMUT。该工艺是先在高掺杂的硅衬底上沉积下电极，并在顶部阳极键合硅晶圆形成氮化硅振膜。沉积的二氧化硅层可防止极板与底部电极接触时发生电短路，并且充当中间粘结层。此工艺可在较低的温度下进行小接触面键合，在7.5 MHz的工作频率和140 V直流电压下带宽比可达170%左右，因此，实现了更宽带宽的高分辨率成像。

CMUT阵列在医疗领域的应用

（1）CMUT阵列在超声成像中的应用

目前，超声成像领域应用比较广泛的阵列为一维相控阵和二维相控阵。一维超声换能器多用于肠道成像诊断；二维相控阵换能器多用于妇科及脏器官检查；眼科成像则常采用单阵元换能器。

为提高简单阵列的成像帧率，谭清源等人研制出一种线性环形阵列用于内窥镜成像，阵列如图3所示。该CMUT环阵由128个阵元的线阵围绕而成，阵元间距为0.041 mm，圆环阵的中心频率可达8 MHz。此环形阵列相较于线性阵列成像面积更广，60%的带宽比促进了高分辨率成像。

图3 一维环形阵列

（2）CMUT阵列在超声治疗中的应用

近几年，CMUT被证明在超声治疗方面有着巨大的潜能，成为超声治疗的新方向。Yooh H S等人设计了一种基于8 mm × 8 mm，32 × 32单元的二维CMUT阵列的高强度聚焦超声治疗系统，阵列如图4所示。依据相位延迟来划分的阵列通道解决了大阵列的复杂性。在40 V直流电压和60 V交流电压下，病理组织表面压力可达到1.2 MPa，在焦点处其压力甚至可达8.5 MPa，可在瞬间产生损伤。结果表明，该CMUT阵列能同时支持成像和高强度聚焦超声操作，具有广阔的应用前景。

图4 二维CMUT阵列

总体而言，虽然当前超声医疗市场依旧以压电式超声换能器为主导地位，但性能的优越性将使CMUT逐步赶超压电式超声换能器在超声医疗中的地位，并为超声医疗领域带来新前景。但是，CMUT在超声治疗领域目前仍处于研究阶段，应用方向多以高强度聚焦超声治疗为主，缺少创新，所以仍然需要一段时期的开发与探索。

审核编辑：刘清