醫學超聲影像設備被廣泛應用于人體健康診斷，適用上超聲相超聲換能器是于掌其中的核心部件，現階段普遍采用基于多晶或單晶壓電陶瓷及復合材料的控陣換能器，它們擁有高介電常數和高機電耦合系數，成像尺寸成為醫學成像的高頻參考標準。然而壓電陶瓷需經高精度機械切割制成單個換能器元件，陣列無法像半導體芯片一樣大規模制造且造價高，適用上超聲相很難構建大規模二維換能器陣列進行三維成像，于掌同樣也很難制造微型高頻植入式換能器并進行合適的控陣聲阻抗匹配。這些因素限制了現階段超聲影像的成像尺寸使用范圍和受眾規模。

微機械超聲換能器（MUT）是高頻利用半導體微納加工工藝制造的MEMS超聲器件，基于靜電和壓電原理可分為CMUT和PMUT。陣列它們的適用上超聲相生產規模大、成本低，于掌容易集成到各種電子設備之中，控陣滿足體內體外多種場景的應用需求；它們的頻帶寬頻率控制靈活、無需添加聲阻抗匹配層，一體性好集成度高，單個探頭即可進行全身通用成像及三維成像，與人工智能（AI）結合可進行智能化診斷；它們的體積小質量輕、功耗低、靈敏度和可靠性高、成像分辨率和質量優異，非常適用于便攜式、手持式、穿戴式甚至是植入式應用場景，具有跨越醫療級進入消費級市場的巨大潛力。

因此，MEMS超聲診療被認為是革命性技術，其成功及大批量使用將為全球健康事業貢獻巨大力量。基于MEMS技術的手持式超聲影像儀器研發受到當下學術界和產業界的深度關注。其中，美國Butterfly Network公司利用CMUT技術，于2018推出全球首款完整的基于MEMS超聲的成像系統—Butterfly iQ掌上超聲儀，目前已歷經兩代，給全球手持式超聲系統帶來巨大變化。美國Exo Imaging公司基于PMUT技術，截至2021年7月已融資3.2億美元，研發名為Cello的經濟型醫療超聲平臺，旨在放入每位護理人員和臨床醫生的口袋。

圖1 (a) MEMS超聲對傳統超聲的革命及 (b) Butterfly公司基于CMUT技術的iQ+手持式超聲診斷儀及MEMS芯片微結構

超聲相控陣成像要求振元間距遵循半波長規則，縮小振元尺寸是實現目標的核心，其在高頻MEMS陣列中的決定性作用尤為明顯；另外縮小振元尺寸也是提高MEMS超聲陣列集成度和成像能力的必然要求。

圖2 2023年4月出版JMEMS期刊的封面

據麥姆斯咨詢報道，天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室牛鵬飛老師、王茁晨老師、龐慰教授等報道了一種用于超聲相控陣成像的小尺寸高頻PMUT陣列及其低成本實施方案。研究人員采用SiO2為PMUT的彈性層。在常用材料中SiO2的模量最小，導致同等頻率和膜層厚度情況下，其剛性最低進而使器件的尺寸最小。

研究人員將SiO2彈性層置于壓電薄膜層遠離空腔的一側，即器件外側，使所設計的PMUT結構能夠通過非常成熟的磷硅酸鹽玻璃（PSG）犧牲層工藝進行低成本制造。另外該層疊布局使SiO2能夠承擔彈性層和保護層雙重功能，進一步減薄膜層厚度縮小PMUT尺寸。

圖3(a)-(f)是PMUT線性陣列的制造流程；(g)-(h)是俯視圖光學照片；(i)是橫截面SEM圖像。

研究人員開發了水環境下頻率為8MHz的AlN基一維線性PMUT陣列，其振動單元的整體膜層厚度和直徑分別僅為1.9μm和40μm。電阻抗測試結果顯示所開發的PMUT陣列在晶圓上呈現出一致的性能；聲學性能方面，擁有20個振元的線陣在10mm處的聲學發射和脈沖回波信號的信噪比分別可達38dB和25dB。

研究人員通過合成孔徑方法成像，發現間距120μm的16列線陣PMUT的橫縱向超聲分辨率約為~1mm和~0.3mm。優異的超聲性能加上更小尺寸和低成本的制造能力，表明作者所提方案在開發高性能相控陣級PMUT陣列中具有強大競爭力和應用前景。

審核編輯：劉清