革命性醫(yī)療成像 imec用非侵入超音波監(jiān)測心臟

比利時微電子研究中心（imec）的研究人員，推出為超音波成像應(yīng)用所開發(fā)的創(chuàng)新第二代壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）數(shù)組。該數(shù)組具備一層氮化鋁鈧（AlScN）壓電層，在水中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的影像擷取，波束控制深度達(dá)到10cm。此次取得的技術(shù)突破為曲面感測、革命性醫(yī)療成像及監(jiān)測這類復(fù)雜的超音波應(yīng)用提供了發(fā)展條件。近期imec攜手其衍生新創(chuàng)Pulsify Medical，一同推動心臟監(jiān)測技術(shù)朝向非侵入式且無需醫(yī)師操作的方向發(fā)展。

超音波成像的技術(shù)進(jìn)展
在非侵入性的情況下，透過超音波成像來呈現(xiàn)腹中胎兒影像的聲波應(yīng)用廣為人知。透過發(fā)射高頻聲波到體內(nèi)，并將其反射波轉(zhuǎn)換成電訊號，就能建立實(shí)時的影像。除了醫(yī)療成像，這些聲波也能應(yīng)用在生物辨識、（汽車或虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的）手勢辨識等其它領(lǐng)域。
超音波換能器目前普遍在半導(dǎo)體廠內(nèi)制造。針對感測覆蓋面積較大的高分辨率醫(yī)療成像應(yīng)用，大型傳感器是必需，但這對硅基傳感器來說極具挑戰(zhàn)，因?yàn)槠鋯挝幻娣e成本（cost per mm2）高昂。

大面積感測成像：壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）
2021年，imec推出了采用玻璃基板且與平面顯示器（FPD）制程兼容的壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）數(shù)組。這款超音波傳感器可以不用晶圓制程，而是與平面顯示器（FPD）制程兼容，使得符合成本效益的大型組件制造成為可能。
更準(zhǔn)確來說，這些換能器數(shù)組能與現(xiàn)有的薄膜晶體管背板兼容，而且這種換能器技術(shù)不會受到晶圓尺寸的限制，所以才有可能制造出大規(guī)模數(shù)組。盡管如此，以往的復(fù)合壓電材料性能尚不足以滿足高性能醫(yī)療成像的需求。


 
圖一 : 第二代壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）。

現(xiàn)在imec展示了第二代的壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）數(shù)組，采用另一種壓電材料：氮化鋁鈧（AlScN）。
imec聲學(xué)傳感器研發(fā)計劃Listen2Future的計劃主持人Epimitheas Georgitzikis解釋：「因?yàn)槲覀冎安捎貌ＡЩ鍋泶娼Y(jié)晶硅，就能排除組件面積的限制。與前一代相比，這次開發(fā)的下一代壓電式微機(jī)械超音波轉(zhuǎn)換器（PMUT）還展現(xiàn)了10倍的聲壓?！?另也顯示其影像擷取距離高達(dá)10cm，水中壓力量測范圍落在7 kPa以上，很適合用于高性能超音波成像。

 
圖二 : 壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）制程的截面示意圖：（a）選配薄膜晶體管（TFT）和／或彈性層的背板；（b）包含金屬—絕緣體—金屬（MIM）堆棧的前板；（c）把前板接合至背板，并移除前板；（d）金屬穿孔導(dǎo)線，以建立前板與背板之間的電性連接。

 
圖三 : 壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）的組件特征 附圖顯示本研究所制造的壓電式微機(jī)械超音波換能器（PMUT）顯微影像及其腔面的截面圖。

靈活應(yīng)用超音波成像的開發(fā)前景
「下階段發(fā)展包含精進(jìn)這項技術(shù)，以及將這款組件調(diào)整到不同的特定頻率。這么一來，這項技術(shù)將能把大型超音波數(shù)組用于像是人體傳感器或是汽車儀表板的曲面感測，推動超音波功能與大型非平面對象的整合，所以創(chuàng)新超音波應(yīng)用的大好契機(jī)將會浮現(xiàn)?！?br/>imec與Pulsify Medical合作，建立了一款用于心臟監(jiān)測的概念驗(yàn)證性硬性醫(yī)療貼布，推動非侵入性的院外長期監(jiān)測應(yīng)用，且無須醫(yī)師介入。聲學(xué)傳感器研究計劃Listen2Future為歐盟資助的研究計劃部分，目前仍在進(jìn)一步開發(fā)彈性的超音波貼布。
本研究結(jié)果詳述于〈一款與平面顯示器制程兼容的超音波平臺〉（A flat-panel-display compatible ultrasound platform）一文中，并發(fā)表于國際信息顯示學(xué)會（The Society for Information Display）的2023 年顯示周（Display Week 2023） 。聲學(xué)傳感器研發(fā)計劃Listen2Future是一項歐盟資助的研究計劃，進(jìn)行壓電聲學(xué)換能器的研發(fā)和基準(zhǔn)檢驗(yàn)，擁有橫跨七國的27個研究伙伴，由英飛凌科技（Infineon Technology Austria AG）負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)溝通。

（本文作者Erwin Hijzen與Epimitheas Georgitzikis為imec微機(jī)電超音波研究計劃負(fù)責(zé)人）