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聚合物基MEMS有望助力超声波成像的普及

导读: 为了使医疗市场上超声波换能器更便宜,英属(不列颠)哥伦比亚大学(University of British Columbia,简称UBC)的研究人员已经利用聚合物代替传统的硅材料,设计出了电容式微机械超声波换能器。

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英属(不列颠)哥伦比亚大学研究员Carlos Gerardo展示了新型超声波换能器

据麦姆斯咨询报道,为了使医疗市场上超声波换能器更便宜,英属(不列颠)哥伦比亚大学(University of British Columbia,简称UBC)的研究人员已经利用聚合物代替传统的硅材料,设计出了电容式微机械超声波换能器(capacitive micromachined ultrasound transducers,以下简称CMUT,亦称电容式MEMS超声波换能器)。

该研究在题为“Fabrication and testing of polymer-based capacitive micromachined ultrasound transducers for medical imaging”的论文中详细论述,该论文发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。研究人员在论文中阐述了,如何使用如SU-8光敏聚合物和Omnicoat等更经济的材料代替硅基来构建薄且敏感的超声波换能器阵列。


图a为安装在PCB上的由64列poly-CMUT阵元组成的线性阵列;图b中6列CMUT阵元的间距为550μm;图c中CMUT单元可显示出顶部电极与底部腔体的互连

仅需6个步骤,且以预计低于100美元的单位成本,研究人员就制造出了微米级生物相容性的聚对二甲苯密封聚合物CMUT(以下简称poly-CMUT)。该器件是由64列CMUT阵元组成的线性阵列,每列阵元均包含4 × 75个CMUT单元(即为塑料MEMS),各列阵元的间距为550μm。线性阵列使得研究人员能够利用波束成形技术进行精确超声成像实验。

制造这些poly-CMUT的关键在于将金属电极封装在薄膜内部而非顶部,可实现与多晶硅或氮化硅制造的传统CMUT相近的薄堆栈和低工作电压。研究人员在论文中报告,poly-CMUT可以被预偏置,从而在接收中作为无源器件运行,并在超声波传输期间具有低激励电压(即在10V直流电信号上叠加12V交流电信号)。

该研究另一个有趣地方在于,其最大工艺温度不会超过150°C,这就意味着这些poly-CMUT可直接在如波束成形器和Tx/Rx开关等硅基电子器件上制造。研究人员预计,这种超声波收发器可以被集成到适形可穿戴健康监测系统的柔性衬底中。

论文的合著者、UBC电子与计算机工程教授Robert Rohling评论道:“有了这个技术,就可以将这些传感器缩小,用它们来观察你的动脉和静脉。还可以将它们贴胸前,在日常生活中持续监测你的心脏。该技术开启了多种不同的可能性。”

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