革命性醫(yī)療成像 imec用非侵入超音波監(jiān)測(cè)心臟

比利時(shí)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(kāi)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(cè)、革命性醫(yī)療成像及監(jiān)測(cè)這類(lèi)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(dòng)心臟監(jiān)測(cè)技術(shù)朝向非侵入式且無(wú)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(guò)超音波成像來(lái)呈現(xiàn)腹中胎兒影像的聲波應(yīng)用廣為人知。透過(guò)發(fā)射高頻聲波到體內(nèi)，并將其反射波轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，就能建立實(shí)時(shí)的影像。除了醫(yī)療成像，這些聲波也能應(yīng)用在生物辨識(shí)、（汽車(chē)或虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的）手勢(shì)辨識(shí)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(duì)感測(cè)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(duì)硅基傳感器來(lái)說(shuō)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(cè)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(lái)說(shuō)，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(huì)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(mǎn)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(jì)劃Listen2Future的計(jì)劃主持人Epimitheas Georgitzikis解釋?zhuān)骸敢驗(yàn)槲覀冎安捎貌ＡЩ鍋?lái)代替結(jié)晶硅，就能排除組件面積的限制。與前一代相比，這次開(kāi)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(cè)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(kāi)發(fā)前景
「下階段發(fā)展包含精進(jìn)這項(xiàng)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(lái)，這項(xiàng)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(chē)儀表板的曲面感測(cè)，推動(dòng)超音波功能與大型非平面對(duì)象的整合，所以創(chuàng)新超音波應(yīng)用的大好契機(jī)將會(huì)浮現(xiàn)?！?br/>imec與Pulsify Medical合作，建立了一款用于心臟監(jiān)測(cè)的概念驗(yàn)證性硬性醫(yī)療貼布，推動(dòng)非侵入性的院外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)用，且無(wú)須醫(yī)師介入。聲學(xué)傳感器研究計(jì)劃Listen2Future為歐盟資助的研究計(jì)劃部分，目前仍在進(jìn)一步開(kāi)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(tái)〉（A flat-panel-display compatible ultrasound platform）一文中，并發(fā)表于國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)（The Society for Information Display）的2023 年顯示周（Display Week 2023） 。聲學(xué)傳感器研發(fā)計(jì)劃Listen2Future是一項(xiàng)歐盟資助的研究計(jì)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(guó)的27個(gè)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(jì)劃負(fù)責(zé)人）