革命性医疗成像 imec用非侵入超音波监测心脏

比利时微电子研究中心（imec）的研究人员，推出为超音波成像应用所开发的创新第二代压电式微机械超音波换能器（PMUT）数组。该数组具备一层氮化铝钪（AlScN）压电层，在水中实现优异的影像撷取，波束控制深度达到10cm。此次取得的技术突破为曲面感测、革命性医疗成像及监测这类复杂的超音波应用提供了发展条件。近期imec携手其衍生新创Pulsify Medical，一同推动心脏监测技术朝向非侵入式且无需医师操作的方向发展。

超音波成像的技术进展
在非侵入性的情况下，透过超音波成像来呈现腹中胎儿影像的声波应用广为人知。透过发射高频声波到体内，并将其反射波转换成电讯号，就能建立实时的影像。除了医疗成像，这些声波也能应用在生物辨识、（汽车或虚拟现实应用的）手势辨识等其它领域。
超音波换能器目前普遍在半导体厂内制造。针对感测覆盖面积较大的高分辨率医疗成像应用，大型传感器是必需，但这对硅基传感器来说极具挑战，因为其单位面积成本（cost per mm2）高昂。

大面积感测成像：压电式微机械超音波换能器（PMUT）
2021年，imec推出了采用玻璃基板且与平面显示器（FPD）制程兼容的压电式微机械超音波换能器（PMUT）数组。这款超音波传感器可以不用晶圆制程，而是与平面显示器（FPD）制程兼容，使得符合成本效益的大型组件制造成为可能。
更准确来说，这些换能器数组能与现有的薄膜晶体管背板兼容，而且这种换能器技术不会受到晶圆尺寸的限制，所以才有可能制造出大规模数组。尽管如此，以往的复合压电材料性能尚不足以满足高性能医疗成像的需求。


 
图一 : 第二代压电式微机械超音波换能器（PMUT）。

现在imec展示了第二代的压电式微机械超音波换能器（PMUT）数组，采用另一种压电材料：氮化铝钪（AlScN）。
imec声学传感器研发计划Listen2Future的计划主持人Epimitheas Georgitzikis解释：「因为我们之前采用玻璃基板来代替结晶硅，就能排除组件面积的限制。与前一代相比，这次开发的下一代压电式微机械超音波转换器（PMUT）还展现了10倍的声压。」 另也显示其影像撷取距离高达10cm，水中压力量测范围落在7 kPa以上，很适合用于高性能超音波成像。

 
图二 : 压电式微机械超音波换能器（PMUT）制程的截面示意图：（a）选配薄膜晶体管（TFT）和／或弹性层的背板；（b）包含金属—绝缘体—金属（MIM）堆栈的前板；（c）把前板接合至背板，并移除前板；（d）金属穿孔导线，以建立前板与背板之间的电性连接。

 
图三 : 压电式微机械超音波换能器（PMUT）的组件特征 附图显示本研究所制造的压电式微机械超音波换能器（PMUT）显微影像及其腔面的截面图。

灵活应用超音波成像的开发前景
「下阶段发展包含精进这项技术，以及将这款组件调整到不同的特定频率。这么一来，这项技术将能把大型超音波数组用于像是人体传感器或是汽车仪表板的曲面感测，推动超音波功能与大型非平面对象的整合，所以创新超音波应用的大好契机将会浮现。」
imec与Pulsify Medical合作，建立了一款用于心脏监测的概念验证性硬性医疗贴布，推动非侵入性的院外长期监测应用，且无须医师介入。声学传感器研究计划Listen2Future为欧盟资助的研究计划部分，目前仍在进一步开发弹性的超音波贴布。
本研究结果详述于〈一款与平面显示器制程兼容的超音波平台〉（A flat-panel-display compatible ultrasound platform）一文中，并发表于国际信息显示学会（The Society for Information Display）的2023 年显示周（Display Week 2023） 。声学传感器研发计划Listen2Future是一项欧盟资助的研究计划，进行压电声学换能器的研发和基准检验，拥有横跨七国的27个研究伙伴，由英飞凌科技（Infineon Technology Austria AG）负责协调沟通。

（本文作者Erwin Hijzen与Epimitheas Georgitzikis为imec微机电超音波研究计划负责人）