據麥姆斯咨詢報道，近日，上海理工大學、中國科學院上海微系統與信息研究所、上海大學的研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了題為“Beyond fundamental resonance mode: high-order multi-band ALN PMUT for in vivo photoacoustic imaging”的論文，提出了一種應用于光聲（PA）成像系統的高階多波段氮化鋁（AlN）壓電式微機械超聲換能器（PMUT）陣列，以提高其成像分辨率。

在體模實驗中，與基頻諧振模式下的分辨率相比，三階和四階諧振模式下的分辨率分別提高了38.7%和76.9%，表明此次提出的AlN PMUT陣列在提高光聲成像分辨率應用方面具有巨大的潛力。

自19世紀80年代Alexander Bell報道了光聲效應以來，這一現象已在氣體傳感和生物醫學成像等各個領域得到研究。光聲成像是一種由激光激發和超聲接收組成的物理過程。當粒子被短脈沖激光束照射時，由于粒子的光吸收，會發生瞬時熱膨脹和收縮。膨脹和收縮產生可以被超聲換能器接收的聲波。

隨著光聲成像（PAI）成為21世紀新興和快速發展的成像技術，研究人員利用光聲成像提供了多樣化生物醫學信息，并幫助生物和臨床科學家更好地了解生物組織的某些維度。因此，光聲成像已成為一個新興的研究領域，通過揭示功能和形態學信息來補充超聲成像（USI）。

光聲成像系統基于最先進的超聲換能器開發而成，具有高空間分辨率、更大的成像深度、豐富的光學對比度，以及更小、更快和更便宜等特點。光聲成像對于乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌和結直腸癌等早期癌癥檢測是有效的。由于激發激光在人體組織中的強烈衰減，圖像深度仍被限制在5cm以內，?這使得系統很難診斷人體內部的深層信息，例如內臟中的血管。

因此，具有微型化技術的內窺鏡成像受到高度關注。傳統的塊體型壓電換能器在內窺鏡中的使用受到其尺寸和制造工藝的限制。幸運的是，微機電系統（MEMS）技術可以為內窺鏡光聲成像應用提供微型化換能器的解決方案。基于MEMS技術的超聲換能器可以分為兩種類型：壓電式微機械超聲換能（PMUT）和電容式微機械超聲換能器（CMUT）。

CMUT具有高靈敏度和可調諧寬帶寬的優點，然而，它們需要高偏置電壓或其他電壓降低技術，這可能會在生物醫學活體成像應用中造成安全風險。相比之下，PMUT由于其無源性，在活體應用中更靈活、更安全。

PMUT通常根據工作模式分為兩類：厚度擴展模式（TEM）和彎曲振動模式（FVM）。基于陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）和鈮酸鋰（LiNbO3）等不同類型的TEM PMUT已經被制造并應用于光聲成像中。

基于單晶PMN-PT和陶瓷PZT的TEM PMUT由于PZT和PMN-PT的優異壓電常數而兼具高頻率和高靈敏度。然而，TEM PMUT在光聲成像應用中存在成像速度低的缺點。基于PVDF的PMUT具有帶寬寬的優點，但PVDF壓電常數非常低，因此必須將換能器制造得很大，以確保其具有足夠的靈敏度來檢測光聲信號。基于LiNbO3、PMN-PT或PZT薄膜的PMUT可以被制造成更小的尺寸，但其工藝與CMOS技術不兼容。

與TEM PMUT相比，FVM PMUT具有相對較低的聲阻抗，并且更容易集成多個頻段。此外，FVM PMUT更容易被制造和形成更高靈敏度、更大帶寬和更多功能的陣列。在過去的幾十年中，ZnO、PZT和AlN薄膜被廣泛應用于制造FVM PMUT。

與ZnO和PZT相比，AlN具有更好的化學和熱穩定性以及生物安全性，并且AlN PMUT器件制造工藝也與CMOS制造工藝兼容，這使得CMOS-MEMS單片換能器芯片成為可能。此外，對于FVM壓電MEMS換能器，傳感靈敏度與e3.1.f/?33.f（e3.1.f：壓電常數，?33.f：介電常數）成正比，因此，與PZT相比，AlN薄膜因其較小的介電常數而具有更高的靈敏度，成為制造FVM PMUT的首選。最近，基于AlN薄膜的FVM PMUT已被應用于超聲成像、指紋識別和光聲等領域。

在光聲成像中，橫向和軸向分辨率都會影響成像質量。橫向分辨率由光學激發和超聲檢測的重疊性決定。軸向分辨率源于光聲信號的半峰全寬（FWHM），并且與聲探測器的帶寬成正比。通常，光聲信號具有寬帶寬的短脈沖輪廓。為了獲得高保真度的光聲信號，必須使用具有寬帶寬的聲學傳感器。因此，擴展超聲換能器的帶寬對于提高光聲成像分辨率至關重要。

為了解決用于光聲成像的FVM PMUT帶寬較小的挑戰，目前有兩種方法來擴展超聲換能器的帶寬：將多個不同尺寸（不同諧振頻率）的PMUT組合成一個陣列，以及設計具有多個諧振模式的矩形結構PMUT。

基于此，研究團隊提出了一種應用于光聲成像的圓形AlN PMUT陣列（如圖1所示），該陣列利用PMUT的高階諧振模式提高成像分辨率。圖2（a）顯示了提出的FVM PMUT陣列的制造工藝流程，他們制造了陣列并將其應用于光聲成像系統中。

通過激光多普勒振動測量、電阻抗測量和光聲信號傳感，他們對制造的PMUT的多頻段諧振特性進行了表征和分析。基頻和三個高階諧振帶寬分別為2.2、8.8、18.5和48.2?kHz。在體模實驗中，與基頻諧振模式下的分辨率相比，三階和四階諧振模式下的分辨率分別提高了38.7%和76.9%。提出的AlN PMUT傳感器陣列的高階諧振模式為光聲信號檢測提供了更高的中心頻率和更寬的帶寬，從而提高了光聲成像的分辨率。

圖1 研究人員提出的AlN PMUT及其振型分析

圖2 PMUT陣列的制造工藝流程及光聲成像實驗設計示意圖

圖3 樣本的光聲成像實驗結果

圖4 人手的活體光聲成像表征

他們還利用AlN PMUT陣列的高階諧振模式在人體手指關節上進行了活體光聲成像實驗測試，如圖4所示。結果表明，該光聲成像系統具有區分不同層段血管的能力，與實際解剖位置非常接近。綜上，提出的高階多波段AlN PMUT陣列在提高光聲成像分辨率應用方面具有巨大的潛力。

未來，團隊的目標是制造和開發一種完整的將光纖、掃描儀和PMUT陣列完全集成的內窺鏡。此外，具有特殊電極或結構設計的高階PMUT可能會表現出更好的帶寬性能，并可進一步探索其光聲成像應用。

這項研究工作得到了國家自然科學基金（61874073）、上海市自然科學基金（19ZR1477000）、臨港實驗室（LG-QS-202202-05）、上海臨床研究與試驗中心（2022A0305-418-02）和浦江人才計劃（19PJ1432300）的支持。

審核編輯：劉清