聚焦超声换能器的研究现状与发展

2019-12-17费春龙杨新宇周歧发

压电与声光 2019年6期

吴妍，费春龙，杨新宇，陈俊，周歧发

(西安电子科技大学微电子学院,陕西西安 710071)

0 引言

不论是医院中的成像检测设备或是某些疾病的治疗方案[1-2]，还是工商业所需要的质量评估[3-4]，随处可见超声。根据应用领域的不同，对超声的分辨率、强度或焦距等性能要求都各不同。然而在实际应用中，超声的性能常由于传播中的衰减而无法达到期望中的效果，如何提升超声性能将是超声发展前景的主要问题。聚焦是一种有效提高超声性能的方法，对于单阵元换能器，常见的聚焦方式有球压聚焦、透镜聚焦、自聚焦及对压电材料进行造窝。对于阵列换能器，主要是通过控制不同阵元间的信号延迟来达到聚焦的效果。单阵元聚焦方式种类繁多，且各有其适用的领域。本文将介绍各类单阵元聚焦方式，并概览单阵元聚焦的未来发展趋势。

1 球压聚焦

图1 球压聚焦示意图

球压聚焦示意图如图1所示。在超过60 ℃的环境下，用给定曲率半径的铁球对压电材料施加压力，从而使压电材料自身发生形变。模具在室温中冷却后，达到一定的聚焦效果。对于高灵敏度换能器，使用透镜聚焦会导致声能的损耗增加，由此带来灵敏度下降等问题[5]。对此，通常采用改变压电材料的形状以实现聚焦，球压聚焦是一种广为人知的方法。由于压电单晶及压电陶瓷的易碎性，球压聚焦易导致这两类压电材料形成短路等不良后果，故球压聚焦较适用于复合压电材料。此外，对于做高温应用的超声换能器，球压聚焦不再适用，主要是因为焦点会发生松弛[6]。

1994年, Lockwood等提出了球压聚焦这一方式，随后在高频超声成像领域得到了广泛应用。这一聚焦方式不仅易实现，同时可实现双匹配层，进而提升换能器性能的可能性。Jonathan M. Cannata等对基于铌酸锂单晶的20～80 MHz单阵元换能器的聚焦方式进行讨论[7]，如图2所示。结果表明，尽管球压聚焦会带来机电损耗，但相较于在高频超声应用中使用透镜聚焦而带来衰减，其更适用于生产高灵敏度的高频器件。据此，Chunlong Fei等于2016年将这一聚焦方式应用于超高频换能器[8]，从而打破了此类换能器做成像应用时空间分辨率与灵敏度之间的矛盾。图3为球压超高频换能器及其成像应用[8]。由图可知，该换能器对斑马鱼眼的成像结果也证明了球压聚焦换能器的高分辨率特性。

图2 球压聚焦换能器与透镜聚焦换能器

图3 球压超高频换能器及其成像应用

2 透镜聚焦

声学透镜是一种有效实现声波聚焦的方式，根据声波的聚焦原理，传统声学透镜结构分为两种，即当声波的前端介质声速大于透镜声速时，声学聚焦选用凹透镜，结构如图4所示。反之，则选用凸透镜[9]。在实际应用中，透镜材料的声速小于介质声速，所以大部分聚焦声透镜均为凹透镜。

图4 传统声学凹透镜示意图

透镜这一聚焦方式在各频率单阵元聚焦中均得到了广泛的应用。Jonathan M. Cannata等在对一系列高频换能器聚焦时，均采用环氧(MA)制作的声透镜[6]。透镜曲率半径δ和实际焦距f的关系为f=δ/(1-c2/c1)，其中c1、c2分别为透镜和前端介质的声速。由于透镜具有连续变化的厚度，从而使带宽大幅度提高。唯一不足是对于焦距与压电元件直径之比小于2.5的换能器，透镜边缘厚度会导致波束切趾及器件灵敏度下降。

在单波束声镊及超声显微镜等超高频换能器应用中，透镜成为不可或缺的一部分。通常在超高频范围内，透镜是基于在蓝宝石或硅衬底上研磨或刻蚀形成球形空腔以实现聚焦效果[10-11]，结构如图5所示，并在透镜另一面溅射ZnO或AlN薄膜作为压电材料。由于透镜边缘会出现较强回波，A. Jakob等提出了如图6所示的结构[12]，从而使边缘回波在时间轴上远离来自反射体的回波。然而，ZnO这种压电材料在超高频范围内信号幅度过小，从而导致换能器性能较差。传统锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3, PZT)压电材料的机电性能虽然良好，但因其厚度难以达到10 μm内而应用受到局限。为解决这一问题，金属有机气相淀积及溶胶-凝胶等方法被提出[13]，使用透镜聚焦的超高频换能器有望达到更好的性能。

图5 刻蚀Si透镜

图6 削弱边缘回波的透镜结构

除去传统透镜，菲涅尔透镜的应用从光学领域发展到了声学领域。特别是在无接触式微粒操纵领域中，传统光镊使用的激光光源不仅价格贵,且会对细胞造成热能损伤。因此，You-Lin Tu等提出了一种基于菲涅尔透镜的多捕获声镊[14]，透镜结构如图7所示。PZT与聚对二甲基苯(parylene)间的空气环阻碍了大部分声波穿过。基于这一透镜结构的声镊不仅可以实现有效的微粒操纵，还可以同时捕获大量微粒，为一些特殊应用提供了有效的方法。图7中，Wn为环形区域的径向宽度,r2n-1,r2n为不同环形区域到原点的距离。

图7 菲涅尔透镜

3 自聚焦

J. M. Cannata等于2007年提出自聚焦方法[15]，解决了超高频换能器在传统聚焦方式下压电材料高频易碎的问题，结构剖面如图8所示。这种聚焦方式的原理是对背衬材料进行形变，以形成所需要的聚焦曲率[16]。压电材料直接以溅射的形式附着在背衬材料上，从而形成聚焦的效果。以这种方法制作出的超声换能器，其性能主要取决于背衬材料的形变面粗糙程度，所以在工艺中尽可能使表面足够光滑。但能用来溅射的压电材料种类有限，故这一聚焦方式无法得到广泛应用。

图8 自聚焦结构剖面图[15]

ZnO和AlN是最常用的两种溅射压电材料。AlN的化学及热学稳定性优于ZnO，其最大优点是有很高的纵向波速，这使AlN适用于高频换能器。但AlN的压电性能较弱，Benpeng Zhu及Chunlong Fei等提出将Sc掺杂的AlN应用于自聚焦高频换能器[17]，如图9所示。结果表明，这一换能器频率高达230 MHz，且横向波束宽度仅为8.2 μm，可以实现很好的微粒操纵效果。此外，ZnO的机电耦合系数大于AlN，更适用于医学成像换能器。应用这一聚焦方式制作的超声换能器，通常采用Al作为背衬材料。主要原因是Al易加工成所需要的聚焦结构，具有导电性，可以充当底部电极，并且熔点高于溅射时的工作温度。

图9 AlScN自聚焦换能器

抛开传统意义的自聚焦来说，Q. F. Zhou等于2007年也提出了一种基于硅工艺的自聚焦方式，整个换能器的制作流程在硅衬底上完成[18]。首先用KOH刻蚀硅晶片形成一个方孔，在孔上放置一个不锈钢球，整个过程在融化的石蜡中进行。等待石蜡在室温下凝固后将不锈钢球取出，淀积D型parylene作为之后所有结构的支撑层，并用甲苯溶剂去除石蜡。随后依次淀积底部电极Al、压电材料ZnO和顶部电极Al。在最后一步进行前先将换能器切出来，去除D型parylene后制作背衬层，最后在表面淀积C型parylene作为匹配层。这一换能器中心频率高达200 MHz，-6 dB相对带宽为28%，为微结构生物医学成像提供了广阔的前景。

4 机械造窝

在制造高灵敏度换能器时，使用压电陶瓷或压电单晶作为压电材料，采用球压聚焦易使压电材料破碎而导致短路，使用透镜聚焦则会降低器件灵敏度，因而使聚焦换能器的制造陷入困境。2009年，Jian-Hung liu等首次提出了由不同厚度同心环状压电材料构成的非均匀厚度换能器，如图10所示[19]。结果表明，与同尺寸40 MHz单阵元平面换能器相比，这种非均匀厚度换能器拥有更大的带宽，同时保持了原本较好的灵敏度，更有利于成像应用。

图10 非均匀厚度换能器俯视图

2012年，K.H. Lam等提出对压电材料进行造窝以实现聚焦[20]，如图11所示。采用尺寸2 mm×2 mm、厚0.4 mm的铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, PMN-PT)作为压电材料，制造出频率约5 MHz、带宽高达63.5%的聚焦换能器。另外，换能器的有效机电耦合系数显著提高，聚焦波束更精细，表明这一聚焦方式更适用于高分辨率应用。

图11 造窝聚焦

这一新兴聚焦方式提出后，迅速在各种换能器的制作上得以应用。Chunlong Fei等于2017年提出了使用机械造窝聚焦的血管内超声换能器(ivus)[21]，如图12所示。结果表明，造窝使该30 MHz换能器比平面换能器拥有更大的带宽及更好的空间分辨率。然而，造窝这一聚焦方式会使双匹配层机制的实现变难，通过研究双匹配层机制，这种聚焦换能器的性能将会进一步提升。

图12 应用机械造窝聚焦的血管内超声换能器

5 新型聚焦方式与展望

除前文所述的一些基本聚焦方式外，越来越多的新型聚焦方式蜂拥而出。有的是对超声换能器表面结构进行改造，使发射出的声波直接实现聚焦；也有的方法是将一些特殊结构置于声场中，使入射声波发生反射，从而产生聚焦效果。

2016年，Jihun Jang等提出了基于透镜聚焦和球压聚焦的双聚焦法(见图13)[22]，主要应用于皮肤表皮的小体积凝聚物消除。这一应用要求超声换能器具有较大的直径，以产生高能量且较浅的聚焦深度。结果表明，使用双聚焦可以有效地将焦距从15.2 mm减小至10.2 mm，焦距与压电元件直径之比从1.52减小至1.02，从而满足了这一应用的需求。

图13 双聚焦示意图

最近，一种名为超表面的结构在声聚焦及声隐身等领域备受关注。超表面主要是指具有亚波长周期性排列缝隙的薄板，通过不同的周期性结构以实现不同的声场调控效果。图14(a)为Yi-Fan Zhu等提出的一种多频声学超表面结构(MFAMs)[23]，入射声波遇到超表面后反射以形成聚焦。这一结构既可以在基频下工作，又可以在其谐振频率下工作，打破了基于共振的传统超表面结构的单一工作频率限制。2016年,Rasha Al Jahdali等提出了一种应用于水中的卷曲空间声透镜结构[24]，结构如图14(b)所示。通过改变卷曲空间中的填充材料，使透镜与声传播介质的阻抗匹配，实现了较宽频率范围内的高能量传输。目前，超表面的工作频率超过1 MHz未见报道，高频应用有待进一步研究。此外，超表面结构有望应用于超声换能器前端，需要克服的主要问题是阻抗匹配及工作频率的限制。