聚焦超聲換能器的研究現狀與發展

吳 妍，費春龍，楊新宇，陳 俊，周歧發

(西安電子科技大學 微電子學院,陜西 西安 710071)

0 引言

不論是醫院中的成像檢測設備或是某些疾病的治療方案[1-2]，還是工商業所需要的質量評估[3-4]，隨處可見超聲。根據應用領域的不同，對超聲的分辨率、強度或焦距等性能要求都各不同。然而在實際應用中，超聲的性能常由于傳播中的衰減而無法達到期望中的效果，如何提升超聲性能將是超聲發展前景的主要問題。聚焦是一種有效提高超聲性能的方法，對于單陣元換能器，常見的聚焦方式有球壓聚焦、透鏡聚焦、自聚焦及對壓電材料進行造窩。對于陣列換能器，主要是通過控制不同陣元間的信號延遲來達到聚焦的效果。單陣元聚焦方式種類繁多，且各有其適用的領域。本文將介紹各類單陣元聚焦方式，并概覽單陣元聚焦的未來發展趨勢。

1 球壓聚焦

圖1 球壓聚焦示意圖

球壓聚焦示意圖如圖1所示。在超過60 ℃的環境下，用給定曲率半徑的鐵球對壓電材料施加壓力，從而使壓電材料自身發生形變。模具在室溫中冷卻后，達到一定的聚焦效果。對于高靈敏度換能器，使用透鏡聚焦會導致聲能的損耗增加，由此帶來靈敏度下降等問題[5]。對此，通常采用改變壓電材料的形狀以實現聚焦，球壓聚焦是一種廣為人知的方法。由于壓電單晶及壓電陶瓷的易碎性，球壓聚焦易導致這兩類壓電材料形成短路等不良后果，故球壓聚焦較適用于復合壓電材料。此外，對于做高溫應用的超聲換能器，球壓聚焦不再適用，主要是因為焦點會發生松弛[6]。

1994年, Lockwood等提出了球壓聚焦這一方式，隨后在高頻超聲成像領域得到了廣泛應用。這一聚焦方式不僅易實現，同時可實現雙匹配層，進而提升換能器性能的可能性。Jonathan M. Cannata等對基于鈮酸鋰單晶的20～80 MHz單陣元換能器的聚焦方式進行討論[7]，如圖2所示。結果表明，盡管球壓聚焦會帶來機電損耗，但相較于在高頻超聲應用中使用透鏡聚焦而帶來衰減，其更適用于生產高靈敏度的高頻器件。據此，Chunlong Fei等于2016年將這一聚焦方式應用于超高頻換能器[8]，從而打破了此類換能器做成像應用時空間分辨率與靈敏度之間的矛盾。圖3為球壓超高頻換能器及其成像應用[8]。由圖可知，該換能器對斑馬魚眼的成像結果也證明了球壓聚焦換能器的高分辨率特性。

圖2 球壓聚焦換能器與透鏡聚焦換能器

圖3 球壓超高頻換能器及其成像應用

2 透鏡聚焦

聲學透鏡是一種有效實現聲波聚焦的方式，根據聲波的聚焦原理，傳統聲學透鏡結構分為兩種，即當聲波的前端介質聲速大于透鏡聲速時，聲學聚焦選用凹透鏡，結構如圖4所示。反之，則選用凸透鏡[9]。在實際應用中，透鏡材料的聲速小于介質聲速，所以大部分聚焦聲透鏡均為凹透鏡。

圖4 傳統聲學凹透鏡示意圖

透鏡這一聚焦方式在各頻率單陣元聚焦中均得到了廣泛的應用。Jonathan M. Cannata等在對一系列高頻換能器聚焦時，均采用環氧(MA)制作的聲透鏡[6]。透鏡曲率半徑δ和實際焦距f的關系為f=δ/(1-c2/c1)，其中c1、c2分別為透鏡和前端介質的聲速。由于透鏡具有連續變化的厚度，從而使帶寬大幅度提高。唯一不足是對于焦距與壓電元件直徑之比小于2.5的換能器，透鏡邊緣厚度會導致波束切趾及器件靈敏度下降。

在單波束聲鑷及超聲顯微鏡等超高頻換能器應用中，透鏡成為不可或缺的一部分。通常在超高頻范圍內，透鏡是基于在藍寶石或硅襯底上研磨或刻蝕形成球形空腔以實現聚焦效果[10-11]，結構如圖5所示，并在透鏡另一面濺射ZnO或AlN薄膜作為壓電材料。由于透鏡邊緣會出現較強回波，A. Jakob等提出了如圖6所示的結構[12]，從而使邊緣回波在時間軸上遠離來自反射體的回波。然而，ZnO這種壓電材料在超高頻范圍內信號幅度過小，從而導致換能器性能較差。傳統鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3, PZT)壓電材料的機電性能雖然良好，但因其厚度難以達到10 μm內而應用受到局限。為解決這一問題，金屬有機氣相淀積及溶膠-凝膠等方法被提出[13]，使用透鏡聚焦的超高頻換能器有望達到更好的性能。

圖5 刻蝕Si透鏡

圖6 削弱邊緣回波的透鏡結構

除去傳統透鏡，菲涅爾透鏡的應用從光學領域發展到了聲學領域。特別是在無接觸式微粒操縱領域中，傳統光鑷使用的激光光源不僅價格貴,且會對細胞造成熱能損傷。因此，You-Lin Tu等提出了一種基于菲涅爾透鏡的多捕獲聲鑷[14]，透鏡結構如圖7所示。PZT與聚對二甲基苯(parylene)間的空氣環阻礙了大部分聲波穿過。基于這一透鏡結構的聲鑷不僅可以實現有效的微粒操縱，還可以同時捕獲大量微粒，為一些特殊應用提供了有效的方法。圖7中，Wn為環形區域的徑向寬度,r2n-1,r2n為不同環形區域到原點的距離。

圖7 菲涅爾透鏡

3 自聚焦

J. M. Cannata等于2007年提出自聚焦方法[15]，解決了超高頻換能器在傳統聚焦方式下壓電材料高頻易碎的問題，結構剖面如圖8所示。這種聚焦方式的原理是對背襯材料進行形變，以形成所需要的聚焦曲率[16]。壓電材料直接以濺射的形式附著在背襯材料上，從而形成聚焦的效果。以這種方法制作出的超聲換能器，其性能主要取決于背襯材料的形變面粗糙程度，所以在工藝中盡可能使表面足夠光滑。但能用來濺射的壓電材料種類有限，故這一聚焦方式無法得到廣泛應用。

圖8 自聚焦結構剖面圖[15]

ZnO和AlN是最常用的兩種濺射壓電材料。AlN的化學及熱學穩定性優于ZnO，其最大優點是有很高的縱向波速，這使AlN適用于高頻換能器。但AlN的壓電性能較弱，Benpeng Zhu及Chunlong Fei等提出將Sc摻雜的AlN應用于自聚焦高頻換能器[17]，如圖9所示。結果表明，這一換能器頻率高達230 MHz，且橫向波束寬度僅為8.2 μm，可以實現很好的微粒操縱效果。此外，ZnO的機電耦合系數大于AlN，更適用于醫學成像換能器。應用這一聚焦方式制作的超聲換能器，通常采用Al作為背襯材料。主要原因是Al易加工成所需要的聚焦結構，具有導電性，可以充當底部電極，并且熔點高于濺射時的工作溫度。

圖9 AlScN自聚焦換能器

拋開傳統意義的自聚焦來說，Q. F. Zhou等于2007年也提出了一種基于硅工藝的自聚焦方式，整個換能器的制作流程在硅襯底上完成[18]。首先用KOH刻蝕硅晶片形成一個方孔，在孔上放置一個不銹鋼球，整個過程在融化的石蠟中進行。等待石蠟在室溫下凝固后將不銹鋼球取出，淀積D型parylene作為之后所有結構的支撐層，并用甲苯溶劑去除石蠟。隨后依次淀積底部電極Al、壓電材料ZnO和頂部電極Al。在最后一步進行前先將換能器切出來，去除D型parylene后制作背襯層，最后在表面淀積C型parylene作為匹配層。這一換能器中心頻率高達200 MHz，-6 dB相對帶寬為28%，為微結構生物醫學成像提供了廣闊的前景。

4 機械造窩

在制造高靈敏度換能器時，使用壓電陶瓷或壓電單晶作為壓電材料，采用球壓聚焦易使壓電材料破碎而導致短路，使用透鏡聚焦則會降低器件靈敏度，因而使聚焦換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環狀壓電材料構成的非均勻厚度換能器，如圖10所示[19]。結果表明，與同尺寸40 MHz單陣元平面換能器相比，這種非均勻厚度換能器擁有更大的帶寬，同時保持了原本較好的靈敏度，更有利于成像應用。

圖10 非均勻厚度換能器俯視圖

2012年，K.H. Lam等提出對壓電材料進行造窩以實現聚焦[20]，如圖11所示。采用尺寸2 mm×2 mm、厚0.4 mm的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, PMN-PT)作為壓電材料，制造出頻率約5 MHz、帶寬高達63.5%的聚焦換能器。另外，換能器的有效機電耦合系數顯著提高，聚焦波束更精細，表明這一聚焦方式更適用于高分辨率應用。

圖11 造窩聚焦

這一新興聚焦方式提出后，迅速在各種換能器的制作上得以應用。Chunlong Fei等于2017年提出了使用機械造窩聚焦的血管內超聲換能器(ivus)[21]，如圖12所示。結果表明，造窩使該30 MHz換能器比平面換能器擁有更大的帶寬及更好的空間分辨率。然而，造窩這一聚焦方式會使雙匹配層機制的實現變難，通過研究雙匹配層機制，這種聚焦換能器的性能將會進一步提升。

圖12 應用機械造窩聚焦的血管內超聲換能器

5 新型聚焦方式與展望

除前文所述的一些基本聚焦方式外，越來越多的新型聚焦方式蜂擁而出。有的是對超聲換能器表面結構進行改造，使發射出的聲波直接實現聚焦；也有的方法是將一些特殊結構置于聲場中，使入射聲波發生反射，從而產生聚焦效果。

2016年，Jihun Jang等提出了基于透鏡聚焦和球壓聚焦的雙聚焦法(見圖13)[22]，主要應用于皮膚表皮的小體積凝聚物消除。這一應用要求超聲換能器具有較大的直徑，以產生高能量且較淺的聚焦深度。結果表明，使用雙聚焦可以有效地將焦距從15.2 mm減小至10.2 mm，焦距與壓電元件直徑之比從1.52減小至1.02，從而滿足了這一應用的需求。

圖13 雙聚焦示意圖

最近，一種名為超表面的結構在聲聚焦及聲隱身等領域備受關注。超表面主要是指具有亞波長周期性排列縫隙的薄板，通過不同的周期性結構以實現不同的聲場調控效果。圖14(a)為Yi-Fan Zhu等提出的一種多頻聲學超表面結構(MFAMs)[23]，入射聲波遇到超表面后反射以形成聚焦。這一結構既可以在基頻下工作，又可以在其諧振頻率下工作，打破了基于共振的傳統超表面結構的單一工作頻率限制。2016年,Rasha Al Jahdali等提出了一種應用于水中的卷曲空間聲透鏡結構[24]，結構如圖14(b)所示。通過改變卷曲空間中的填充材料，使透鏡與聲傳播介質的阻抗匹配，實現了較寬頻率范圍內的高能量傳輸。目前，超表面的工作頻率超過1 MHz未見報道，高頻應用有待進一步研究。此外，超表面結構有望應用于超聲換能器前端，需要克服的主要問題是阻抗匹配及工作頻率的限制。

圖14 多頻聲學超表面與卷曲空間聲透鏡

6 結束語

根據對換能器不同性能的要求，聚焦方式層出不窮。現有的球壓聚焦、透鏡聚焦、自聚焦及對壓電材料進行造窩均有其適合的應用領域，而新型聚焦方式依舊是當下研究熱點，尤其是超表面結構應用于換能器前端將是聚焦方式未來發展的方向。