用于光声成像的多频MEMS超声换能器设计、制造与表征
2026-05-02 10:30:42 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
异构MEMS几何结构的集成为光声成像实现宽带灵敏度提供了可行方案，在兼顾微型化和可制造性的前提下，提升了成像空间分辨率和深度选择能力。
微机电系统（MEMS）已成为提升光声成像（PAI）系统性能的一项变革性技术。光声成像融合了光声效应所提供的光学对比度与超声波深层组织穿透能力，是一种混合成像模式，在生物医学应用领域具有广阔的应用前景。传统的光声成像平台依赖于常规块体型超声换能器；然而，MEMS器件近年来已成为一种极具吸引力的替代方案，提供了新功能和扩展能力。
据麦姆斯咨询报道，近期，加拿大魁北克大学高等技术学院面向光声成像应用，开展了多频工作的MEMS超声换能器的设计、制造及实验表征。所提出器件在紧凑型结构内集成了圆形振膜、悬浮十字振膜、锚定十字振膜和悬臂梁阵列等多种谐振几何结构，从而突破了传统MEMS超声换能器固有的窄频率响应瓶颈。所有器件均采用PiezoMUMPs商用微加工工艺制备，通过有限元模拟指导模态优化，并利用激光多普勒振动测量技术在空气中进行实验验证。结果表明，多结构复合型MEMS器件能够克服传统压电换能器的带宽限制。异构MEMS几何结构的集成为光声成像实现宽带灵敏度提供了可行方案，在兼顾微型化和可制造性的前提下，提升了成像空间分辨率和深度选择能力。相关研究成果以“Design, Fabrication and Characterization of Multi-Frequency MEMS Transducer for Photoacoustic Imaging”为题发表于Micromachines期刊。
这项研究的主要目标是设计和表征能够补偿单个谐振器固有窄频率响应的复合型MEMS微结构，所提出的方案侧重于在单个器件内集成多种谐振几何结构。该策略旨在突破传统MEMS结构的局限性，并使其有望替代传统超声探头应用于光声成像系统。为此，研究人员设计和制造了一系列MEMS微结构，包括不同的几何构型和复杂的机械布局。整体设计目标是最大化单芯片上谐振频率的数量和频谱分布，从而实现适合高分辨率光声成像的宽带响应特性。器件采用法国MEMSCAP的PiezoMUMPs工艺制备，微结构的横截面如图1所示。
图1 微结构的横截面
圆形振膜MEMS超声换能器
首先制备的结构是直径为300 µm的圆形振膜（如图2）。虽然圆形振膜具有良好的灵敏度，但其品质因子（Q-factor）较高，会产生界限清晰的共振峰。这种窄带响应对于光声成像而言并不理想，因为宽频率范围对于实现高空间分辨率和深度分辨率成像性能至关重要。
图2 圆形振膜微结构
为解决这一限制，研究人员设计了复杂的几何结构，旨在拓宽频率响应并实现多种高振幅共振模态。此类设计有望在更宽的频谱范围内提高灵敏度，从而增强对不同组织深度和不同光吸收对比度所产生的多变频率光声信号的适应性。这种多频特性有效提升了换能器在光声成像中的潜在应用价值，使其能同时成像表层精细结构和更深层的组织。
悬浮十字结构MEMS超声换能器
该微观结构设计侧重于将多个悬臂梁、悬浮膜以及专门设计以展现高振动幅度的中心区域进行集成。这种结构被称为悬浮十字结构，旨在通过将具有不同刚度、质量和边界条件的机械特性各异子结构整合到单一连续架构中，从而促进多模态共振行为。如图3所示，该器件中心膜片区域由四条侧悬臂支撑，每条侧臂均与衬底部分机械解耦，以增大动态位移范围并允许各模态产生独立贡献。
图3 悬浮十字微结构
十字结构MEMS超声换能器
该微结构设计采用中央悬浮膜，由四条对称排列、向内指向的锚定臂支撑，形成被称为十字微结构的架构。如图4所示，这种几何结构旨在促进中心区域的集中振动响应，而周围的支撑结构则最大限度地减少了对振膜的约束，并有助于提升扭转频率响应。不同于传统采用细长的机械特性各异悬臂梁的设计，这种结构简洁而高效，通过四条窄锚定臂连接的中央悬浮膜来实现宽带振动响应。有限元模拟表明，器件主导共振模局限于中心膜内，峰值响应约为275 kHz，对应其基本弯曲振动。
图4 十字微结构
悬臂梁组合MEMS超声换能器
最后一种设计采用封闭式框架结构，其中包含一组长度不同但宽度均匀的悬臂梁阵列。悬臂梁长度范围为115 μm至25 μm，而宽度始终保持在50 μm。这种结构设计旨在利用每种悬臂梁几何形状对应的差异化机械响应，从而产生一组覆盖宽频范围、分布密集且分布均匀的共振模式。如图5所示，各个悬臂梁对应的共振模态分布于整个频谱中。
图5 悬臂梁组合微结构
表征结果
研究人员利用德国Polytec的激光多普勒测振仪（LDV），对所制备的MEMS微结构的振动响应进行了实验表征。图6展示了圆形振膜微结构的实测频率响应曲线。图7展示了悬浮十字结构设计的实测频率响应，通过将中心膜与部分解耦的悬臂梁相结合，引入了频谱多样性。
图6 圆形振膜微结构的振动响应
图7 悬浮十字微结构的振动响应
总结
综上所述，这项研究验证了宽带多频响应MEMS超声换能器用于光声成像的可行性。通过对四种不同几何结构的比较分析，表明结构复杂性和模态多样性对拓展频率覆盖范围、提升光声信号频谱适配需求至关重要。未来研究工作将侧重于优化这些结构设计和制造工艺，以提升机械对称性和电气集成度，并且评估原位光学激励条件下的光声探测灵敏度。将此类MEMS超声换能器集成于紧凑型成像阵列中，为实现高分辨率、实时生物医学成像提供了重要支撑，尤其适用于在需要在空间分辨能力和成像深度之间进行权衡的应用场景。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17010122
延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》