具备可调曲率的柔性超声换能器阵列，助力实现高质量的超声成像与治疗
2025-11-02 10:25:55   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可穿戴超声贴片通过提供免手持、长期和持续的诊断与治疗能力，有望彻底革新传统的超声医疗应用。然而，目前的柔性超声换能器无法调控其曲率，并且由于依赖手工制造，面临产率低、设计空间受限等挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国科学技术院（KAIST）、韩国科学技术研究院（KIST）等机构的研究人员组成的团队提出了一种基于柔性-刚性（FTR）技术的柔性电容式微机械超声换能器（CMUT），通过使用低熔点金属合金（LMPA）实现静态可调弯曲曲率调制（图1a）。该FTR方案采用刚性硅膜与衬底，并通过柔性弹性体桥式结构相连接，与基于柔性衬底和薄膜的传统柔性CMUT相比，这种新设计能够实现更高的声功率（图1b）。

图1 柔性电容式微机械超声换能器（CMUT）设计和应用

此外，通过使用低熔点金属合金，所设计的结构还可以维持特定的弯曲曲率，以确保超声波束成形的准确性和静态可调性。这种曲率不是永久性的，可以在向内弯曲和向外弯曲状态之间很容易地改变（图1c）。这一技术突破能够有效地将超声波聚焦到特定距离，而无需额外的波束成形。

为了展示具有曲率调制功能的FTR CMUT技术的应用潜力，研究人员设计并制造了两种不同中心频率的FTR CMUT（3.4 MHz和1.5 MHz，浸没条件下）。通过采用1D FTR CMUT阵列刺激小鼠脾脏，并结合行为实验观察类风湿性关节炎症状缓解情况，成功验证了本文所提出的CMUT器件在长期治疗应用中的潜力。上述研究成果以“Flexible ultrasound transducer array with statically adjustable curvature for anti-inflammatory treatment”为题发表于npj Flexible Electronics期刊。

FTR CMUT设计和制造

CMUT阵列通常由多个超声换能单元构成，每个单元包含若干个电连接的圆形振动膜。每个圆形振动膜是CMUT的基本单元，在静电驱动下产生超声波。典型的CMUT结构完全由刚性材料组成：膜层采用单晶硅，支撑部分采用二氧化硅（SiO₂），衬底则为硅（Si）。为了实现柔性化，研究人员设计了一种FTR结构，使产生超声的每个换能单元仍保持其典型的刚性形式，而单元之间的间隙部分则填充弹性体（图1d和1e）。

研究人员首先设计了一种与标准CMUT制造工艺兼容的晶圆级FTR结构制备方案。FTR制备的典型策略是首先在硅晶圆上制备器件，然后进行晶圆蚀刻以暴露器件之间的间隙。通常，这些器件会通过薄而刚性的悬浮桥式结构固定。研究人员的策略是去除这些刚性桥式结构，改用弹性体填充间隙，从而赋予CMUT器件柔性。

研究人员首先在未集成CMUT的情况下制备了FTR结构，以验证所开发的工艺是否能够准确形成器件间隙并提供足够的弯曲空间。制备的FTR结构的横截面图像显示为预期的梯形结构，角度为54.7°。这种梯形间隙赋予了换能单元之间在向内弯曲和向外弯曲变形时的高度柔性。在2 mm曲率半径的向内弯曲和向外弯曲变形状态下，FTR结构能够弯曲而不会损伤顶部的刚性结构。此外，研究人员还制备了各种形状的FTR结构，例如平面、立方体和闭合花形，以展示制备工艺的多功能性（图1f–1l）。

接下来，研究人员基于所开发的FTR制备工艺制造了一个柔性CMUT（图2a）。该FTR CMUT能够向内和向外平滑弯曲，且在CMUT换能单元上没有任何裂纹或分层（图2c–2e）。扫描电子显微镜（SEM）横截面图像显示，电极（100 nm）、薄膜（450 nm）、真空腔（150 nm）以及绝缘层（100 nm）的尺寸与掩膜设计高度一致（图2f）。

图2 FTR CMUT制造

FTR CMUT声学特性

研究人员在油中测试了FTR CMUT的声学特性，包括中心频率、分数带宽、发射声压和接收灵敏度。他们在48 V直流电压上叠加了峰-峰值为15.8 V、脉宽为100 ns的输入脉冲，以评估其脉冲响应。测得该器件在油中的中心频率为3.43 MHz，−3 dB分数带宽为113%，远高于典型压电换能器的带宽，使单个CMUT能在宽频范围内产生充足声压（图3a）。

图3 FTR CMUT声学特性

研究人员还通过测量商用换能器产生的声压来评估FTR CMUT的接收特性，并将其特性与商用水听器进行了比较。在固定的直流偏压下，随着商用换能器产生的声压增加，FTR CMUT的输出幅值线性增加，这与预期一致（图3d和3e）。在50 V偏压下，其接收灵敏度估算为332.57 V/kPa。该CMUT在发射与接收模式下均表现出鲁棒的功能性和可靠性，确保即使采用FTR结构也能实现有效的信号发射与接收。

FTR CMUT弯曲曲率调制

研究人员设计了一种方案来调制柔性FTR CMUT的弯曲状态，通过在底部衬底上放置一层薄的LMPA，并利用LMPA的直接焦耳加热来改变和固定1D FTR CMUT的曲率。由于Cerrolow 117的熔点为47.2°C，在较高温度下可将FTR CMUT的曲率调整至目标角度，当温度降至熔点以下时弯曲状态即被固定。在FTR结构中，LMPA置于硅岛（silicon island）之间，并与硅岛底部衬底共享电气连接，对应于CMUT的接地端。因此，通过在FTR CMUT接地端两端施加直流电压，即可利用焦耳热效应诱导LMPA发生相变，实现曲率调制。

图4 基于焦耳热诱导LMPA相变的FTR CMUT曲率调制

使用FTR CMUT进行类风湿性关节炎的非侵入性治疗

为了展示柔性超声换能器在非侵入性自身炎症性疾病治疗中的应用潜力，研究人员利用1.5 MHz的FTR CMUT对胶原诱导性关节炎（CIA）小鼠模型的脾脏进行了超声刺激，并验证了其对类风湿性关节炎（RA）的治疗效果。

研究人员在超声刺激前后（即6周与8周时间）测量了小鼠四个踝关节的厚度和其体重，并比较了临床评分，以监测超声刺激对类风湿性关节炎的治疗效果。结果显示，CIA小鼠在超声刺激后踝关节厚度明显减小（图5b）。通过评估临床评分并比较刺激前后的变化，刺激组的小鼠类风湿性关节炎程度有所改善，而假刺激组和模型组的症状均有所加重（图5e和5f）。

图5 超声刺激脾脏对类风湿性关节炎（RA）的治疗作用

小结

综上所述，这项研究设计了一种基于FTR结构的柔性CMUT。由于超声换能器被置于刚性岛状结构中，FTR结构使该柔性换能器展现出与标准刚性CMUT相当的电学和声学特性。此外，通过使用低熔点金属合金（LMPA）实现了曲率调制。由于超声阵列中换能单元位置的微小变化会显著影响超声波束的分布，因此能够将曲率精确调制到已知值至关重要。通过使用具有曲率调制功能的柔性CMUT，研究人员对小鼠进行了器官特异性神经调控，以减轻类风湿性关节炎症状。超声刺激脾脏两周后，小鼠四个脚踝的厚度减小，步态得到改善。由于超声波能够深层穿透人体，并可通过可控波束以聚焦方式传递，这为可穿戴超声换能器及治疗系统在家庭医疗领域提供了广阔的应用前景。尽管本研究展示的是1D阵列，但后续工作包括将LMPA曲率调制与FTR制备技术扩展到2D超声换能器阵列，以同时实现高质量的超声成像与治疗。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-025-00484-7

延伸阅读：

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》