革命性醫療成像 imec用非侵入超音波監測心臟

比利時微電子研究中心（imec）的研究人員，推出為超音波成像應用所開發的創新第二代壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組。該數組具備一層氮化鋁鈧（AlScN）壓電層，在水中實現優異的影像擷取，波束控制深度達到10cm。此次取得的技術突破為曲面感測、革命性醫療成像及監測這類復雜的超音波應用提供了發展條件。近期imec攜手其衍生新創Pulsify Medical，一同推動心臟監測技術朝向非侵入式且無需醫師操作的方向發展。

超音波成像的技術進展
在非侵入性的情況下，透過超音波成像來呈現腹中胎兒影像的聲波應用廣為人知。透過發射高頻聲波到體內，并將其反射波轉換成電訊號，就能建立實時的影像。除了醫療成像，這些聲波也能應用在生物辨識、（汽車或虛擬現實應用的）手勢辨識等其它領域。
超音波換能器目前普遍在半導體廠內制造。針對感測覆蓋面積較大的高分辨率醫療成像應用，大型傳感器是必需，但這對硅基傳感器來說極具挑戰，因為其單位面積成本（cost per mm2）高昂。

大面積感測成像：壓電式微機械超音波換能器（PMUT）
2021年，imec推出了采用玻璃基板且與平面顯示器（FPD）制程兼容的壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組。這款超音波傳感器可以不用晶圓制程，而是與平面顯示器（FPD）制程兼容，使得符合成本效益的大型組件制造成為可能。
更準確來說，這些換能器數組能與現有的薄膜晶體管背板兼容，而且這種換能器技術不會受到晶圓尺寸的限制，所以才有可能制造出大規模數組。盡管如此，以往的復合壓電材料性能尚不足以滿足高性能醫療成像的需求。


 
圖一 : 第二代壓電式微機械超音波換能器（PMUT）。

現在imec展示了第二代的壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組，采用另一種壓電材料：氮化鋁鈧（AlScN）。
imec聲學傳感器研發計劃Listen2Future的計劃主持人Epimitheas Georgitzikis解釋：「因為我們之前采用玻璃基板來代替結晶硅，就能排除組件面積的限制。與前一代相比，這次開發的下一代壓電式微機械超音波轉換器（PMUT）還展現了10倍的聲壓。」 另也顯示其影像擷取距離高達10cm，水中壓力量測范圍落在7 kPa以上，很適合用于高性能超音波成像。

 
圖二 : 壓電式微機械超音波換能器（PMUT）制程的截面示意圖：（a）選配薄膜晶體管（TFT）和／或彈性層的背板；（b）包含金屬—絕緣體—金屬（MIM）堆棧的前板；（c）把前板接合至背板，并移除前板；（d）金屬穿孔導線，以建立前板與背板之間的電性連接。

 
圖三 : 壓電式微機械超音波換能器（PMUT）的組件特征 附圖顯示本研究所制造的壓電式微機械超音波換能器（PMUT）顯微影像及其腔面的截面圖。

靈活應用超音波成像的開發前景
「下階段發展包含精進這項技術，以及將這款組件調整到不同的特定頻率。這么一來，這項技術將能把大型超音波數組用于像是人體傳感器或是汽車儀表板的曲面感測，推動超音波功能與大型非平面對象的整合，所以創新超音波應用的大好契機將會浮現。」
imec與Pulsify Medical合作，建立了一款用于心臟監測的概念驗證性硬性醫療貼布，推動非侵入性的院外長期監測應用，且無須醫師介入。聲學傳感器研究計劃Listen2Future為歐盟資助的研究計劃部分，目前仍在進一步開發彈性的超音波貼布。
本研究結果詳述于〈一款與平面顯示器制程兼容的超音波平臺〉（A flat-panel-display compatible ultrasound platform）一文中，并發表于國際信息顯示學會（The Society for Information Display）的2023 年顯示周（Display Week 2023） 。聲學傳感器研發計劃Listen2Future是一項歐盟資助的研究計劃，進行壓電聲學換能器的研發和基準檢驗，擁有橫跨七國的27個研究伙伴，由英飛凌科技（Infineon Technology Austria AG）負責協調溝通。

（本文作者Erwin Hijzen與Epimitheas Georgitzikis為imec微機電超音波研究計劃負責人）