在医学成像领域，超声波因其无创、安全和实时监测的特点而备受青睐。然而，传统的超声成像设备往往体积庞大、操作复杂，限制了其在连续监测和快速三维成像方面的应用。近日，中国科学院微电子研究所的研究团队在《自然·微系统与纳米工程》上发表了一项突破性成果，他们开发了一种低电压驱动的微型超声换能器（MEMS ultrasonic phased-array transducer），这种换能器能够实现快速的三维体积成像，为可穿戴超声设备的发展铺平了道路。
该研究的领导者，中国科学院微电子研究所的张云博士表示：“我们的换能器采用了微机电系统（MEMS）技术，通过多层加工技术在MEMS晶片上制造。这种换能器不仅体积小、易于集成，而且能够在低电压下工作，极大地提高了设备的便携性和安全性。”
![]()
研究团队通过将多个微型超声换能器（pMUT cells）分组，形成了一个可以被单个通道驱动的元素。这种设计不仅减少了通道数量，降低了制造成本，还提高了成像的分辨率和深度。在实验中，研究团队展示了一个8×8的元素阵列，能够对血管模型进行快速的三维成像，成像深度达7厘米，帧率高达11kHz。
![]()
该换能器的另一个显著特点是其低电压驱动能力。传统的压电换能器需要高达几十伏的驱动电压，而这种新型换能器仅需5伏的电压即可工作。这意味着它可以更容易地与现有的集成电路技术集成，为开发超声芯片提供了可能。
在实验中，研究团队还开发了一种多层细胞-元素-阵列模型，用于定量分析阵列的性能，特别是细胞间的声学耦合效应。这种模型不仅有助于优化换能器的设计，还能预测其在不同应用场景下的性能。
尽管这种新型换能器在实验中表现出了优异的性能，但研究团队也指出了未来面临的挑战。例如，如何进一步提高换能器的灵敏度和成像深度，以及如何将其与CMOS集成电路技术更好地集成，都是研究团队下一步的工作重点。
这项研究不仅为医学成像领域带来了新的技术突破，也为可穿戴医疗设备的发展提供了新的可能性。随着技术的不断进步，未来我们可能会看到更多轻便、高效的超声成像设备，为疾病的早期诊断和治疗提供强有力的支持。
出处：本文信息来源于《自然·微系统与纳米工程》杂志2024年的文章《A low-voltage-driven MEMS ultrasonic phased-array transducer for fast 3D volumetric imaging》
