MEMS技術，推動超聲波革命

醫療超聲領域正在發生驚人的變化，正在醫院和醫生辦公室中展開。歷史悠久、最先進的超聲波機器被推在推車上，懸掛著電纜和多個探頭，現在正被永久推到一邊，取而代之的是可將圖像發送到手機的手持探頭。

這些設備足夠小，可以放入實驗室外套口袋中，并且足夠靈活，可以對身體的任何部位（從深部器官到淺靜脈）進行成像，并提供全面的 3D 視圖，所有這些都只需一個探頭即可完成。伴隨它們的人工智能可能很快就會使未經訓練的專業人員在任何環境下都可以操作這些設備，而不僅僅是診所中訓練有素的超聲檢查人員。

第一個此類小型手持式超聲探頭于 2018 年上市，來自馬薩諸塞州伯靈頓的Butterfly Network 。去年 9 月，加利福尼亞州圣克拉拉的 Exo Imaging推出了競爭版本。

讓這一切成為可能的是硅超聲技術，該技術使用一種微機電系統 (MEMS) 構建，將 4,000 到 9,000 個傳感器（將電信號轉換為聲波并再次轉換回來的設備）填充到 2 x 3 厘米的硅芯片上。通過將 MEMS 傳感器技術與復雜的電子器件集成在單個芯片上，這些掃描儀不僅可以復制傳統成像和 3D 測量的質量，而且還開辟了以前不可能的新應用。

超聲波如何工作？

要了解研究人員如何實現這一壯舉，了解超聲波技術的基礎知識會很有幫助。超聲波探頭使用換能器將電能轉換為穿透身體的聲波。聲波從身體的軟組織反彈并回波回探頭。然后傳感器將回聲聲波轉換為電信號，計算機將數據轉換為可以在屏幕上查看的圖像。

傳統的超聲探頭包含由壓電晶體板或鈦酸鉛鋯 (PZT) 等陶瓷板制成的換能器陣列。當受到電脈沖撞擊時，這些板會膨脹和收縮，并產生在其內部反彈的高頻超聲波。

為了對成像有用，超聲波需要從平板傳播到患者身體的軟組織和體液中。這不是一項簡單的任務。捕捉這些波浪的回聲就像站在游泳池旁邊試圖聽到有人在水下說話一樣。因此，換能器陣列由多層材料構成，這些材料的剛度從探頭中心的硬壓電晶體平滑過渡到身體的軟組織。

傳輸到體內的能量的頻率主要由壓電層的厚度決定。更薄的層傳輸更高的頻率，這使得在超聲圖像中可以看到更小、更高分辨率的特征，但僅限于淺深度。較厚的壓電材料的較低頻率會更深入地傳播到體內，但分辨率較低。

因此，需要多種類型的超聲波探頭來對身體的各個部位進行成像，頻率范圍為 1 到 10 兆赫茲。為了對身體深處的大型器官或子宮內的嬰兒進行成像，醫生使用 1 到 2 MHz 的探頭，它可以提供 2 到 3 毫米的分辨率，并且可以深入體內 30 厘米。為了對頸部動脈的血流進行成像，醫生通常使用 8 至 10 MHz 探頭。

MEMS 如何改變超聲波

對多個探頭的需求以及小型化的缺乏意味著傳統的醫療超聲系統位于拖在推車上的笨重、四四方方的機器中。MEMS 技術的引入改變了這一點。

在過去三十年中，MEMS 使各行各業的制造商能夠在微觀尺度上制造出精確、極其敏感的元件。這一進步使得高密度換能器陣列的制造成為可能，該陣列可以產生 1 至 10 MHz 范圍內的頻率，從而可以使用一個探頭對體內的各種深度進行成像。

MEMS 技術還有助于小型化附加組件，使所有部件都適合手持式探頭。與智能手機的計算能力相結合，就不再需要笨重的購物車。

第一個基于 MEMS 的硅超聲原型出現于 20 世紀 90 年代中期，當時 MEMS 作為一項新技術的興奮度達到頂峰。這些早期傳感器的關鍵元件是振動微機械膜，它使設備能夠產生振動，就像敲擊鼓在空氣中產生聲波一樣。

出現了兩種架構。其中一種稱為電容式微機械超聲波換能器（CMUT），因其簡單的電容器狀結構而得名。斯坦福大學電氣工程師 Pierre Khuri-Yakub 及其同事演示了第一個版本。

CMUT 基于電容器中的靜電力，該電容器由兩個由小間隙隔開的導電板形成。一塊板——前面提到的微加工膜——由硅或氮化硅制成，帶有金屬電極。另一種——通常是微機械加工的硅晶片基板——更厚、更堅硬。當施加電壓時，在膜和基板上放置相反的電荷，吸引力將膜拉向基板并使其彎曲。當添加振蕩電壓時，力就會改變，導致薄膜振動，就像敲擊的鼓面一樣。

當膜與人體接觸時，振動將超聲波發送到組織中。產生或檢測到多少超聲波取決于膜和基底之間的間隙，該間隙需要在大約一微米或更小處進行測量。微加工技術使這種精度成為可能。

另一種基于 MEMS 的架構稱為 壓電微機械超聲換能器(PMUT)，其工作原理類似于煙霧報警器蜂鳴器的小型化版本。這些蜂鳴器由兩層組成：固定在其外圍的薄金屬盤和粘合在金屬盤頂部的薄且較小的壓電盤。當電壓施加到壓電材料時，它的厚度以及從一側到另一側會膨脹和收縮。由于橫向尺寸更大，壓電盤直徑變化更顯著，并且在此過程中使整個結構彎曲。在煙霧報警器中，這些結構的直徑通常為 4 厘米，它們會產生大約 3 千赫茲的尖叫警報聲。當膜的直徑縮小到 100 μm、厚度縮小到 5 到 10 μm 時，振動會上升到兆赫頻率，使其可用于醫療超聲。

霍尼韋爾 (Honeywell) 在 20 世紀 80 年代初開發了第一批使用硅隔膜上的壓電薄膜的微機械傳感器。直到1996 年，瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的材料科學家 Paul Muralt 的研究成果 才出現了第一批以超聲波頻率運行的 PMUT 。

CMUT 早年

CMUT 面臨的一大挑戰是讓它們產生足夠的壓力，將聲波發送到身體深處并接收返回的回聲。膜的運動受到膜與基底之間極小的間隙的限制。這限制了可以產生的聲波的幅度。將不同尺寸的 CMUT 設備陣列組合到單個探頭中以增加頻率范圍也會損害壓力輸出，因為它減少了每個頻率可用的探頭面積。

這些問題的解決方案來自斯坦福大學的 Khuri-Yakub 實驗室。在2000 年代初期的實驗中 ，研究人員發現，增加 CMUT 類結構上的電壓會導致靜電力克服膜的恢復力。結果，膜的中心塌陷到基底上。

塌陷的薄膜一開始似乎是災難性的，但事實證明這是一種使 CMUT 更高效、更能適應不同頻率的方法。由于接觸區域周圍的間隙非常小，從而增加了那里的電場，因此效率提高了。而且壓力增加是因為邊緣周圍的大環形區域仍然具有良好的運動范圍。此外，只需改變電壓即可調節設備的頻率。反過來，這使得單個 CMUT 超聲探頭能夠高效地產生醫療診斷所需的整個超聲頻率范圍。

從那時起，我們花了十多年的時間來理解和模擬 CMUT 陣列的復雜機電行為并解決制造問題。對這些設備進行建模非常棘手，因為每個 CMUT 陣列中都有數千個單獨的膜相互作用。

在制造方面，挑戰包括尋找合適的材料并開發生產光滑表面和一致間隙厚度所需的工藝。例如，分隔導電膜和基板的薄介電層必須以 1 μm 的厚度承受約 100 伏的電壓。如果該層有缺陷，則電荷可能會注入其中，并且器件可能會在邊緣處或當膜接觸基板時短路，從而損壞器件或至少降低其性能。

不過，最終，荷蘭埃因霍溫的飛利浦工程解決方案公司和新竹的臺積電 (TSMC) 等 MEMS 代工廠開發出了這些問題的解決方案。2010 年左右，這些公司開始生產可靠、高性能的 CMUT。

PMUT 的早期開發

早期的 PMUT 設計也難以產生足夠的壓力來用于醫療超聲。但它們可能足以在某些消費類應用中發揮作用，例如 手勢檢測和接近傳感器。在這種“空中超聲波”用途中，帶寬并不重要，頻率可以低于 1 MHz。

2015 年，隨著用于手機指紋傳感的大型 2D 矩陣陣列的推出，用于醫療應用的 PMUT 獲得了意想不到的提升。在這種方法的首次演示中，加州大學伯克利分校和加州大學戴維斯分校的研究人員將大約 2,500 個 PMUT 元件連接到 CMOS 電子器件，并將它們放置在硅橡膠類層下。當指尖按在表面上時，原型會測量 20 MHz 反射信號的振幅，以區分指尖的脊和指尖之間的氣穴。

這是在硅芯片上集成 PMUT 和電子器件的令人印象深刻的演示，它表明大型 2D PMUT 陣列可以產生足夠高的頻率，可用于淺層特征的成像。但為了實現醫療超聲領域的跨越，PMUT 技術需要更大的帶寬、更大的輸出壓力以及更高效率的壓電薄膜。

總部位于日內瓦的ST 微電子 公司等半導體公司提供了幫助 ，該公司找到了如何將 PZT 薄膜集成到硅膜上的方法。這些薄膜需要額外的加工步驟來保持其特性。但性能的提高使得額外步驟的成本變得值得。

為了實現更大的壓力輸出，壓電層需要足夠厚，以使薄膜能夠承受良好的超聲圖像所需的高電壓。但厚度增加會導致膜變得更堅硬，從而降低帶寬。

一種解決方案是使用橢圓形 PMUT 膜，該膜可有效地將多個不同尺寸的膜組合成一個。這類似于改變吉他弦的長度來產生不同的音調。橢圓形膜以其窄截面和寬截面在同一結構上提供多種長度的串。為了以不同頻率有效地振動膜的較寬和較窄部分，將電信號施加到放置在膜的相應區域上的多個電極。這種方法使 PMUT 在更寬的頻率范圍內保持高效。

從學術界到現實世界

2000 年代初期，研究人員開始將用于醫學超聲的 CMUT 技術推向實驗室并進入商業開發。斯坦福大學針對這個市場成立了幾家初創公司。GE、飛利浦、三星和日立等領先的醫學超聲成像公司開始開發 CMUT 技術并測試基于 CMUT 的探頭。

但直到2011年，CMUT商業化才真正開始取得進展。那一年，一個具有半導體電子經驗的團隊創立了蝴蝶網絡。2018 年 IQ Probe 的推出是一次變革性事件。它是第一個可以通過 2D 成像陣列對全身進行成像并生成 3D 圖像數據的手持式超聲探頭。該探測器的大小與電視遙控器相當，僅稍重一些，最初售價為 1,999 美元，是全尺寸推車式機器成本的二十分之一。

大約在同一時間，東京的日立公司和中國蘇州的 Kolo Medical（以前位于加利福尼亞州圣何塞）將基于 CMUT 的探頭商業化，用于傳統超聲系統。但兩者都不具備與 Butterfly 相同的能力。例如，CMUT 和電子設備沒有集成在同一塊硅芯片上，這意味著探頭具有一維陣列而不是二維陣列。這限制了系統生成 3D 圖像的能力，而這在高級診斷中是必需的，例如確定膀胱體積或查看心臟的同步正交視圖。

Exo Imaging 于 2023 年 9 月推出手持式探頭 Iris，標志著用于醫療超聲的 PMUT 的商業首次亮相。Iris 由具有半導體電子和集成經驗的團隊開發，其尺寸和重量與 Butterfly 的 IQ Probe 大致相同。其 3,500 美元的價格與 Butterfly 最新型號 IQ+ 的售價 2,999 美元相當。

這些探頭中的超聲波 MEMS 芯片尺寸為 2 x 3 厘米，是最大的硅芯片之一，具有機電和電子功能。尺寸和復雜性給器件的均勻性和產量帶來了生產挑戰。

這些手持設備以低功耗運行，因此探頭的電池重量輕，在設備連接到手機或平板電腦時可持續使用幾個小時，并且充電時間短。為了使輸出數據與手機和平板電腦兼容，探頭的主芯片執行數字化以及一些信號處理和編碼。

為了提供 3D 信息，這些手持式探頭獲取多個 2D 解剖切片，然后使用機器學習和 AI 來構建必要的 3D 數據。內置的基于人工智能的算法還可以幫助醫生和護士將針精確地放置在所需位置，例如具有挑戰性的脈管系統或其他組織進行活檢。

為這些探頭開發的人工智能非常好，以至于未受過超聲波培訓的專業人員（例如護士助產士）可以使用便攜式探頭來確定胎兒的胎齡，其準確度與經過培訓的超聲波技師相似。NEJM Evidence 2022 年的一項研究 ?；谌斯ぶ悄艿墓δ苓€可以使手持式探頭在急診醫學、低收入環境以及醫學生培訓方面發揮作用。

MEMS 超聲波只是一個開始

這僅僅是小型化超聲波的開始。包括臺積電和意法半導體在內的幾家全球最大的半導體代工廠現在分別在 300 毫米和 200 毫米晶圓上生產 MEMS 超聲波芯片。

事實上，意法半導體最近在新加坡成立了一個專門用于薄膜壓電 MEMS 的“工廠實驗室”，以加速從概念驗證到批量生產的轉變。Philips Engineering Solutions為 CMUT-on-CMOS 集成提供 CMUT 制造，位于法國圖爾的Vermon提供商業 CMUT 設計和制造。這意味著初創公司和學術團體現在可以獲得基礎技術，從而以比 10 年前低得多的成本實現新的創新水平。

通過所有這些活動，行業分析師預計超聲波 MEMS 芯片將集成到許多不同的醫療設備中，用于成像和傳感。例如，Butterfly Network 與 Forest Neurotech合作，正在開發用于腦機接口和神經調節的 MEMS 超聲波。其他應用包括長期、低功耗可穿戴設備，例如心臟、肺和大腦監視器，以及康復中使用的肌肉活動監視器。

未來五年，預計將出現采用超聲波 MEMS 芯片的微型無源醫療植入物，其中使用超聲波遠程傳輸電力和數據。最終，這些手持式超聲探頭或可穿戴陣列不僅可以用于解剖結構成像，還可以讀取生命體征，例如由于腫瘤生長或手術后深部組織氧合導致的內部壓力變化。有一天，類似指紋的超聲波傳感器可以用來測量血流量和心率。

有一天，可穿戴或植入式版本可能會在我們睡覺、吃飯和生活時生成被動超聲圖像。

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