可穿戴超聲貼片通過(guò)提供免手持、長(zhǎng)期和持續(xù)的診斷與治療能力，有望徹底革新傳統(tǒng)的超聲醫(yī)療應(yīng)用。然而，目前的柔性超聲換能器無(wú)法調(diào)控其曲率，并且由于依賴手工制造，面臨產(chǎn)率低、設(shè)計(jì)空間受限等挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)提出了一種基于柔性-剛性（FTR）技術(shù)的柔性電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT），通過(guò)使用低熔點(diǎn)金屬合金（LMPA）實(shí)現(xiàn)靜態(tài)可調(diào)彎曲曲率調(diào)制（圖1a）。該FTR方案采用剛性硅膜與襯底，并通過(guò)柔性彈性體橋式結(jié)構(gòu)相連接，與基于柔性襯底和薄膜的傳統(tǒng)柔性CMUT相比，這種新設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的聲功率（圖1b）。
圖1 柔性電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）設(shè)計(jì)和應(yīng)用
此外，通過(guò)使用低熔點(diǎn)金屬合金，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)還可以維持特定的彎曲曲率，以確保超聲波束成形的準(zhǔn)確性和靜態(tài)可調(diào)性。這種曲率不是永久性的，可以在向內(nèi)彎曲和向外彎曲狀態(tài)之間很容易地改變（圖1c）。這一技術(shù)突破能夠有效地將超聲波聚焦到特定距離，而無(wú)需額外的波束成形。
為了展示具有曲率調(diào)制功能的FTR CMUT技術(shù)的應(yīng)用潛力，研究人員設(shè)計(jì)并制造了兩種不同中心頻率的FTR CMUT（3.4 MHz和1.5 MHz，浸沒(méi)條件下）。通過(guò)采用1D FTR CMUT陣列刺激小鼠脾臟，并結(jié)合行為實(shí)驗(yàn)觀察類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎癥狀緩解情況，成功驗(yàn)證了本文所提出的CMUT器件在長(zhǎng)期治療應(yīng)用中的潛力。上述研究成果以“Flexible ultrasound transducer array with statically adjustable curvature for anti-inflammatory treatment”為題發(fā)表于npj Flexible Electronics期刊。
FTR CMUT設(shè)計(jì)和制造
CMUT陣列通常由多個(gè)超聲換能單元構(gòu)成，每個(gè)單元包含若干個(gè)電連接的圓形振動(dòng)膜。每個(gè)圓形振動(dòng)膜是CMUT的基本單元，在靜電驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生超聲波。典型的CMUT結(jié)構(gòu)完全由剛性材料組成：膜層采用單晶硅，支撐部分采用二氧化硅（SiO?），襯底則為硅（Si）。為了實(shí)現(xiàn)柔性化，研究人員設(shè)計(jì)了一種FTR結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)生超聲的每個(gè)換能單元仍保持其典型的剛性形式，而單元之間的間隙部分則填充彈性體（圖1d和1e）。
研究人員首先設(shè)計(jì)了一種與標(biāo)準(zhǔn)CMUT制造工藝兼容的晶圓級(jí)FTR結(jié)構(gòu)制備方案。FTR制備的典型策略是首先在硅晶圓上制備器件，然后進(jìn)行晶圓蝕刻以暴露器件之間的間隙。通常，這些器件會(huì)通過(guò)薄而剛性的懸浮橋式結(jié)構(gòu)固定。研究人員的策略是去除這些剛性橋式結(jié)構(gòu)，改用彈性體填充間隙，從而賦予CMUT器件柔性。
研究人員首先在未集成CMUT的情況下制備了FTR結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的工藝是否能夠準(zhǔn)確形成器件間隙并提供足夠的彎曲空間。制備的FTR結(jié)構(gòu)的橫截面圖像顯示為預(yù)期的梯形結(jié)構(gòu)，角度為54.7°。這種梯形間隙賦予了換能單元之間在向內(nèi)彎曲和向外彎曲變形時(shí)的高度柔性。在2 mm曲率半徑的向內(nèi)彎曲和向外彎曲變形狀態(tài)下，F(xiàn)TR結(jié)構(gòu)能夠彎曲而不會(huì)損傷頂部的剛性結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還制備了各種形狀的FTR結(jié)構(gòu)，例如平面、立方體和閉合花形，以展示制備工藝的多功能性（圖1f–1l）。
接下來(lái)，研究人員基于所開(kāi)發(fā)的FTR制備工藝制造了一個(gè)柔性CMUT（圖2a）。該FTR CMUT能夠向內(nèi)和向外平滑彎曲，且在CMUT換能單元上沒(méi)有任何裂紋或分層（圖2c–2e）。掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像顯示，電極（100?nm）、薄膜（450?nm）、真空腔（150?nm）以及絕緣層（100?nm）的尺寸與掩膜設(shè)計(jì)高度一致（圖2f）。
圖2 FTR CMUT制造
FTR CMUT聲學(xué)特性
研究人員在油中測(cè)試了FTR CMUT的聲學(xué)特性，包括中心頻率、分?jǐn)?shù)帶寬、發(fā)射聲壓和接收靈敏度。他們?cè)?8 V直流電壓上疊加了峰-峰值為15.8 V、脈寬為100 ns的輸入脈沖，以評(píng)估其脈沖響應(yīng)。測(cè)得該器件在油中的中心頻率為3.43 MHz，?3 dB分?jǐn)?shù)帶寬為113%，遠(yuǎn)高于典型壓電換能器的帶寬，使單個(gè)CMUT能在寬頻范圍內(nèi)產(chǎn)生充足聲壓（圖3a）。
圖3 FTR CMUT聲學(xué)特性
研究人員還通過(guò)測(cè)量商用換能器產(chǎn)生的聲壓來(lái)評(píng)估FTR CMUT的接收特性，并將其特性與商用水聽(tīng)器進(jìn)行了比較。在固定的直流偏壓下，隨著商用換能器產(chǎn)生的聲壓增加，F(xiàn)TR CMUT的輸出幅值線性增加，這與預(yù)期一致（圖3d和3e）。在50 V偏壓下，其接收靈敏度估算為332.57 V/kPa。該CMUT在發(fā)射與接收模式下均表現(xiàn)出魯棒的功能性和可靠性，確保即使采用FTR結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)發(fā)射與接收。
FTR CMUT彎曲曲率調(diào)制
研究人員設(shè)計(jì)了一種方案來(lái)調(diào)制柔性FTR CMUT的彎曲狀態(tài)，通過(guò)在底部襯底上放置一層薄的LMPA，并利用LMPA的直接焦耳加熱來(lái)改變和固定1D FTR CMUT的曲率。由于Cerrolow 117的熔點(diǎn)為47.2°C，在較高溫度下可將FTR CMUT的曲率調(diào)整至目標(biāo)角度，當(dāng)溫度降至熔點(diǎn)以下時(shí)彎曲狀態(tài)即被固定。在FTR結(jié)構(gòu)中，LMPA置于硅島（silicon island）之間，并與硅島底部襯底共享電氣連接，對(duì)應(yīng)于CMUT的接地端。因此，通過(guò)在FTR CMUT接地端兩端施加直流電壓，即可利用焦耳熱效應(yīng)誘導(dǎo)LMPA發(fā)生相變，實(shí)現(xiàn)曲率調(diào)制。
圖4 基于焦耳熱誘導(dǎo)LMPA相變的FTR CMUT曲率調(diào)制
使用FTR CMUT進(jìn)行類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的非侵入性治療
為了展示柔性超聲換能器在非侵入性自身炎癥性疾病治療中的應(yīng)用潛力，研究人員利用1.5 MHz的FTR CMUT對(duì)膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎（CIA）小鼠模型的脾臟進(jìn)行了超聲刺激，并驗(yàn)證了其對(duì)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）的治療效果。
研究人員在超聲刺激前后（即6周與8周時(shí)間）測(cè)量了小鼠四個(gè)踝關(guān)節(jié)的厚度和其體重，并比較了臨床評(píng)分，以監(jiān)測(cè)超聲刺激對(duì)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療效果。結(jié)果顯示，CIA小鼠在超聲刺激后踝關(guān)節(jié)厚度明顯減小（圖5b）。通過(guò)評(píng)估臨床評(píng)分并比較刺激前后的變化，刺激組的小鼠類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎程度有所改善，而假刺激組和模型組的癥狀均有所加重（圖5e和5f）。
圖5 超聲刺激脾臟對(duì)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）的治療作用
小結(jié)
綜上所述，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種基于FTR結(jié)構(gòu)的柔性CMUT。由于超聲換能器被置于剛性島狀結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)TR結(jié)構(gòu)使該柔性換能器展現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)剛性CMUT相當(dāng)?shù)碾妼W(xué)和聲學(xué)特性。此外，通過(guò)使用低熔點(diǎn)金屬合金（LMPA）實(shí)現(xiàn)了曲率調(diào)制。由于超聲陣列中換能單元位置的微小變化會(huì)顯著影響超聲波束的分布，因此能夠?qū)⑶示_調(diào)制到已知值至關(guān)重要。通過(guò)使用具有曲率調(diào)制功能的柔性CMUT，研究人員對(duì)小鼠進(jìn)行了器官特異性神經(jīng)調(diào)控，以減輕類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎癥狀。超聲刺激脾臟兩周后，小鼠四個(gè)腳踝的厚度減小，步態(tài)得到改善。由于超聲波能夠深層穿透人體，并可通過(guò)可控波束以聚焦方式傳遞，這為可穿戴超聲換能器及治療系統(tǒng)在家庭醫(yī)療領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用前景。盡管本研究展示的是1D陣列，但后續(xù)工作包括將LMPA曲率調(diào)制與FTR制備技術(shù)擴(kuò)展到2D超聲換能器陣列，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的超聲成像與治療。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41528-025-00484-7
