微機電系統（MEMS）已成為提升光聲成像（PAI）系統性能的一項變革性技術。光聲成像融合了光聲效應所提供的光學對比度與超聲波深層組織穿透能力，是一種混合成像模式，在生物醫學應用領域具有廣闊的應用前景。傳統的光聲成像平臺依賴于常規塊體型超聲換能器；然而，MEMS器件近年來已成為一種極具吸引力的替代方案，提供了新功能和擴展能力。
據麥姆斯咨詢報道，近期，加拿大魁北克大學高等技術學院面向光聲成像應用，開展了多頻工作的MEMS超聲換能器的設計、制造及實驗表征。所提出器件在緊湊型結構內集成了圓形振膜、懸浮十字振膜、錨定十字振膜和懸臂梁陣列等多種諧振幾何結構，從而突破了傳統MEMS超聲換能器固有的窄頻率響應瓶頸。所有器件均采用PiezoMUMPs商用微加工工藝制備，通過有限元模擬指導模態優化，并利用激光多普勒振動測量技術在空氣中進行實驗驗證。結果表明，多結構復合型MEMS器件能夠克服傳統壓電換能器的帶寬限制。異構MEMS幾何結構的集成為光聲成像實現寬帶靈敏度提供了可行方案，在兼顧微型化和可制造性的前提下，提升了成像空間分辨率和深度選擇能力。相關研究成果以“Design, Fabrication and Characterization of Multi-Frequency MEMS Transducer for Photoacoustic Imaging”為題發表于Micromachines期刊。
這項研究的主要目標是設計和表征能夠補償單個諧振器固有窄頻率響應的復合型MEMS微結構，所提出的方案側重于在單個器件內集成多種諧振幾何結構。該策略旨在突破傳統MEMS結構的局限性，并使其有望替代傳統超聲探頭應用于光聲成像系統。為此，研究人員設計和制造了一系列MEMS微結構，包括不同的幾何構型和復雜的機械布局。整體設計目標是最大化單芯片上諧振頻率的數量和頻譜分布，從而實現適合高分辨率光聲成像的寬帶響應特性。器件采用法國MEMSCAP的PiezoMUMPs工藝制備，微結構的橫截面如圖1所示。
圖1 微結構的橫截面
圓形振膜MEMS超聲換能器
首先制備的結構是直徑為300 μm的圓形振膜（如圖2）。雖然圓形振膜具有良好的靈敏度，但其品質因子（Q-factor）較高，會產生界限清晰的共振峰。這種窄帶響應對于光聲成像而言并不理想，因為寬頻率范圍對于實現高空間分辨率和深度分辨率成像性能至關重要。
圖2 圓形振膜微結構
為解決這一限制，研究人員設計了復雜的幾何結構，旨在拓寬頻率響應并實現多種高振幅共振模態。此類設計有望在更寬的頻譜范圍內提高靈敏度，從而增強對不同組織深度和不同光吸收對比度所產生的多變頻率光聲信號的適應性。這種多頻特性有效提升了換能器在光聲成像中的潛在應用價值，使其能同時成像表層精細結構和更深層的組織。
懸浮十字結構MEMS超聲換能器
該微觀結構設計側重于將多個懸臂梁、懸浮膜以及專門設計以展現高振動幅度的中心區域進行集成。這種結構被稱為懸浮十字結構，旨在通過將具有不同剛度、質量和邊界條件的機械特性各異子結構整合到單一連續架構中，從而促進多模態共振行為。如圖3所示，該器件中心膜片區域由四條側懸臂支撐，每條側臂均與襯底部分機械解耦，以增大動態位移范圍并允許各模態產生獨立貢獻。
圖3 懸浮十字微結構
十字結構MEMS超聲換能器
該微結構設計采用中央懸浮膜，由四條對稱排列、向內指向的錨定臂支撐，形成被稱為十字微結構的架構。如圖4所示，這種幾何結構旨在促進中心區域的集中振動響應，而周圍的支撐結構則最大限度地減少了對振膜的約束，并有助于提升扭轉頻率響應。不同于傳統采用細長的機械特性各異懸臂梁的設計，這種結構簡潔而高效，通過四條窄錨定臂連接的中央懸浮膜來實現寬帶振動響應。有限元模擬表明，器件主導共振模局限于中心膜內，峰值響應約為275 kHz，對應其基本彎曲振動。
圖4 十字微結構
懸臂梁組合MEMS超聲換能器
最后一種設計采用封閉式框架結構，其中包含一組長度不同但寬度均勻的懸臂梁陣列。懸臂梁長度范圍為115 μm至25 μm，而寬度始終保持在50 μm。這種結構設計旨在利用每種懸臂梁幾何形狀對應的差異化機械響應，從而產生一組覆蓋寬頻范圍、分布密集且分布均勻的共振模式。如圖5所示，各個懸臂梁對應的共振模態分布于整個頻譜中。
圖5 懸臂梁組合微結構
表征結果
研究人員利用德國Polytec的激光多普勒測振儀（LDV），對所制備的MEMS微結構的振動響應進行了實驗表征。圖6展示了圓形振膜微結構的實測頻率響應曲線。圖7展示了懸浮十字結構設計的實測頻率響應，通過將中心膜與部分解耦的懸臂梁相結合，引入了頻譜多樣性。
圖6 圓形振膜微結構的振動響應
圖7 懸浮十字微結構的振動響應
總結
綜上所述，這項研究驗證了寬帶多頻響應MEMS超聲換能器用于光聲成像的可行性。通過對四種不同幾何結構的比較分析，表明結構復雜性和模態多樣性對拓展頻率覆蓋范圍、提升光聲信號頻譜適配需求至關重要。未來研究工作將側重于優化這些結構設計和制造工藝，以提升機械對稱性和電氣集成度，并且評估原位光學激勵條件下的光聲探測靈敏度。將此類MEMS超聲換能器集成于緊湊型成像陣列中，為實現高分辨率、實時生物醫學成像提供了重要支撐，尤其適用于在需要在空間分辨能力和成像深度之間進行權衡的應用場景。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/mi17010122
