吳 妍，費(fèi)春龍，楊新宇，陳 俊，周歧發(fā)

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院,陜西 西安 710071)

0 引言

不論是醫(yī)院中的成像檢測設(shè)備或是某些疾病的治療方案[1-2]，還是工商業(yè)所需要的質(zhì)量評估[3-4]，隨處可見超聲。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對超聲的分辨率、強(qiáng)度或焦距等性能要求都各不同。然而在實(shí)際應(yīng)用中，超聲的性能常由于傳播中的衰減而無法達(dá)到期望中的效果，如何提升超聲性能將是超聲發(fā)展前景的主要問題。聚焦是一種有效提高超聲性能的方法，對于單陣元換能器，常見的聚焦方式有球壓聚焦、透鏡聚焦、自聚焦及對壓電材料進(jìn)行造窩。對于陣列換能器，主要是通過控制不同陣元間的信號延遲來達(dá)到聚焦的效果。單陣元聚焦方式種類繁多，且各有其適用的領(lǐng)域。本文將介紹各類單陣元聚焦方式，并概覽單陣元聚焦的未來發(fā)展趨勢。

1 球壓聚焦

圖1 球壓聚焦示意圖

球壓聚焦示意圖如圖1所示。在超過60 ℃的環(huán)境下，用給定曲率半徑的鐵球?qū)弘姴牧鲜┘訅毫?，從而使壓電材料自身發(fā)生形變。模具在室溫中冷卻后，達(dá)到一定的聚焦效果。對于高靈敏度換能器，使用透鏡聚焦會導(dǎo)致聲能的損耗增加，由此帶來靈敏度下降等問題[5]。對此，通常采用改變壓電材料的形狀以實(shí)現(xiàn)聚焦，球壓聚焦是一種廣為人知的方法。由于壓電單晶及壓電陶瓷的易碎性，球壓聚焦易導(dǎo)致這兩類壓電材料形成短路等不良后果，故球壓聚焦較適用于復(fù)合壓電材料。此外，對于做高溫應(yīng)用的超聲換能器，球壓聚焦不再適用，主要是因?yàn)榻裹c(diǎn)會發(fā)生松弛[6]。

1994年, Lockwood等提出了球壓聚焦這一方式，隨后在高頻超聲成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這一聚焦方式不僅易實(shí)現(xiàn)，同時可實(shí)現(xiàn)雙匹配層，進(jìn)而提升換能器性能的可能性。Jonathan M. Cannata等對基于鈮酸鋰單晶的20～80 MHz單陣元換能器的聚焦方式進(jìn)行討論[7]，如圖2所示。結(jié)果表明，盡管球壓聚焦會帶來機(jī)電損耗，但相較于在高頻超聲應(yīng)用中使用透鏡聚焦而帶來衰減，其更適用于生產(chǎn)高靈敏度的高頻器件。據(jù)此，Chunlong Fei等于2016年將這一聚焦方式應(yīng)用于超高頻換能器[8]，從而打破了此類換能器做成像應(yīng)用時空間分辨率與靈敏度之間的矛盾。圖3為球壓超高頻換能器及其成像應(yīng)用[8]。由圖可知，該換能器對斑馬魚眼的成像結(jié)果也證明了球壓聚焦換能器的高分辨率特性。

圖2 球壓聚焦換能器與透鏡聚焦換能器

圖3 球壓超高頻換能器及其成像應(yīng)用

2 透鏡聚焦

聲學(xué)透鏡是一種有效實(shí)現(xiàn)聲波聚焦的方式，根據(jù)聲波的聚焦原理，傳統(tǒng)聲學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)分為兩種，即當(dāng)聲波的前端介質(zhì)聲速大于透鏡聲速時，聲學(xué)聚焦選用凹透鏡，結(jié)構(gòu)如圖4所示。反之，則選用凸透鏡[9]。在實(shí)際應(yīng)用中，透鏡材料的聲速小于介質(zhì)聲速，所以大部分聚焦聲透鏡均為凹透鏡。

圖4 傳統(tǒng)聲學(xué)凹透鏡示意圖

透鏡這一聚焦方式在各頻率單陣元聚焦中均得到了廣泛的應(yīng)用。Jonathan M. Cannata等在對一系列高頻換能器聚焦時，均采用環(huán)氧(MA)制作的聲透鏡[6]。透鏡曲率半徑δ和實(shí)際焦距f的關(guān)系為f=δ/(1-c2/c1)，其中c1、c2分別為透鏡和前端介質(zhì)的聲速。由于透鏡具有連續(xù)變化的厚度，從而使帶寬大幅度提高。唯一不足是對于焦距與壓電元件直徑之比小于2.5的換能器，透鏡邊緣厚度會導(dǎo)致波束切趾及器件靈敏度下降。

在單波束聲鑷及超聲顯微鏡等超高頻換能器應(yīng)用中，透鏡成為不可或缺的一部分。通常在超高頻范圍內(nèi)，透鏡是基于在藍(lán)寶石或硅襯底上研磨或刻蝕形成球形空腔以實(shí)現(xiàn)聚焦效果[10-11]，結(jié)構(gòu)如圖5所示，并在透鏡另一面濺射ZnO或AlN薄膜作為壓電材料。由于透鏡邊緣會出現(xiàn)較強(qiáng)回波，A. Jakob等提出了如圖6所示的結(jié)構(gòu)[12]，從而使邊緣回波在時間軸上遠(yuǎn)離來自反射體的回波。然而，ZnO這種壓電材料在超高頻范圍內(nèi)信號幅度過小，從而導(dǎo)致?lián)Q能器性能較差。傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3, PZT)壓電材料的機(jī)電性能雖然良好，但因其厚度難以達(dá)到10 μm內(nèi)而應(yīng)用受到局限。為解決這一問題，金屬有機(jī)氣相淀積及溶膠-凝膠等方法被提出[13]，使用透鏡聚焦的超高頻換能器有望達(dá)到更好的性能。

圖5 刻蝕Si透鏡

圖6 削弱邊緣回波的透鏡結(jié)構(gòu)

除去傳統(tǒng)透鏡，菲涅爾透鏡的應(yīng)用從光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展到了聲學(xué)領(lǐng)域。特別是在無接觸式微粒操縱領(lǐng)域中，傳統(tǒng)光鑷使用的激光光源不僅價(jià)格貴,且會對細(xì)胞造成熱能損傷。因此，You-Lin Tu等提出了一種基于菲涅爾透鏡的多捕獲聲鑷[14]，透鏡結(jié)構(gòu)如圖7所示。PZT與聚對二甲基苯(parylene)間的空氣環(huán)阻礙了大部分聲波穿過。基于這一透鏡結(jié)構(gòu)的聲鑷不僅可以實(shí)現(xiàn)有效的微粒操縱，還可以同時捕獲大量微粒，為一些特殊應(yīng)用提供了有效的方法。圖7中，Wn為環(huán)形區(qū)域的徑向?qū)挾?r2n-1,r2n為不同環(huán)形區(qū)域到原點(diǎn)的距離。

圖7 菲涅爾透鏡

3 自聚焦

J. M. Cannata等于2007年提出自聚焦方法[15]，解決了超高頻換能器在傳統(tǒng)聚焦方式下壓電材料高頻易碎的問題，結(jié)構(gòu)剖面如圖8所示。這種聚焦方式的原理是對背襯材料進(jìn)行形變，以形成所需要的聚焦曲率[16]。壓電材料直接以濺射的形式附著在背襯材料上，從而形成聚焦的效果。以這種方法制作出的超聲換能器，其性能主要取決于背襯材料的形變面粗糙程度，所以在工藝中盡可能使表面足夠光滑。但能用來濺射的壓電材料種類有限，故這一聚焦方式無法得到廣泛應(yīng)用。

圖8 自聚焦結(jié)構(gòu)剖面圖[15]

ZnO和AlN是最常用的兩種濺射壓電材料。AlN的化學(xué)及熱學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于ZnO，其最大優(yōu)點(diǎn)是有很高的縱向波速，這使AlN適用于高頻換能器。但AlN的壓電性能較弱，Benpeng Zhu及Chunlong Fei等提出將Sc摻雜的AlN應(yīng)用于自聚焦高頻換能器[17]，如圖9所示。結(jié)果表明，這一換能器頻率高達(dá)230 MHz，且橫向波束寬度僅為8.2 μm，可以實(shí)現(xiàn)很好的微粒操縱效果。此外，ZnO的機(jī)電耦合系數(shù)大于AlN，更適用于醫(yī)學(xué)成像換能器。應(yīng)用這一聚焦方式制作的超聲換能器，通常采用Al作為背襯材料。主要原因是Al易加工成所需要的聚焦結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)電性，可以充當(dāng)?shù)撞侩姌O，并且熔點(diǎn)高于濺射時的工作溫度。

圖9 AlScN自聚焦換能器

拋開傳統(tǒng)意義的自聚焦來說，Q. F. Zhou等于2007年也提出了一種基于硅工藝的自聚焦方式，整個換能器的制作流程在硅襯底上完成[18]。首先用KOH刻蝕硅晶片形成一個方孔，在孔上放置一個不銹鋼球，整個過程在融化的石蠟中進(jìn)行。等待石蠟在室溫下凝固后將不銹鋼球取出，淀積D型parylene作為之后所有結(jié)構(gòu)的支撐層，并用甲苯溶劑去除石蠟。隨后依次淀積底部電極Al、壓電材料ZnO和頂部電極Al。在最后一步進(jìn)行前先將換能器切出來，去除D型parylene后制作背襯層，最后在表面淀積C型parylene作為匹配層。這一換能器中心頻率高達(dá)200 MHz，-6 dB相對帶寬為28%，為微結(jié)構(gòu)生物醫(yī)學(xué)成像提供了廣闊的前景。

4 機(jī)械造窩

在制造高靈敏度換能器時，使用壓電陶瓷或壓電單晶作為壓電材料，采用球壓聚焦易使壓電材料破碎而導(dǎo)致短路，使用透鏡聚焦則會降低器件靈敏度，因而使聚焦換能器的制造陷入困境。2009年，Jian-Hung liu等首次提出了由不同厚度同心環(huán)狀壓電材料構(gòu)成的非均勻厚度換能器，如圖10所示[19]。結(jié)果表明，與同尺寸40 MHz單陣元平面換能器相比，這種非均勻厚度換能器擁有更大的帶寬，同時保持了原本較好的靈敏度，更有利于成像應(yīng)用。

圖10 非均勻厚度換能器俯視圖

2012年，K.H. Lam等提出對壓電材料進(jìn)行造窩以實(shí)現(xiàn)聚焦[20]，如圖11所示。采用尺寸2 mm×2 mm、厚0.4 mm的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, PMN-PT)作為壓電材料，制造出頻率約5 MHz、帶寬高達(dá)63.5%的聚焦換能器。另外，換能器的有效機(jī)電耦合系數(shù)顯著提高，聚焦波束更精細(xì)，表明這一聚焦方式更適用于高分辨率應(yīng)用。

圖11 造窩聚焦

這一新興聚焦方式提出后，迅速在各種換能器的制作上得以應(yīng)用。Chunlong Fei等于2017年提出了使用機(jī)械造窩聚焦的血管內(nèi)超聲換能器(ivus)[21]，如圖12所示。結(jié)果表明，造窩使該30 MHz換能器比平面換能器擁有更大的帶寬及更好的空間分辨率。然而，造窩這一聚焦方式會使雙匹配層機(jī)制的實(shí)現(xiàn)變難，通過研究雙匹配層機(jī)制，這種聚焦換能器的性能將會進(jìn)一步提升。

圖12 應(yīng)用機(jī)械造窩聚焦的血管內(nèi)超聲換能器

5 新型聚焦方式與展望

除前文所述的一些基本聚焦方式外，越來越多的新型聚焦方式蜂擁而出。有的是對超聲換能器表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使發(fā)射出的聲波直接實(shí)現(xiàn)聚焦；也有的方法是將一些特殊結(jié)構(gòu)置于聲場中，使入射聲波發(fā)生反射，從而產(chǎn)生聚焦效果。

2016年，Jihun Jang等提出了基于透鏡聚焦和球壓聚焦的雙聚焦法(見圖13)[22]，主要應(yīng)用于皮膚表皮的小體積凝聚物消除。這一應(yīng)用要求超聲換能器具有較大的直徑，以產(chǎn)生高能量且較淺的聚焦深度。結(jié)果表明，使用雙聚焦可以有效地將焦距從15.2 mm減小至10.2 mm，焦距與壓電元件直徑之比從1.52減小至1.02，從而滿足了這一應(yīng)用的需求。

圖13 雙聚焦示意圖

最近，一種名為超表面的結(jié)構(gòu)在聲聚焦及聲隱身等領(lǐng)域備受關(guān)注。超表面主要是指具有亞波長周期性排列縫隙的薄板，通過不同的周期性結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同的聲場調(diào)控效果。圖14(a)為Yi-Fan Zhu等提出的一種多頻聲學(xué)超表面結(jié)構(gòu)(MFAMs)[23]，入射聲波遇到超表面后反射以形成聚焦。這一結(jié)構(gòu)既可以在基頻下工作，又可以在其諧振頻率下工作，打破了基于共振的傳統(tǒng)超表面結(jié)構(gòu)的單一工作頻率限制。2016年,Rasha Al Jahdali等提出了一種應(yīng)用于水中的卷曲空間聲透鏡結(jié)構(gòu)[24]，結(jié)構(gòu)如圖14(b)所示。通過改變卷曲空間中的填充材料，使透鏡與聲傳播介質(zhì)的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)了較寬頻率范圍內(nèi)的高能量傳輸。目前，超表面的工作頻率超過1 MHz未見報(bào)道，高頻應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。此外，超表面結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于超聲換能器前端，需要克服的主要問題是阻抗匹配及工作頻率的限制。

圖14 多頻聲學(xué)超表面與卷曲空間聲透鏡

6 結(jié)束語

根據(jù)對換能器不同性能的要求，聚焦方式層出不窮?，F(xiàn)有的球壓聚焦、透鏡聚焦、自聚焦及對壓電材料進(jìn)行造窩均有其適合的應(yīng)用領(lǐng)域，而新型聚焦方式依舊是當(dāng)下研究熱點(diǎn)，尤其是超表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于換能器前端將是聚焦方式未來發(fā)展的方向。