新一代超声成像研究聚焦于一种新型传感器技术，该技术利用由大量小型薄膜传感器组成的阵列。这些传感器若能实现精准性能，将推动一系列新的医学成像应用，使医生能够更快速地对患者进行检测和诊断。
电容式微加工超声换能器（CMUT）是一种新兴的超声传感器技术，有望取代压电传感器。CMUT是一种真空密封的薄膜，可通过静电驱动来发送和接收声学信号。这些薄膜可利用标准微加工工艺进行大规模制造，从而能够制造出更小的换能器元件，用于实现更高分辨率的成像。
与传统的压电传感器相比，CMUT技术具有多项优势。它们提供更宽的信号带宽，且目标频率可根据每个薄膜的物理尺寸进行调节。此外，CMUT与CMOS电路兼容，可在芯片上集成驱动电子元件，从而进一步降低系统噪声。
大型传感器阵列通常采用数万个甚至更多的CMUT单元，以提供更宽广的成像视场。在制造这些传感器后，必须对其工作性能进行评估，以确保整个阵列性能均匀一致，从而满足精准医学成像应用的需求。本研究组采用激光多普勒振动测量法，在封装前对传感器的共振频率和振膜位移进行无损评估。
我们的系统
我们的CMUT电池是通过两层经图案化处理以形成真空间隙的牺牲多晶硅层制成的。 膜层沉积在牺牲层上方，由低应力氮化硅薄膜构成；通过加热的氢氧化钾溶液溶解多晶硅薄膜，从而将膜层释放出来。随后，原由牺牲层占据的空间通过二氧化硅塞在真空条件下进行密封。图1展示了单个CMUT膜层的横截面。
为了驱动实现更大视场所需的大量CMUT单元，我们的CMUT传感器采用正方形阵列结构制造，其行和列分别连接到一组组薄膜上。上下正交电极的每个交点构成一个成像单元。在质量控制测量中，我们会在开放空气环境中对每个CMUT阵列进行评估。
测量设备性能
在表征测量中，我们使用了Polytec公司的MSAMicro System Analyzer 激光多普勒振动计。每个CMUT阵列均安装在样品台上，并通过三轴微定位探针进行连接。如图2所示，每个阵列均通过偏置T型接头连接，由交流和直流偏置电压组合驱动。
在评估传感器阵列的性能时，我们重点测量不同交流和直流驱动条件下的共振频率和动态位移。我们旨在比较器件不同位置的测量结果，以分析阵列的整体性能，并探究因电阻损耗导致的位移变化，同时排查任何有缺陷的薄膜。
评估与未来计划
在评估CMUT传感器单元时，确保每个膜的工作状态完全一致至关重要，否则阵列中的微小偏差或死细胞簇会在使用这些传感器成像时产生伪影。其中一些差异可以通过显微镜肉眼观察到，例如图3中所示的塌陷或变形的细胞。
然而，如果任何一个CMUT的密封塞发生泄漏，腔体就会充满空气，导致传感单元的共振频率和性能发生偏移，而通过显微镜观察时，其外观却与真空密封的膜毫无二致。 这种共振频率的偏移以及动态位移的减小，是由在医学成像所用的兆赫兹频率下挤压和拉伸气囊所产生的阻尼效应引起的。这些缺陷通常只能在传感器运行时观察到，因此，在投入额外资源将传感器连接并封装以供超声系统测试之前，先对设备进行检测以确定是否存在这些缺陷是很有益的。
图4a展示了一个包含多个泄漏膜的示例，其中在正弦波激励下，有2个单元并未与阵列中的其余单元以相同频率发生共振。 如图4b所示，我们可以利用振动计，通过伪随机激励信号进一步研究理想CMUT单元和缺陷传感器的运行频率。如图所示，膜片中的空气会使共振频率升高，同时在给定的工作电压下，动态位移也会减小。
CMUT 医学成像传感器的成功设计与制造，取决于一套完善的工艺流程，以确保生产出无缺陷的产品。在该开发过程中，配备能够对每个阵列进行检测的设备，以确保符合适当的质量控制标准，是非常有帮助的。 借助Polytec公司的MSA激光多普勒振动计，我们能够在制造过程中对传感器进行检测，从而识别并纠正生产错误，避免将已知存在缺陷的传感器进行封装和测试，从而节省额外资源。
