高频超声成像以其微观分辨率，开辟了眼科、皮肤科和血管内成像（IVUS）等医学研究的新领域。2024上海高端医疗设备展Medtec认为换能器的性能对成像质量至关重要，研究人员对多种换能器材料进行了研究，包括铅锆钛酸盐（PZT）、聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物（PVDF TrFE）等。PVDF和其共聚物具有宽带宽、机械柔韧性、优良的声阻抗匹配以及较低的成本优势，因此在高分辨率医学超声成像中得到了广泛应用。然而，PVDF微型换能器的电阻较高，这导致与典型50欧姆负载的电子仪器之间的阻抗失配，从而降低信噪比。为解决这一问题，研究人员将高输入阻抗放大器与PVDF膜集成，以防止因加载电子仪器导致信号降噪。

       PVDF（聚偏二氟乙烯）超声换能器是一种利用PVDF材料制造的超声波传感器，广泛应用于高频超声成像。PVDF是一种压电材料，当其受到机械压力或振动时会产生电荷，反之亦然，这使得它能够转换电能和声能。这些特性使PVDF超声换能器在医疗成像、无损检测和传感器等领域中具有重要应用价值。

PVDF材料的优势

• 宽带宽：PVDF材料具有较宽的频率响应范围，能够捕捉更多的细节信息，这对于高分辨率成像尤为重要。

• 机械柔韧性：PVDF膜具有良好的柔韧性，可以适应复杂的曲面结构，增加了其在不同应用中的适应性。

• 声阻抗匹配：PVDF的声阻抗与生物组织更匹配，减少了声波在介质界面的反射，从而提高了信号的传输效率和成像质量。

• 低成本：PVDF材料相对廉价，易于加工，降低了制造成本。

PVDF超声换能器的工作原理

       PVDF超声换能器通过压电效应工作，当换能器发射超声波时，电信号在PVDF膜上产生机械振动，形成超声波。这些超声波传播到目标物体并反射回来，换能器再将反射的超声波信号转换为电信号进行处理和分析。

本文研究了芯片寄生电容对MEMS基础超声换能器性能的影响，开发了聚焦PVDF换能器，并识别和测量了这些器件的芯片寄生电容。提出了一种具有最小寄生电容的换能器模型，并开发了原型器件进行测试，显示新器件在插入损耗方面有显著改进。

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器件开发

       使用压力偏转和微机械加工技术，开发了用于微创手术的聚焦PVDF TrFE换能器。将一侧涂有Cr/Au电接触的压电PVDF膜放置在带有微机械圆形孔径的硅基底上，硅基底内圆周和顶表面涂有1.5微米厚的SiO2层。通过喷嘴向膜注入空气压力，偏转膜形成球形部分，并使用银环氧树脂固定膜的形状和提供电接触。不同焦数的换能器可以通过改变空气压力来制造。

(A) 图片展示了一个安装在1平方厘米硅芯片上的1毫米聚焦换能器，该芯片连接在定制的电路板上。(B) 放大器电子元件及其输入和输出电缆，放置在电路板上，将被放置在换能器的背面。

芯片寄生电容的识别

       换能器的截面示意图显示了三种电容：PVDF聚合物膜本身的电容（CT）、沿硅芯片内圆周的SiO2层电容（CC）以及基底电介质中的边缘场电容（Cf）。总寄生电容（Cp）是CC和Cf的总和，Cp作为输出的并联阻抗会显著降低前置放大器的输入，从而降低换能器的性能。

展示设备的截面图和示意图，显示了设备的固有电容和寄生电容。

分析与建模

       为模拟寄生电容的影响，开发了电路模型，并使用电气仿真软件PSPICE进行了分析。结果显示，使用聚碳酸酯基底的换能器相比于硅基底的换能器，信号损耗更小。聚碳酸酯换能器的电容值比硅换能器低得多，证明了最小寄生电容设计的优越性。

最小寄生电容器件

        为了开发最小寄生电容的器件，研究人员使用聚碳酸酯基底代替硅，消除了圆柱形电容CC。尽管聚碳酸酯不是半导体，不能用于MEMS制造工艺中创建前置放大器，但可以清楚地展示消除寄生电容的效果。实验结果显示，新的聚碳酸酯换能器具有显著的信号损耗改善。

聚碳酸酯（无寄生电容）和硅（有寄生电容）换能器的功率谱密度，显示信号损失。两者具有几乎相同的中心频率和带宽。

插入损耗测量

       为了评估寄生电容的实际影响，对比了不同孔径的硅和聚碳酸酯换能器的插入损耗。结果表明，带前置放大器的聚碳酸酯换能器相比于带前置放大器的硅换能器，插入损耗显著降低，验证了寄生电容对换能器性能的重大影响。

硅和聚碳酸酯设备的寄生电容测量结果。可以看出，硅设备的电容比聚碳酸酯设备更高。

结论

       本文研究了基于MEMS工艺制造的高频PVDF换能器的芯片寄生电容对其性能的影响。2024上海高端医疗设备展Medtec发现实验和建模结果表明，寄生电容显著降低了换能器的性能。新开发的最小寄生电容模型在保持成像分辨率的同时，提高了1毫米换能器的插入损耗约21 dB。这项研究展示了开发集成MEMS PVDF换能器的潜力，这些换能器在临床IVUS应用中具有广泛应用前景。

最后惯例一张AI图：

参考文献

Chandrana, Chaitanya, James Talman, Tao Pan, Shuvo Roy, and Aaron Fleischman. “Design and analysis of MEMS based PVDF ultrasonic transducers for vascular imaging.” Sensors 10, no. 9 : 8740-8750.

文章来源：超哥 医工超人