由医疗器械行业展览知悉，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。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。

图片来源：医工超人

       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。

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。

图片来源：医工超人

(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。

图片来源：医工超人

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。

图片来源：医工超人

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。

图片来源：医工超人

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。

图片来源：医工超人

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。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。