32元素圧電マイクロマシン超音波トランスデューサー（PMUT）神経調節のためのフェーズドアレイ

低強度の経頭蓋焦点超音波刺激（TFU）を含む、非侵襲的神経調節治療のために超音波（US）トランスデューサーを利用することへの関心は急速に成長しました。TFUの最も広く実証されている米国のトランスデューサーは、動作に高電圧励起を必要とするバルク圧電トランスデューサーまたは容量性マイクロマシントランスデューサー（CMUT）です。大規模な安全なTFUのための小さなポータブルデバイスに向けて米国のトランスデューサーの開発を進めるために、ビームの焦点とステアリング機能を備えた米国のトランスデューサーの低い電圧アレイが興味深いものです。この作業は、1.5μmの厚さPB（ZR0.52 TI0.48）O3フィルムを使用して、2 mol％NBをドープした1.5μmのピエゾ電気微小化超音波トランスデューサー（PMUT）の設計方法、製造、および特性評価を示しています。電極/圧電/電極スタックは、曲げモード振動のパッシブ弾性層として機能する2μmシリコンデバイス層を備えた絶縁体（SOI）ウェーハのシリコンに堆積しました。製造された32エレメントPMUTの中心周波数は1.4 MHzです。超音波ビームフォーカスとステアリング（ビームフォーミングを通じて）が実証され、14.6 Vの正方形のユニポーラパルスでアレイが駆動されました。PMUTは、それぞれ9.2 mmと1 mmの軸方向および横方向の解像度で、20 mmの焦点距離で0.44 MPaの最大ピーク間焦点焦点音圧出力を生成しました。最大圧力は、TFUSアプリケーションに適した空間ピークパルス平均強度1.29 w/cm2に相当します。

Interest in utilizing ultrasound (US) transducers for non-invasive neuromodulation treatment, including for low intensity transcranial focused ultrasound stimulation (tFUS), has grown rapidly. The most widely demonstrated US transducers for tFUS are either bulk piezoelectric transducers or capacitive micromachine transducers (CMUT) which require high voltage excitation to operate. In order to advance the development of the US transducers towards small, portable devices for safe tFUS at large scale, a low voltage array of US transducers with beam focusing and steering capability is of interest. This work presents the design methodology, fabrication, and characterization of 32-element phased array piezoelectric micromachined ultrasound transducers (PMUT) using 1.5 μm thick Pb(Zr0.52 Ti0.48)O3 films doped with 2 mol% Nb. The electrode/piezoelectric/electrode stack was deposited on a silicon on insulator (SOI) wafer with a 2 μm silicon device layer that serves as the passive elastic layer for bending-mode vibration. The fabricated 32-element PMUT has a central frequency at 1.4 MHz. Ultrasound beam focusing and steering (through beamforming) was demonstrated where the array was driven with 14.6 V square unipolar pulses. The PMUT generated a maximum peak-to-peak focused acoustic pressure output of 0.44 MPa at a focal distance of 20 mm with a 9.2 mm and 1 mm axial and lateral resolution, respectively. The maximum pressure is equivalent to a spatial-peak pulse-average intensity of 1.29 W/cm2, which is suitable for tFUS application.