超聲波技術(shù)的應(yīng)用

超聲波技術(shù)廠商尋求壓電晶體換能器的替代品，MEMS技術(shù)迎來機(jī)遇

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，傳統(tǒng)超聲波換能器是利用塊體型壓電晶體產(chǎn)生超聲波，盡管壓電效應(yīng)已被證實(shí)對(duì)傳輸超聲波有效，但受生產(chǎn)成本和尺寸的限制，壓電晶體技術(shù)存在局限性?；诠栊酒膿Q能器，或稱為MEMS超聲波換能器（MUT），主要有兩種類型：電容式MEMS超聲波換能器（CMUT）和壓電式MEMS超聲波換能器（PMUT），例如CMUT使用硅芯片將電壓轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。這種換能器極具替代傳統(tǒng)超聲波換能器的潛力，原因之一是硅片的價(jià)格比壓電晶體便宜，因此基于硅芯片的換能器比壓電晶體換能器更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)；第二是因?yàn)閴弘娋w換能器對(duì)制造工藝的要求更高，批量生產(chǎn)的難度更高。MEMS超聲波換能器性能優(yōu)勢(shì)也更加明顯，處理的頻率更高，且易于集成到電子設(shè)備中，是3D成像和全身掃描的理想選擇。

兩種MEMS超聲波換能器：CMUT和PMUT

首款MEMS超聲波換能器乏善可陳，成像質(zhì)量和制造工藝存在挑戰(zhàn)

據(jù)麥姆斯咨詢此前報(bào)道，日立（Hitachi）公司曾于2009年推出了首款基于硅芯片的超聲波換能器——電容式MEMS超聲波換能器（CMUT），這是一款帶有矩陣線性換能器的4G CMUT。盡管最初受到了較多關(guān)注，但由于成像質(zhì)量和制造工藝方面的挑戰(zhàn)，并未如預(yù)期那樣迅速擴(kuò)大生產(chǎn)。在轉(zhuǎn)向硅芯片的過程中，MEMS超聲波換能器失去了穿透能力。盡管這款換能器可以掃描全身，但僅限于某一深度的掃描，其性能比不上專用的壓電晶體換能器，不足以用于多種醫(yī)療領(lǐng)域。此外，該技術(shù)當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)全新的技術(shù)，因此尚未開發(fā)出可大批量生產(chǎn)此類換能器的制造工藝。如果這些問題得以解決，則用戶最終只需購買一臺(tái)價(jià)格低廉的MEMS超聲波換能器，而無需購置多臺(tái)具有不同掃描頻率的換能器。然而，直到最近，隨著4G CMUT的艱難推出，超聲波技術(shù)廠商仍在猶豫是否開發(fā)基于MEMS超聲波換能器的醫(yī)療設(shè)備。

日立（Hitachi）4G CMUT

MEMS超聲波換能器將卷土重來，多家初創(chuàng)企業(yè)摩拳擦掌

MEMS超聲波換能器（PMUT和CMUT）“起飛”在即

盡管最初的MEMS超聲波換能器產(chǎn)品發(fā)布帶來的興奮感已過，但隨著2018年Butterfly iQ的發(fā)布，Butterfly Network可能會(huì)讓基于MEMS超聲波技術(shù)開發(fā)熱潮再度掀起。Butterfly iQ是第一款完整的基于MEMS超聲波換能器的系統(tǒng)。這款手機(jī)大小的裝置可以掃描全身，價(jià)格僅1999美元，而全球手持式超聲波系統(tǒng)的平均售價(jià)為8200美元。盡管一些業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為該產(chǎn)品已經(jīng)引領(lǐng)了超聲波技術(shù)新時(shí)代的到來，但也有人持不同態(tài)度，他們認(rèn)為，MEMS超聲波換能器與優(yōu)質(zhì)的壓電晶體超聲波換能器相比，其成像質(zhì)量較差，這是該技術(shù)不會(huì)給超聲波市場(chǎng)帶來革命性變化的主要原因！孰是孰非，只能交由時(shí)間給出答案，但Butterfly iQ無疑為數(shù)家超聲波技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)推出創(chuàng)新型換能器奠定了市場(chǎng)基礎(chǔ)。

Butterfly iQ及成像效果

2017年底，Kolo Medical推出了基于MEMS技術(shù)的SiliconWave換能器。2019年8月，Exo Imaging在籌集了3500萬美元后宣布了他們的壓電式MEMS超聲波換能器（PMUT）計(jì)劃。

Kolo Medical基于MEMS技術(shù)的SiliconWave換能器晶圓

Exo Imaging致力于將診斷級(jí)醫(yī)療成像“放入”全球每位護(hù)理人員和臨床醫(yī)生的口袋。該公司正在開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)型醫(yī)療超聲波平臺(tái)，該平臺(tái)具有出色的圖像保真度、穿透深度和3D成像性能，此外，其尺寸仍僅有手掌大小。

Exo Imaging超聲波平臺(tái)將納米材料領(lǐng)域的進(jìn)步、創(chuàng)新傳感器技術(shù)、先進(jìn)的信號(hào)處理和人工智能技術(shù)，與半導(dǎo)體制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)相結(jié)合，大大降低了成像成本。

Exo Imaging壓電式MEMS超聲波換能器

醫(yī)學(xué)影像廠商擁抱MEMS超聲波換能器系統(tǒng)，加強(qiáng)與半導(dǎo)體廠商合作

事實(shí)上，醫(yī)學(xué)影像廠商正在為批量生產(chǎn)MEMS超聲波換能器系統(tǒng)而備戰(zhàn)。一些大型廠商想通過與半導(dǎo)體廠商建立的合作關(guān)系，將這些產(chǎn)品在未來5年內(nèi)推向市場(chǎng)。而通過此類合作（例如意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）和醫(yī)療設(shè)備廠商MU的合作），半導(dǎo)體廠商將在這些醫(yī)療成像系統(tǒng)的開發(fā)中扮演重要的角色！

MU的US-304便攜式超聲成像診斷儀采用意法半導(dǎo)體的STHV800 pulser脈沖發(fā)生器，大幅提升非洲偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的醫(yī)療服務(wù)品質(zhì)

MU便攜診斷儀的設(shè)計(jì)目的是支持“急救車（Doctor Car）”流動(dòng)診室項(xiàng)目，為非洲偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)提供醫(yī)療服務(wù)。在這個(gè)項(xiàng)目中，醫(yī)護(hù)工作者通過一輛裝備遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的特種車，為缺少醫(yī)療設(shè)施的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的居民提供醫(yī)療診斷服務(wù)。便攜超聲診斷儀獲取的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)送到大城市的醫(yī)療中心，進(jìn)行詳細(xì)的醫(yī)學(xué)診斷，輔助醫(yī)務(wù)人員確定合理的治療方案。MU從2016年開始為急救車和非洲醫(yī)療站提供超聲成像診斷儀。

MU的US-304是一個(gè)凸型超聲成像診斷儀（3.5MHz）， 能夠診斷腹部皮下15cm的部位，可以攜帶到任何地方，只需一條USB數(shù)據(jù)線即可連接筆記本或平板電腦。MU超聲診斷儀集成意法半導(dǎo)體的高壓、高速超聲脈沖發(fā)生器芯片和一個(gè)8通道變送器驅(qū)動(dòng)電路，采用意法半導(dǎo)體獨(dú)有的200V SOI-BCD半導(dǎo)體制造工藝，這項(xiàng)技術(shù)可在單片集成高壓CMOS技術(shù)、精確的模擬電路和穩(wěn)健的功率級(jí)。

MEMS超聲波換能器將迅速探索市場(chǎng)，掀起市場(chǎng)變革浪潮

主要醫(yī)學(xué)影像廠商推出MEMS超聲波換能器系統(tǒng)將對(duì)醫(yī)學(xué)成像市場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響。他們進(jìn)入醫(yī)療保健領(lǐng)域以及大批量生產(chǎn)設(shè)備的能力可能會(huì)給全球超聲波系統(tǒng)市場(chǎng)帶來重大變革。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，成像質(zhì)量的欠缺將阻礙MEMS超聲波換能器系統(tǒng)取代傳統(tǒng)壓電晶體換能器系統(tǒng)。然而，MEMS超聲波換能器系統(tǒng)制造商可能會(huì)瞄準(zhǔn)“非”常規(guī)超聲波新市場(chǎng)，比如不需要完美成像質(zhì)量的初步評(píng)估。以往醫(yī)院和醫(yī)療影像診所是超聲波設(shè)備的購買主力軍，但如果超聲波設(shè)備價(jià)格大幅下降，其可能會(huì)在醫(yī)生辦公室、私人診所和護(hù)理機(jī)構(gòu)中普及，并最終演變成大眾可以承擔(dān)的普通消費(fèi)品。

MEMS超聲波換能器系統(tǒng)市場(chǎng)普及情況分析

MEMS超聲波換能器具有廣闊應(yīng)用前景，還可用于微創(chuàng)手術(shù)刀

MEMS超聲波換能器系統(tǒng)除了對(duì)壓電晶體超聲波換能器市場(chǎng)產(chǎn)生影響之外，還可以實(shí)現(xiàn)并改善非常規(guī)治療程序。MEMS超聲波換能器系統(tǒng)是高強(qiáng)度聚焦超聲（High-Intensity Focused Ultrasound，簡(jiǎn)稱HIFU）——一種“微創(chuàng)手術(shù)刀”的強(qiáng)大候選者，HIFU是通過使用超聲波破壞病變組織來對(duì)抗慢性疾?。ㄈ缒[瘤）的早期技術(shù)。此外，MEMS超聲波換能器系統(tǒng)體積非常小巧，更利于放置在導(dǎo)管或集成到可穿戴式貼片中。毋容置疑，MEMS芯片將改變超聲波市場(chǎng)的發(fā)展前景，真正的挑戰(zhàn)是將由誰來引領(lǐng)這場(chǎng)變革。

HIFU治療腫瘤的原理是將超聲波進(jìn)行聚焦后，穿透到人體內(nèi)，通過一系列復(fù)合效應(yīng)來消滅腫瘤組織。就像太陽光可以通過凸透鏡聚焦一樣，超聲波也可以聚焦，而且可以安全地穿透身體，將能量密度較低的超聲波匯聚至體內(nèi)的腫瘤部位，利用焦點(diǎn)處超聲波的熱效應(yīng)，在靶區(qū)形成60℃以上的高溫，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性及組織細(xì)胞凝固性壞死或不可逆的嚴(yán)重?fù)p傷，從而達(dá)到治療腫瘤的目的。