Блог

Sep 27, 2023

Простое жертвоприношение

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 75 (2022) Цитировать эту статью 1563 Доступов 2 Цитирования Подробности о метриках Фокусированный ультразвук (ФУЗ) — мощный инструмент, широко используемый в биомедицинской медицине.

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 75 (2022) Цитировать эту статью

1563 Доступа

2 цитаты

Подробности о метриках

Фокусированный ультразвук (ФУЗ) — мощный инструмент, широко используемый в биомедицинской терапии и визуализации, а также в датчиках и исполнительных механизмах. Традиционные методы фокусировки, основанные на изогнутых поверхностях, структурах метаматериалов и многоэлементных фазированных решетках, либо создают трудности при массовом параллельном производстве с высокой точностью, либо требуют для работы сложной приводной электроники. Эти трудности были решены с помощью микрофабрикатных самофокусирующихся акустических преобразователей (SFAT) с париленовыми акустическими линзами Френеля с воздушной полостью (ACFAL), которые требуют длительного этапа удаления жертвенного слоя. В этой статье представлены три новых и улучшенных типа ACFAL на основе полидиметилсилоксана (ПДМС), двухслойного SU-8/PDMS и SU-8, которые производятся с помощью простых процессов микропроизводства без жертвенных слоев, которые в два-четыре раза быстрее, чем это для париленовых ACFAL. Более того, изучая влияние толщины линзы на пропускание звука через линзу, характеристики преобразователей были оптимизированы с помощью улучшенных методов контроля толщины, разработанных для PDMS и SU-8. В результате измеренная эффективность передачи мощности (PTE) и пиковое выходное акустическое давление в 2,0 и 1,8 раза выше, чем у париленовых ACFAL соответственно. Простые методы микропроизводства, описанные в этой статье, полезны для производства не только высокопроизводительных ACFAL, но и других миниатюрных устройств с полыми или подвешенными структурами для микрофлюидных и оптических приложений.

Фокусированный ультразвук (ФУЗ) использовался в широком спектре применений, включая абляцию опухолей1, транскраниальную нейромодуляцию2, доставку лекарств3, бесконтактный захват4, акустический выброс капель5, беспроводную передачу энергии6 и неразрушающий контроль7. Поскольку акустическая энергия сосредоточена в небольшом объеме, FUS демонстрирует лучшие характеристики, чем его несфокусированный аналог, в приложениях, где желательны высокая интенсивность или высокое пространственное разрешение8,9,10.

Чтобы эффективно фокусировать ультразвук, акустические волны, генерируемые вибрирующим источником звука, должны быть спроектированы так, чтобы достигать фокальной точки в фазе. Самый простой способ добиться этого — создать изогнутую поверхность преобразователя11,12 или прикрепить изогнутую акустическую линзу к плоскому преобразователю5,13. Однако такие поверхности обычно изготавливаются с помощью методов макрообработки, включая фрезерование и термопрессование, ограниченная точность которых может привести к дефектам изготовления, включая шероховатость поверхности и погрешность кривизны. Альтернативно, акустические волны могут быть сфокусированы путем программирования временной задержки возбуждающего сигнала, подаваемого на каждый элемент преобразователя в фазированной решетке14,15. Благодаря такому подходу положение фокуса и направление акустического луча можно точно и динамически контролировать. Однако системы с фазированной решеткой обычно громоздки и дороги, имеют сложную приводную электронику и множество электрических соединений с элементами преобразователя. Третий способ реализовать акустическую фокусировку — создать акустические линзы на основе метаматериалов, которые могут проявлять необычайные свойства, такие как широкая полоса пропускания16 или высокая пропускная способность17. Однако из-за их сложной структуры изготовление этих линз очень сложно.

Простой и эффективный метод фокусировки ультразвука заключается в использовании тонкой и плоской акустической зонной пластины Френеля18, которая занимает небольшую площадь и может быть изготовлена ​​с высокой точностью в массово-параллельном порядке. Простая реализация этой конструкции состоит в том, чтобы создать рисунок на верхнем и нижнем электродах путем размещения пьезоэлектрической подложки19,20 в виде колец Френеля посредством мокрого травления, так что в областях электрод-кольцо будут генерироваться только акустические волны, способствующие конструктивной интерференции. Однако этот тип преобразователя страдает от пограничных электрических полей, которые создают режимы вибрации, не связанные с толщиной,21, выделение тепла из-за большого последовательного сопротивления электродов и жесткие допуски на выравнивание спереди назад во время изготовления. Другой подход заключается в создании двухслойных22 или многослойных23 акустических линз Френеля, микроизготовленных посредством мокрого травления или реактивного ионного травления (RIE), и приклеивания их к пьезоэлектрическим подложкам. Однако для обеспечения хорошей фокусировки эти линзы требуют критического контроля толщины слоя, а их изготовление требует много времени, поскольку задействовано несколько слоев.