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Sep 27, 2023

シンプルな犠牲

Microsystems & Nanoengineering volume 8、記事番号: 75 (2022) この記事を引用する 1563 アクセス数 2 引用数 メトリクスの詳細 集束超音波 (FUS) は生物医学分野で広く使用されている強力なツールです

Microsystems & Nanoengineering volume 8、記事番号: 75 (2022) この記事を引用

1563 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

集束超音波 (FUS) は、センサーやアクチュエーターだけでなく、生物医学療法やイメージングでも広く使用されている強力なツールです。 曲面、メタマテリアル構造、および多要素フェーズド アレイに基づく従来の集束技術では、高精度での大規模な並列製造が困難であるか、動作するために複雑な駆動電子機器が必要です。 これらの問題は、パリレン空洞フレネル音響レンズ (ACFAL) を備えた微細加工自己集束音響トランスデューサー (SFAT) によって解決されていますが、犠牲層を除去するのに時間のかかるステップが必要です。 この論文では、ポリジメチルシロキサン (PDMS)、SU-8/PDMS 二重層、および SU-8 をベースとした 3 つの新しく改良されたタイプの ACFAL を紹介します。これらは、犠牲層のない単純な微細加工プロセスを通じて製造され、従来よりも 2 ～ 4 倍高速です。それはパリレン ACFAL の場合です。 さらに、レンズを通る音響透過率に対するレンズの厚さの影響を研究することにより、PDMS および SU-8 用に開発された改良された厚さ制御技術によりトランスデューサーの性能が最適化されました。 その結果、測定された電力伝達効率 (PTE) とピーク出力音圧は、それぞれパリレン ACFAL よりも最大 2.0 倍と 1.8 倍高くなります。 この論文で説明する簡単な微細加工技術は、高性能 ACFAL だけでなく、マイクロ流体および光学用途向けの中空または懸垂構造を備えた他の小型デバイスの製造にも役立ちます。

集束超音波 (FUS) は、腫瘍切除 1、経頭蓋神経調節 2、薬物送達 3、非接触トラッピング 4、音響液滴射出 5、ワイヤレス電力伝送 6、非破壊検査 7 など、幅広い用途で使用されています。 音響エネルギーが小さな体積に集中するため、FUS は、高強度または微細な空間分解能が望ましい用途において、集中していないものよりも優れたパフォーマンスを示します8、9、10。

超音波を効果的に集束させるには、振動音源から発生する音波が同位相で焦点に到達するように設計する必要があります。 これを達成する簡単な方法は、湾曲したトランスデューサ表面 11、12 を作成するか、湾曲した音響レンズを平面トランスデューサに取り付けることです 5、13。 しかし、そのような表面は通常、フライス加工やヒートプレスなどのマクロ加工技術によって製造され、精度が限られているため、表面粗さや曲率誤差などの製造欠陥が生じる可能性があります。 あるいは、フェーズドアレイの各トランスデューサ素子に印加される駆動信号の時間遅延をプログラムすることによって、音波を集中させることもできる14、15。 このアプローチにより、焦点位置と音響ビームの方向を正確かつ動的に制御できます。 しかし、フェーズド アレイ システムは通常、複雑な駆動電子回路とトランスデューサ素子への多くの電気接続を備え、かさばって高価です。 音響集束を実現する 3 番目の方法は、広帯域幅 16 や高透過率 17 などの並外れた特性を示すことができるメタマテリアルに基づいて音響レンズを構築することです。 ただし、構造が複雑なため、これらのレンズの製造は非常に困難です。

超音波を集束させるための簡単で効果的な方法は、設置面積が小さく、大規模な平行方式で高精度に微細加工できる、薄くて平面的なフレネル音響ゾーン プレート 18 を利用することです。 この設計の簡単な実装は、圧電基板 19、20 をウェット エッチングによってフレネル リング パターンに挟み込むことによって上部電極と下部電極をパターン化し、強め合う干渉に寄与する音波のみが電極リング領域で生成されるようにすることです。 ただし、このタイプのトランスデューサは、厚み方向以外の振動モード 21 を生成する漏れ電場、電極の大きな直列抵抗による発熱、および製造時の厳しい前後の位置合わせ公差の問題に悩まされます。 別のアプローチは、ウェット エッチングまたは反応性イオン エッチング (RIE) によって微細加工された二層 22 または多層 23 フレネル音響レンズを作成し、それらを圧電基板に接着することです。 ただし、これらのレンズは良好な焦点を確保するために重要な層厚制御が必要であり、複数の層が関与するため製造に時間がかかります。