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Sep 27, 2023

Einfaches Opfer

Microsystems & Nanoengineering Band 8, Artikelnummer: 75 (2022) Diesen Artikel zitieren 1563 Zugriffe 2 Zitate Metrikdetails Fokussierter Ultraschall (FUS) ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das in der Biomedizin weit verbreitet ist

Microsystems & Nanoengineering Band 8, Artikelnummer: 75 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Fokussierter Ultraschall (FUS) ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das in der biomedizinischen Therapie und Bildgebung sowie in Sensoren und Aktoren weit verbreitet ist. Herkömmliche Fokussierungstechniken, die auf gekrümmten Oberflächen, Metamaterialstrukturen und Phased-Arrays mit mehreren Elementen basieren, bereiten entweder Schwierigkeiten bei der massiv parallelen Fertigung mit hoher Präzision oder erfordern für den Betrieb eine komplexe Antriebselektronik. Diese Schwierigkeiten wurden durch mikrogefertigte selbstfokussierende akustische Wandler (SFATs) mit Parylene-Lufthohlraum-Fresnel-Akustiklinsen (ACFALs) behoben, die einen zeitaufwändigen Schritt zum Entfernen der Opferschicht erfordern. In diesem Artikel werden drei neue und verbesserte Arten von ACFALs vorgestellt, die auf Polydimethylsiloxan (PDMS), einer SU-8/PDMS-Doppelschicht und SU-8 basieren und durch einfache Mikrofabrikationsprozesse ohne Opferschicht hergestellt werden, die zwei- bis viermal schneller sind als das für die Parylene ACFALs. Darüber hinaus wurde durch die Untersuchung der Auswirkung der Linsendicke auf die akustische Durchlässigkeit durch die Linse die Leistung der Wandler mit verbesserten Dickenkontrolltechniken optimiert, die für PDMS und SU-8 entwickelt wurden. Infolgedessen sind die gemessene Leistungsübertragungseffizienz (PTE) und der akustische Spitzenausgangsdruck bis zu 2,0 bzw. 1,8 Mal höher als die der Parylene ACFALs. Die in diesem Artikel beschriebenen einfachen Mikrofabrikationstechniken eignen sich nicht nur für die Herstellung von Hochleistungs-ACFALs, sondern auch für andere miniaturisierte Geräte mit hohlen oder hängenden Strukturen für mikrofluidische und optische Anwendungen.

Fokussierter Ultraschall (FUS) wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Tumorablation1, transkranielle Neuromodulation2, Arzneimittelabgabe3, kontaktloses Einfangen4, akustischer Tröpfchenausstoß5, drahtlose Energieübertragung6 und zerstörungsfreie Prüfung7. Da die akustische Energie auf ein kleines Volumen konzentriert ist, zeigt FUS bei Anwendungen, bei denen eine hohe Intensität oder eine feine räumliche Auflösung wünschenswert ist, eine bessere Leistung als sein unfokussiertes Gegenstück8,9,10.

Um Ultraschall effektiv zu fokussieren, müssen die von einer vibrierenden Schallquelle erzeugten Schallwellen so gestaltet sein, dass sie phasengleich an einem Brennpunkt ankommen. Eine einfache Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, eine gekrümmte Wandleroberfläche zu erstellen11,12 oder eine gekrümmte akustische Linse an einem flachen Wandler anzubringen5,13. Solche Oberflächen werden jedoch normalerweise durch Makrobearbeitungstechniken hergestellt, einschließlich Fräsen und Heißpressen, deren begrenzte Präzision zu Herstellungsfehlern, einschließlich Oberflächenrauheit und Krümmungsfehlern, führen kann. Alternativ könnten akustische Wellen fokussiert werden, indem die Zeitverzögerung des Antriebssignals programmiert wird, das an jedes Wandlerelement in einem Phased Array angelegt wird14,15. Durch diesen Ansatz können die Fokusposition und die Richtung des akustischen Strahls präzise und dynamisch gesteuert werden. Allerdings sind Phased-Array-Systeme typischerweise sperrig und teuer, mit komplizierter Antriebselektronik und vielen elektrischen Verbindungen zu den Wandlerelementen. Eine dritte Möglichkeit, akustische Fokussierung zu realisieren, besteht darin, akustische Linsen auf Basis von Metamaterialien zu konstruieren, die außergewöhnliche Eigenschaften wie große Bandbreite16 oder hohe Transmission17 aufweisen können. Aufgrund ihrer komplexen Struktur ist die Herstellung dieser Linsen jedoch sehr anspruchsvoll.

Eine einfache und effektive Methode zur Fokussierung von Ultraschall ist die Verwendung einer dünnen und planaren Fresnel-Akustikzonenplatte18, die eine kleine Grundfläche hat und mit hoher Präzision massiv parallel mikrogefertigt werden kann. Eine einfache Implementierung dieses Entwurfs besteht darin, die oberen und unteren Elektroden zu strukturieren, indem ein piezoelektrisches Substrat19,20 durch Nassätzen in Fresnel-Ringmuster eingefügt wird, so dass in den Elektrodenringbereichen nur akustische Wellen erzeugt werden, die zur konstruktiven Interferenz beitragen. Diese Art von Wandler weist jedoch den Nachteil elektrischer Randfelder auf, die Nicht-Dickenschwingungsmoden erzeugen21, Wärmeentwicklung aufgrund des großen Serienwiderstands der Elektroden und enge Ausrichtungstoleranzen zwischen Vorder- und Rückseite während der Herstellung. Ein anderer Ansatz besteht darin, zweischichtige22 oder mehrschichtige23 akustische Fresnel-Linsen herzustellen, die durch Nassätzen oder reaktives Ionenätzen (RIE) mikrogefertigt werden, und sie an piezoelektrische Substrate zu binden. Allerdings erfordern diese Linsen eine kritische Kontrolle der Schichtdicke, um eine gute Fokussierung zu gewährleisten, und ihre Herstellung ist zeitaufwändig, da mehrere Schichten beteiligt sind.

Andererseits lassen sich unsere zuvor demonstrierten selbstfokussierenden akustischen Wandler (SFATs) mit Parylene-Lufthohlraum-Fresnel-Akustiklinsen (ACFALs)24,25 einfach in der Mikrofertigung herstellen, ohne dass strenge Anforderungen an die Dickenkontrolle oder die Ausrichtung von vorne nach hinten gestellt werden müssen. Infolgedessen wurden sie erfolgreich in Anwendungen wie der Krebsbehandlung26, dem Tröpfchenausstoß25 und dem Unterwasserantrieb27 eingesetzt. Allerdings ist die Herstellung dieser Fresnel-Linsen nicht zeiteffizient, da zur Erzeugung der Lufthohlräume ein Schritt zur Freisetzung der Opferschicht erforderlich ist, der mehrere Tage in Anspruch nehmen kann. Darüber hinaus ist zum Öffnen der Ablöselöcher auf der Parylene-Folie ein RIE-Prozess erforderlich, der zeitaufwändig ist und eine enge Ausrichtungstoleranz zwischen den Ablöselöchern und den Ringen erfordert. Eine weitere Einschränkung bei der Verwendung von Parylene als Linsenmaterial ist die begrenzte akustische Anpassungsleistung, da normalerweise eine Linsendicke von einer Viertelwellenlänge implementiert wird, um die höchste akustische Energieübertragung zu erreichen28, die für die Dimer-basierte Dampfabscheidung von Parylene unrealistisch dick wird, wenn die Das Gerät ist für Frequenzen kleiner als mehrere MHz ausgelegt.

Um den Mikrofabrikationsprozess von SFAT einfacher und zeiteffizienter zu gestalten, haben wir zuvor einen neuen Typ von SFAT entwickelt, der auf einem ACFAL aus Polydimethylsiloxan (PDMS) basiert, das durch weiche Lithographie und ultraviolettes (UV) Epoxidharzbinden hergestellt wurde21. Allerdings ist die Bindungsstärke zwischen dem UV-härtbaren Epoxidharz und PDMS zu schwach, um die Niederdruck-Parylene-Abscheidung für die elektrische Verkapselung zu überstehen, was zusätzliche Schritte erfordert. Darüber hinaus weist das schleuderbeschichtete PDMS aufgrund der Bildung von Randwülsten eine ungleichmäßige Dicke über die gesamte Linse auf und eine schlechte Wiederholbarkeit der Dicke zwischen den Geräten aufgrund der mit der Zeit nach dem Mischen zunehmenden Viskosität des PDMS.

In diesem Artikel werden optimierte Mikrofabrikationsprozesse ohne Opferschicht für das PDMS-ACFAL und neu entwickelte ACFALs auf Basis einer SU-8/PDMS-Doppelschicht und SU-8 beschrieben. Alle drei Arten von ACFALs können zwei- bis viermal schneller mikrogefertigt werden als Parylene-ACFALs und bieten eine bessere Fokussierungsleistung, einschließlich eines höheren akustischen Ausgangsdrucks und einer höheren Leistungsübertragungseffizienz. Das Design und die Herstellung neu entwickelter SFATs werden vorgestellt und die Messergebnisse dieser Geräte miteinander sowie mit zuvor demonstrierten SFATs auf Basis von Parylene ACFAL25 und strukturierten Elektrodenringen19 verglichen.

Ein typischer SFAT besteht aus zwei Teilen (Abb. 1a–c): einer piezoelektrischen Ultraschallquelle und einer akustischen Fresnel-Linse mit Lufthohlraum (ACFAL) zur Fokussierung. Bei den in diesem Artikel vorgestellten ACFAL-basierten SFATs ist die Schallquelle ein 1 mm dickes piezoelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat-Substrat (PZT), das zwischen oberen und unteren kreisförmigen Elektroden angeordnet ist, die sich in der Wandlermitte überlappen. Um elektrische Verbindungen herzustellen, werden die oberen und unteren kreisförmigen Nickelelektroden in zwei nicht überlappende Lötpads verlängert, die sich an verschiedenen Ecken der Wandler befinden, wo elektrische Drähte angelötet werden (Abb. 1c). Wenn eine sinusförmige Spannung mit der grundlegenden Antiresonanzfrequenz des PZT-Substrats im Dickenmodus (~2,32 MHz) an die Elektroden angelegt wird, vibriert das PZT-Substrat in Dickenrichtung und erzeugt Ultraschallwellen, die durch das mikrogefertigte ACFAL fokussiert werden die obere Elektrode (Abb. 1a, b). Die Geräte sind so ausgewählt, dass sie mit der grundlegenden Antiresonanzfrequenz des PZT-Substrats statt mit der Resonanzfrequenz arbeiten, sodass die Energieumwandlungseffizienz (mechanische Ausgangsleistung gegenüber elektrischer Eingangsleistung) des PZT aufgrund deutlich geringerer mechanischer und elektrischer Verluste maximiert wird29 ,30, die für Anwendungen wünschenswert sind, bei denen eine hohe Leistung oder ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist, wie z. B. Tumorablation und drahtlose Energieübertragung.

a Perspektivische schematische Diagramme, die einen SFAT zeigen, der aus einer PZT-Schallquelle mit strukturierten Elektroden und einem ACFAL mit ringförmigen Lufthohlräumen besteht. Quadrantenteile von ACFAL und PZT sind durchscheinend gestaltet, um die Struktur des Wandlers besser darzustellen. b Querschnittsdiagramm eines SFAT, das zeigt, wie der ACFAL Ultraschall fokussiert, indem er destruktiv interferierende akustische Wellen blockiert. c Draufsichtdiagramm des Wandlers, das die relativen Positionen der oberen Elektrode (und des Lötpads), der Lufthohlraumringe und der Nicht-Lufthohlraumbereiche zeigt. d, e FEM-simulierter normalisierter Schalldruck in Wasser bei 2,32 MHz aus einem idealen ACFAL mit sechs Nicht-Luft-Hohlraumbereichen, ausgelegt für eine Brennweite von 5 mm (d) auf der zentralen vertikalen Ebene und e der seitlichen Brennebene bei Z = 5 mm, mit der gleichen Farbbalkenskala, aber unterschiedlichen Dimensionsskalen.

Jeder in dieser Arbeit demonstrierte ACFAL-Typ umfasst sechs ringförmige Lufthohlräume, die sich mit sechs Nicht-Lufthohlraumbereichen (ein Mittelkreis und fünf Ringe) abwechseln, wobei das Linsenmaterial die obere Elektrode gleichmäßig bedeckt (Abb. 1a, c). Um die Leistung verschiedener Arten von ACFALs zu vergleichen, basieren alle in diesem Dokument beschriebenen Wandler auf dem gleichen Substratmaterial, der gleichen Elektrodenform (alle kreisförmig, außer denen, die auf strukturierten Elektrodenringen basieren) und dem gleichen Ringmuster der Linse. Die Radien der Ringgrenzen sind so ausgelegt, dass sie Fresnel-Halbwellenlängenbänder (FHWB)22 für eine Brennweite von 5 mm in Wasser bei 2,32 MHz bilden, sodass der Weglängenunterschied zwischen zwei benachbarten Ringgrenzen zum geplanten Brennpunkt gleich ist eine halbe Wellenlänge in Wasser (Abb. 1b). Infolgedessen breiten sich die akustischen Wellen, die aus Bereichen außerhalb des Lufthohlraums (einschließlich des Mittelkreises und der Außenringe) kommen, durch die Linse aus und erreichen den Brennpunkt teilweise in Phase (mit einer Phasendifferenz <180°), um konstruktiv zu interferieren FUS generieren. Die in den Lufthohlraum-Ringregionen erzeugten phasenverschobenen Wellen (die zu destruktiver Interferenz am Brennpunkt beigetragen hätten) werden dagegen aufgrund der großen Diskrepanz zwischen den Lufthohlräumen fast vollständig von den Lufthohlräumen blockiert akustische Impedanzen von Luft (0,4 kRayl)31 und dem Linsenmaterial (über 1 MRayl; siehe Tabelle S1).

Zur Visualisierung des erzeugten FUS wird die normalisierte Schalldruckverteilung mit der Finite-Elemente-Methode (Ergänzungsmethode S1) simuliert. In der Simulation werden der Allgemeinheit halber die akustischen Wellen, die durch die Linse laufen, als ringförmige Schallquellen modelliert, während die Dicke und das Material der Linse nicht berücksichtigt werden. Aus den Simulationsergebnissen geht klar hervor, dass sich über der zentralen vertikalen Ebene (Abb. 1d) erwartungsgemäß eine Fokuszone mit hohem Schalldruck 5 mm über der Wandlermitte mit einer Fokustiefe (DoF) von 1298,3 μm befindet. Auf der Fokusebene bei Z = 5 mm wird der Fokusdurchmesser mit 363,2 μm simuliert (Abb. 1e).

Um zu verhindern, dass akustische Energie von der Rückseite (oder Unterseite) des Wandlers austritt und so die von der Oberseite zum Brennpunkt abgestrahlte akustische Energie maximiert wird, wird auf der Rückseite ein großer Lufthohlraum erzeugt, der durch die Befestigung die gesamte Elektrodenfläche abdeckt Laserbearbeitete Acrylplatten mit wasserfestem Sekundenkleber (Abb. 1b und Abb. S1; ergänzende Methode S2).

Mithilfe neu entwickelter Mikrofabrikationsverfahren haben wir erfolgreich drei Arten von SFATs mit ACFALs hergestellt, die auf PDMS (Abb. 2a, e), einer SU-8/PDMS-Doppelschicht (Abb. 2b, h) und SU-8 (Abb. 2c, d, f, g und i). Diese Materialien werden häufig in der Mikrofertigung verwendet und weisen sowohl gute mechanische als auch akustische Eigenschaften auf, was sie zu guten Strukturmaterialien für mikrogefertigte akustische Linsen macht. Zum Vergleich haben wir auch zuvor demonstrierte SFATs auf Basis von Parylene ACFAL25 (Abb. S2) und strukturierten Elektrodenringen19 (Abb. S3) hergestellt.

a–d Draufsichtfotos von SFATs mit aa PDMS ACFAL, b einem SU-8/PDMS ACFAL, ca. 45 μm dickem SU-8 ACFAL und da 283,5 μm dickem SU-8 ACFAL, alle vor elektrischen Leitungen sind gelötet. z. B. Querschnitts-Rasterelektronenmikroskopfotos (REM) von SFATs mit ea PDMS ACFAL, fa 45 μm dickem SU-8 ACFAL und ga 283,5 μm dickem SU-8 ACFAL. h–i Draufsicht-Mikroskopfotos, die Teile von h, einem SU-8/PDMS-ACFAL und einem 283,5 μm dicken SU-8-ACFAL zeigen.

Die detaillierten Geräteinformationen sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei die Mikrofabrikationsprozesse für verschiedene Arten von ACFALs in Tabelle 2 zusammengefasst sind. Daraus können wir ersehen, dass die Herstellungszeit für alle drei neuen Arten von SFATs zwei- bis viermal schneller ist als die für Parylene -ACFAL-basierte SFATs, da weniger Parylene-Ablagerungen und keine RIE- oder Opferschicht-Freisetzungsschritte erforderlich sind.

Bei den PDMS-ACFAL-basierten SFATs werden die Lufthohlräume durch das Kleben einer PDMS-Membran (mit Rillen durch Soft-Lithographie) auf eine flache PZT-Oberfläche erzeugt. In dieser Arbeit haben wir die Mikrofabrikationsprozesse (Abb. 3a – i) basierend auf unserer vorherigen Arbeit verbessert21. Erstens ersetzt eine dünne Schicht SU-8-Fotolack das zuvor verwendete UV-härtbare Epoxidharz als Klebstoff, um die PDMS-Linse mit dem PZT-Substrat zu verbinden, was nicht nur eine gute Haftung bietet, sondern auch eine Neuausrichtung ermöglicht, wenn die anfängliche Ausrichtung zwischen der Linse und dem Untergrund ist unbefriedigend. Bisher kam es bei UV-härtbarem Epoxidharz trotz eines zusätzlichen Silan-Abscheidungsschritts zur Verbesserung der Bindungsfestigkeit zu einer Delaminierung der verbundenen Schichten aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Lufthohlräumen (bei Atmosphärendruck) und der Niederdruck-Abscheidungskammer während der endgültigen Parylene-Herstellung Abscheidung zur elektrischen Einkapselung. Daher müssen die elektrischen Verbindungen durch manuelles Auftragen mehrerer Schichten wasserfesten Dichtmittels abgedichtet werden. Mit SU-8 als Klebstoff ist nun nur eine 1-minütige Plasmabehandlung erforderlich, um eine starke Verbindung zu gewährleisten, die die Parylene-Abscheidung bei niedrigem Druck übersteht. Zweitens verwenden wir SU-8 auf einer quadratischen 4-Zoll-Glasplatte anstelle eines DRIE-geätzten 3-Zoll-Siliziumwafers als Form für den PDMS-Guss, was einfacher und zeiteffizienter ist und einen höheren Durchsatz aufweist (da der effektive (die Fläche der gegossenen PDMS-Fläche vervierfacht sich). Darüber hinaus haben wir einen einstellbaren Klemmmechanismus entwickelt, der die PDMS-Dicke präzise steuert, indem er den vertikalen Abstand zwischen der SU-8/Glasform und einer leeren Glasplatte, die das PDMS während der Aushärtung einschließt, einstellt (Abb. 3j bis l). Bei sechs PDMS-Gussteilen unter Verwendung des Klemmmechanismus beträgt die Dickenschwankung über die gleichen hergestellten 260 µm dicken PDMS-Membranen mit einer Seitenlänge von 90 mm nur 31,6 ± 11,8 µm, was dazu führt, dass die akustische Durchlässigkeit von maximal 16 % nur auf ~15 sinkt %, gemäß der im nächsten Unterabschnitt beschriebenen Berechnung. In kleineren Linsenflächen von 16 × 16 mm2 beträgt die durchschnittliche Dickenschwankung nur 5,8 ± 4,2 μm, und im besten Fall kann die Dickenschwankung entlang einer 80 mm langen Scanlänge nur 2 μm betragen (Abb. 3l). . Die Dickenschwankung wird hauptsächlich durch die unvollständige Parallelität zwischen den beiden Glasplatten sowie durch die Ausbeulung der an vier Kanten eingespannten oberen Glasplatte aufgrund der Wärmeausdehnung verursacht. Die Dickenwiederholgenauigkeit (Fehler zwischen der eingestellten Dicke von 260 µm und der tatsächlichen durchschnittlichen Dicke) beträgt 30,5 ± 7,7 µm, was hauptsächlich auf den Fehler während des Nullstellvorgangs des Mechanismus und die Präzision des im Linearsystem verwendeten Höhenkontrollmikrometers zurückzuführen ist bewegliche Bühne. Wenn im Vergleich dazu die PDMS-Dicke durch Schleuderbeschichtung gesteuert wird, kann die Dickenschwankung über eine kurze Länge von 35 mm über 70 μm betragen (Abb. S4).

a–i Mikrofabrikationsprozesse für den Wandler (nicht maßstabsgetreu). Erstellen Sie auf einer Glasplatte eine SU-8-Haftschicht und eine SU-8-Form. b Replizieren Sie die PDMS-Membran aus der SU-8/Glasform, kontrollieren Sie die PDMS-Dicke mit Hilfe eines Klemmmechanismus (Abb. 3j, k) und einer weiteren leeren Glasplatte; c Lösen Sie die PDMS-Membran von den Glasplatten. Auf PZT-Blech, d-Muster oben/unten-Elektroden; e Parylene-Ablagerung für verbesserte Haftung auf SU-8 (optional); f Dünnschicht-SU-8 aufschleudern und weich einbrennen; g Schneiden Sie die PDMS-Membran auf die gewünschte Größe zu, richten Sie sie aus und befestigen Sie sie an der SU-8-Schicht auf dem PZT-Substrat. h Erneutes sanftes Backen, um das SU-8 zu verflüssigen und die Bindung zwischen SU-8 und PDMS zu initiieren, gefolgt von Belichtung und Backen nach der Belichtung, um das SU-8 zu vernetzen; Ich löte elektrische Drähte (nicht abgebildet) und trage dann Parylene zur elektrischen Verkapselung auf. (j–k) j Querschnittsdiagramm und k-Foto des Klemmmechanismus zur präzisen Steuerung der Dicke der PDMS-Membran während der Aushärtung. l Gemessenes Dickenprofil einer hergestellten PDMS-Membran mit guter Dickengleichmäßigkeit über eine Länge von 80 mm.

Um die Lufthohlräume auf dem SU-8/PDMS ACFAL herzustellen, haben wir eine einfache, hitze- und klebstofffreie Technik entwickelt, um eine flache PDMS-Membran (deren Dicke auch durch den Klemmmechanismus gesteuert wird) dauerhaft auf einem gemusterten SU-8 zu befestigen untere Schicht auf dem PZT durch Parylene-Verkapselung (Abb. 4).

a–g Mikrofabrikationsprozesse für den Wandler (nicht maßstabsgetreu). Erstellen Sie auf einer Glasplatte eine PDMS-Membran aus zwei leeren Glasplatten mithilfe des die Dicke steuernden Klemmmechanismus und lösen Sie b die PDMS-Membran von den Glasplatten. Auf PZT-Blech, c-Muster der oberen/unteren Elektroden; d Parylene auftragen, um die Haftung auf SU-8 zu verbessern (optional); e Muster der unteren SU-8-Schicht durch Fotolithographie; f Schneiden Sie die PDMS-Membran auf die gewünschte Größe zu, richten Sie sie aus und befestigen Sie sie an der gemusterten SU-8-Unterschicht auf dem PZT-Substrat; g Löten Sie elektrische Drähte (nicht gezeigt) und tragen Sie dann Parylene auf, um PDMS und SU-8 miteinander zu versiegeln.

Beim dritten Typ (d. h. SFATs mit SU-8-ACFALs) werden die Lufthohlräume durch das Kleben einer dünnen und flachen SU-8-Oberschicht, die von einer dünnen Polyesterfolie (PET) getragen wird, auf eine dickere und gemusterte SU-8-Unterschicht erzeugt (erstellt auf dem PZT-Substrat) mit einem Laminator32 (Abb. 5a–j). Um die Leistungsübertragungseffizienz durch die Linse zu optimieren, kann die Dicke des unteren SU-8 durch Schleuderbeschichtung und anschließenden Planarisierungsschritt präzise gesteuert werden33. Dadurch konnten wir eine SU-8-Unterschicht mit einer Dicke von bis zu 250 μm und einer geringen Dickenschwankung von 6 % über die gesamte Linse erzeugen (Abb. 5k), was viel kleiner ist als die 57 %ige Dickenschwankung ohne der Planarisierungsschritt (Abb. S5).

a–j Mikrofabrikationsprozesse für den Wandler (nicht maßstabsgetreu). Auf einer Glasplatte a einen Polyesterfilm (PET) anbringen, die SU-8-Deckschicht aufschleudern, anschließend lange weich backen und b den PET-Film mit SU-8 von der Glasplatte entfernen. Auf PZT-Blech, c-Muster der oberen/unteren Elektroden; d Parylene auftragen, um die Haftung auf SU-8 zu verbessern (optional); e Erstellen Sie eine dünne SU-8-Haftschicht (nicht erforderlich für SU-8 dünner als 50 μm); f Muster der unteren SU-8-Schicht durch Photolithographie; g die obere SU-8-Schicht (auf PET-Folie) mit der unteren gemusterten SU-8-Schicht auf PZT mit einem Laminator verbinden; h die obere SU-8-Schicht durch Belichtung vernetzen; Ich ziehe die PET-Folie von SU-8 ab und entferne dann das unvernetzte obere SU-8 durch Entwicklung. j Löten Sie elektrische Drähte (nicht abgebildet) und tragen Sie dann Parylene zur elektrischen Verkapselung auf. k Dickenprofil einer 250 μm dicken, strukturierten unteren SU-8-Schicht für zwei benachbarte ACFALs nach der Planarisierung, das über die meisten Linsenbereiche hinweg eine gute Gleichmäßigkeit der Dicke zeigt.

Eine weitere wichtige Funktion von ACFAL besteht darin, eine akustische Impedanzanpassung zwischen dem PZT-Substrat und dem Übertragungsmedium (Wasser) bereitzustellen, deren akustische Impedanzen sehr unterschiedlich sind und 36,19 bzw. 1,48 MRayl betragen (Tabelle S1). Um die akustische Durchlässigkeit durch jeden ACFAL-Typ zu simulieren, wird aufgrund seiner Einfachheit und Wirksamkeit ein eindimensionales (1D) akustisches Übertragungsleitungsmodell34,35 verwendet. Obwohl für diese Aufgabe eine multiphysikalische FEM-Simulation, die die Gleichungen für Akustik, Elektronik und Festkörpermechanik verbindet, im Idealfall genauere Ergebnisse liefert, schränkt der Mangel an veröffentlichten Materialeigenschaften in jedem physikalischen Bereich ihre Genauigkeit ein und wurde daher nicht verwendet. Aus den Simulationsergebnissen (Abb. 6a) sehen wir, dass mit Parylene die maximal erreichbare Durchlässigkeit zwar bis zu 44,2 % beträgt, das Maximum jedoch nur bei einer Dicke von 227 μm erreicht werden kann, was für eine typische Parylene-Abscheidung zu dick ist Prozess basierend auf Pyrolyse und Verdampfung des Parylene-Dimers. Zur Demonstration wurde Parylene mit einer realistischen Dicke von 27,5 μm (was bereits als sehr dick gilt) als Strukturschicht des Parylene ACFAL (beschriftet mit „PL“) und als Kapselungsschicht für das SFAT mit strukturierten Elektrodenringen (beschriftet mit „ER“) ausgewählt “). Bei Linsen aus PDMS ist zwar die maximal erreichbare Durchlässigkeit aufgrund der geringeren akustischen Impedanz von PDMS niedriger als die von Parylene (Tabelle S1), bei Dicken von 22 μm und 252 μm könnten theoretische Durchlässigkeiten von 16,9 % und 16,0 % erreicht werden. jeweils. Hier wählen wir die höhere Dicke für eine einfachere Handhabung der PDMS-Membran. Darüber hinaus ist die Durchlässigkeit bei einer Dicke von ~252 μm so unempfindlich gegenüber Dickenschwankungen, dass sie bei einer Dickenschwankung von ±18 μm nur auf 15,0 % abfällt. Um den Effekt der Dickenoptimierung zu demonstrieren, stellen wir in diesem Artikel zwei Arten von PDMS-ACFAL mit PDMS-Dicken von 260 μm (beschriftet mit „P260“) und 350 μm (beschriftet mit „P350“) vor, die eine theoretische Durchlässigkeit von 15,86 % (nahe …) aufweisen zum Maximalwert) bzw. 7,62 % (nahe zum Minimalwert). Wenn wir für die SU-8/PDMS-Linse eine Dicke von 35 μm für die untere SU-8-Schicht festlegen (zur einfacheren Herstellung), kann eine maximale Durchlässigkeit von 17,4 % und 16,5 % mit PDMS-Dicken von 16,5 μm und erreicht werden 248,6 μm. Für eine einfache Handhabung wählen wir eine dickere PDMS-Dicke von 245 μm (Beschriftung „S35/P245“). Schließlich bietet die auf SU-8 basierende Linse die höchste theoretische Durchlässigkeit von 50,0 %, wenn die Dicke ~272 μm beträgt. Zur Demonstration haben wir zwei Arten von SU-8 ACFAL mit einer Gesamtdicke von SU-8 von 283,5 μm (Beschriftung „S284“ für 49,54 % theoretische Durchlässigkeit) und 45 μm (Beschriftung „S45“ für 16,81 % theoretische Durchlässigkeit) hergestellt. Letzteres lässt sich im Vergleich zu Ersterem schneller herstellen und bietet dennoch eine theoretische Durchlässigkeit, die höher ist als die des PL.

Simulation und Messergebnisse zur Dickenoptimierung. a Simulierte akustische Durchlässigkeit im Vergleich zur Hauptschichtdicke für SFATs mit ACFALs auf Basis von PDMS, 35 μm dickem SU-8/PDMS, SU-8 und Parylene (auch für die Elektrodenring-SFATs); Außerdem werden die gewählten Schichtdicken für die in diesem Artikel vorgestellten Geräte zusammen mit ihren Bezeichnungen angezeigt (die Einzelheiten sind in Tabelle 1 aufgeführt). b Gemessene Impedanzgröße (oberes Diagramm) und Phase (unteres Diagramm) der hergestellten Wandler. c–d Gemessener Schalldruck in Wasser (c) entlang der vertikalen Mittelachse und d entlang der seitlichen Mittelachse auf der Brennebene der hergestellten Geräte, wenn sie mit sechs Zyklen sinusförmiger Spannungssignale von 40 Vpp bei ihrer Antiresonanzfrequenz betrieben werden . e Zusammenfassung der simulierten akustischen Durchlässigkeit (linke Y-Achse), der gemessenen Leistungsübertragungseffizienz (linke Y-Achse) und des gemessenen Spitzenschalldrucks am Brennpunkt (rechte Y-Achse) jedes Wandlertyps. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der Messwerte dar.

Die elektrischen Impedanzen der SFATs werden mit einem Vektornetzwerkanalysator (Ergänzungsmethode S3) gemessen, um ihre Antiresonanzfrequenzen zu bestimmen (Abb. 6b und Tabelle 1), bei denen die Phase der Impedanz gleich Null und die Impedanzgröße ist nahe seinem Maximum. Die gemessenen Antiresonanzfrequenzen liegen alle nahe bei den vorgesehenen 2,32 MHz (variieren zwischen 2,287 und 2,321 MHz, wobei die Abweichung hauptsächlich auf den Belastungseffekt des Linsenmaterials zurückzuführen ist, Tabelle 1). Anschließend wird die Schalldruckverteilung jedes SFAT, das mit einer gepulsten Sinusspannung von 40 Vpp bei der Antiresonanzfrequenz betrieben wird, mit einem handelsüblichen Hydrophon gemessen, das auf die vertikale Mittelachse des SFAT ausgerichtet und entlang dieser abgetastet wird, um die Brennweite und die Tiefenschärfe (DoF) zu bestimmen. und Spitzenschalldruck (Abb. 6c und Tabelle 1), gefolgt von einem seitlichen Scan entlang der Brennebene, um den Fokusdurchmesser zu charakterisieren (Abb. 6d und Tabelle 1). Die gemessenen Brennweiten liegen nahe an den vorgesehenen 5 mm (von 4,70 bis 5,14 mm, Tabelle 1), mit Brennweiten und DoFs nahe an den simulierten Werten von 363,2 μm (von 284,5 bis 386,9 μm, Tabellen 1) und 1298,3 μm (von 1190,4 bis 1443,7 μm, Tabelle 1). Der Unterschied zwischen diesen gemessenen und simulierten Fokusabmessungen ergibt sich hauptsächlich aus der Dicke der Linsen, die in der FEM-Simulation nicht berücksichtigt wird (Abb. 1d, e).

Da es schwierig ist, die Durchlässigkeit durch die Linsen direkt zu charakterisieren, charakterisieren wir die Leistungsübertragungseffizienz (PTE), die als Verhältnis der akustischen Ausgangsleistung zur angelegten tatsächlichen elektrischen Leistung definiert ist. Der gemessene Spitzenschalldruck und PTE jedes Geräts sind in Abb. 6e dargestellt. Daraus können wir erkennen, dass die gemessene Übertragungseffizienz mit Ausnahme von S284 und ER nahe an der geschätzten Durchlässigkeit liegt. Je höher der PTE, desto höher der Spitzenwert akustischer Druck. Obwohl der gemessene PTE niedriger ist als der simulierte Wert, weist S284 von allen Geräten den höchsten PTE von 30,13 % und den höchsten Spitzenschalldruck von 1,10 MPa auf, was 1,99 bzw. 1,80 Mal höher ist als die gemessenen Werte des PL (15,13 %). bzw. 0,61 MPa). Darüber hinaus weisen P260, S35-P245 und S45, die alle durch die neuen und schnelleren Mikrofabrikationsprozesse hergestellt werden, einen höheren PTE (15,86 %, 16,47 % bzw. 16,81 %) und einen höheren Spitzenschalldruck (0,68, 0,74 bzw. 0,74 %) auf 0,84 MPa) als die des PL. Darüber hinaus sehen wir beim Vergleich der Messergebnisse des nicht optimierten P350 (7,98 % und 0,5 MPa) und des optimierten P260 (15,86 % und 0,68 MPa), dass die Dickenoptimierung zu einer deutlichen Verbesserung der Fokussierungsleistung führt. Obwohl der ER theoretisch eine ähnliche Leistung wie der PL haben sollte, ist seine tatsächliche Leistung in Übereinstimmung mit früheren Experimenten viel schlechter (4,72 % und 0,28 MPa)22. Dies ist wahrscheinlich auf elektrische Randfelder zwischen Elektroden-Ring-Paaren quer zur Dickenrichtung und Nicht-Dicken-Schwingungsmodi zurückzuführen, wenn die Breite des Elektrodenrings nahe bei oder kleiner als die Dicke des PZT-Substrats ist.

In diesem Artikel werden drei neue Arten von SFATs mit ACFALs auf Basis von PDMS, SU-8/PDMS und SU-8 vorgestellt, die nicht nur zwei- bis viermal schneller mikrogefertigt werden können als die zuvor demonstrierten SFATs auf Basis von Parylene-ACFALs, die mit einem Opferverfahren hergestellt wurden ( oder Abstandsschicht), haben aber auch einen besseren PTE (bis zu 30,13 %, was doppelt so hoch ist) und einen höheren akustischen Spitzenausgangsdruck (bis zu 1,10 MPa bei angelegten 40 Vpp, was 1,8 mal höher ist), was sie zu besseren Werkzeugen macht FUS-bezogene Anwendungen wie Tumorbehandlung und transkranielle Neuromodulation. Obwohl die auf strukturierten Elektrodenringen basierenden SFATs aufgrund des Fehlens einer Lufthohlraumlinse noch einfacher herzustellen sind, weisen sie aufgrund von Vibrationsmodi außerhalb der Dicke eine schlechte Fokussierungsleistung auf, die erheblich werden, wenn die Frequenz weniger als mehrere zehn MHz beträgt ( bei dem die Ringbreite nicht viel größer ist als die PZT-Dicke). Um die Leistung unserer Geräte besser bewerten zu können, haben wir unsere Geräte mit veröffentlichten hocheffizienten akustischen Wandlern verglichen, die bei ähnlichen Frequenzen arbeiten. Die Einzelheiten sind in Tabelle S2 zusammengefasst. Da die meisten dieser Systeme jedoch aus einem Sende-Empfangs-Wandlerpaar bestehen, wird nur der kombinierte PTE angegeben, der die Multiplikation des Sende-PTE und des Empfangs-PTE darstellt, während für unsere Geräte nur der Sende-PTE charakterisiert wird, da sie sind ausschließlich für die Übertragung konzipiert. Unter der Annahme, dass die Sende- und Empfangs-PTEs in diesen Systemen gleich sind (was möglicherweise nicht zutrifft, da die Empfangs-PTE bei einigen Systemen über 90 %36 liegen kann), liegt die geschätzte Übertragungs-PTE zwischen 1 % und 71 %, während der gemeldete Ausgangsdruck angegeben wird (normiert für eine angelegte Spannung von 40 Vpp) variiert zwischen 0,18 und 1,38 MPa, wobei der höchste Wert mit einem 64-Elemente-Phased-Array erreicht wird. Im Vergleich dazu weisen unsere Geräte nicht nur eine gute Übertragungseffizienz und einen hohen Ausgangsdruck auf, sondern haben auch die Vorteile, dass sie aus einem einzigen Element bestehen und mikrogefertigt sind.

Die PTE-Werte der ACFAL-basierten SFATs, die durch ein 1D-Akustikübertragungsleitungsmodell geschätzt wurden, liegen nahe an den gemessenen Werten, mit Ausnahme von S284. In diesem Fall ist der gemessene Wert viel niedriger, möglicherweise aufgrund (1) der Zugspannung (die von der großer Wärmeausdehnungskoeffizient37) des dicken SU-8, der das PZT biegt, (2) die Oberflächenrauheit der oberen SU-8-Schicht (die schwarzen „Sprenkel“ in Abb. 2i), geformt durch den nicht glatten Polyesterfilm (PET), und/oder (3) die Ungenauigkeit des in der Berechnung verwendeten akustischen Dämpfungskoeffizienten, da es sich um den aus Messungen bei 1 GHz ermittelten Wert handelt38. Zukünftig kann ein realistischeres multiphysikalisches FEM-Simulationsmodell von ACFAL in 2D oder 3D, das die Wechselwirkung zwischen dem Linsenmaterial und dem piezoelektrischen Substrat berücksichtigt, verwendet werden, um den Ausgangsdruck und den PTE genau vorherzusagen.

Um die Leistung der Geräte weiter zu verbessern, kann das Substratmaterial durch einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff ersetzt werden, z. B. einen 1–3-Verbundwerkstoff bestehend aus einem Bleimagnesiumniobat-Bleititanat-Einkristall (PMN-PT) und Epoxidharz, das eine geringere hat Verlust, niedrigere akustische Impedanz und höherer elektromechanischer Kopplungskoeffizient39,40. Darüber hinaus könnte die akustische Impedanz der Linsenmaterialien durch die Zugabe von Nanopartikeln aus Titanoxid (TiO2)38,41 erhöht werden, wodurch die akustische Impedanz des Linsenmaterials näher an die Quadratwurzel des Produkts der akustischen Impedanzen von PZT und Wasser herangeführt wird ( 7,32 MRayl) für eine bessere akustische Anpassung31. Diese beiden Verbesserungen können problemlos in die in diesem Dokument beschriebenen Prozesse integriert werden.

Abgesehen von SFATs können die in diesem Artikel beschriebenen Mikrofabrikationstechniken auch für die Herstellung anderer Arten von Geräten mit hohlen oder hängenden Strukturen nützlich sein, einschließlich akustischer Pinzetten auf Basis modifizierter ACFALs42, mikrofluidischer Geräte, optischer Wellenleiter und photonischer 3D-Kristalle. Im Gegensatz zu ähnlichen Verfahren zur Herstellung hohler oder hängender Strukturen, einschließlich Methoden, die auf (1) der Entfernung einer Abstandsschicht (oder Opferschicht) durch Ätzen25 oder thermische Hochtemperatur-Depolymerisation43, (2) zusätzlichen additiven Fertigungsschritten wie Elektroplattieren44, (3) basieren. modifizierte Fotolithographieprozesse wie Graustufenlithographie45, Lithographie mit beweglicher Maske46, holographische Lithographie47 oder (4) Lithographieprozesse mit abgeschiedener Metallmaske48, Bildumkehr-Fotolack49 und Quellen für die Belichtung im tiefen UV-Bereich, die nicht mit der Absorptionswellenlänge des Fotolacks übereinstimmen50, die hier beschriebenen Ansätze Papier sind einfach, zeiteffizient und erfordern keine komplizierte Ausrüstung, komplexe Einrichtung oder sehr hohe Temperaturen (Tabellen 2 und 3). Tatsächlich müssen nur die Fotolithographieschritte in einem Reinraum durchgeführt werden, während andere Prozesse in einem normalen Nasslabor durchgeführt werden können. Darüber hinaus schließen sich die in diesem Dokument beschriebenen Fertigungsmethoden nicht gegenseitig aus und können je nach verfügbarer Ausrüstung und Fertigungsanforderungen flexibel kombiniert werden. Beispielsweise kann die Parylene-Verkapselungsmethode zur Herstellung von SU-8/PDMS-SFATs auch zur Herstellung von PDMS-SFATs verwendet werden. Alternativ kann auch das laminierte SU-8-Klebeverfahren zum Kleben von PDMS auf SU-8 verwendet werden.

Die Herstellung aller SFATs beginnt mit einem 1 mm dicken quadratischen PZT-5A-Substrat mit vorab abgeschiedenen 100 nm dicken Nickelelektroden auf beiden Seiten (Piezo.com). Auf einem quadratischen PZT-Substrat mit einer Seitenlänge von 36,2 mm können vier quadratische SFATs mit Seitenlängen von 16,0 mm parallel hergestellt werden (Abb. S6) und nach der Herstellung durch Wafer-Dicing getrennt werden. Die oberen und unteren Elektroden werden durch Photolithographie (Prozess A in Tabelle 3) und Nassätzen bei 30 °C (Nickelätzmittel TFG, Transene Company Inc.) strukturiert. Die Ausrichtung von vorne nach hinten wird erreicht, indem eine Ecke des PZT-Substrats an Referenzecken auf den Fotomasken ausgerichtet wird. Bei den auf Elektrodenringen basierenden SFATs sind die Elektroden in Fresnel-Ringmuster strukturiert, die durch eine rechteckige Elektrode verbunden sind (Abb. S3), während bei den anderen ACFAL-basierten SFATs kreisförmige Elektroden (zusammen mit kreuzförmigen Ausrichtungsmarkierungen) strukturiert sind (Abb . 3d, 4c, 5c und Abb. S7).

Als optionaler Schritt für SFATs mit einer SU-8-Schicht kann die Haftung zwischen der unteren SU-8-Schicht und PZT/Nickel durch Abscheidung (mit einem PDS 2010 Parylene Coater, Specialty Coating Systems Inc.) von 3,5 μm verbessert werden. dickes Parylene (DPX-D, Specialty Coating Systems Inc.) (Abb. 3e, 4d und 5d). Da die Haftung zwischen SU-8 und PZT/Nickel jedoch bereits sehr gut ist, ist diese Parylene-Schicht in den meisten Fällen nicht erforderlich, es sei denn, die SU-8-Schicht auf der Linse ist sehr dick (z. B. über 200 μm dick). Anschließend wird auf dem PZT ein ACFAL gemäß den in den folgenden Unterabschnitten beschriebenen Schritten hergestellt.

Die Mikrofabrikationsprozesse für SFATs mit PDMS ACFAL sind in Abb. 3a – i dargestellt. Zuerst wird eine SU-8-Form auf einer quadratischen 4-Zoll-Glasplatte strukturiert (Prozess H in Tabelle 3) mit einer 2 μm dicken flachen SU-8 als Haftvermittlungsschicht (Prozess G in Tabelle 3) (Abb . 3a). Die Bereiche mit SU-8-Mustern bilden später nach dem Gießen Lufthohlräume auf der PDMS-Membran. Um die in SU-8 eingebaute Spannung zu reduzieren und eine gute Haftung auf Glas zu gewährleisten, werden während der Backschritte eine niedrigere Backtemperatur mit langsamer Anstiegsrate und längerer Backzeit verwendet. Die Glasplatte ist groß genug für vier Muster mit einer Seitenlänge von 36,2 mm, wodurch pro Guss sechzehn PDMS-Linsen mit 16 × 16 mm2 entstehen. Um zu verhindern, dass hohle Lufthohlräume auf der gegossenen PDMS-Membran kollabieren, legen wir die Luftspalthöhe, die der Dicke der SU-8-Form entspricht, auf 50 μm fest (Abb. 2e). Aufgrund unserer Erfahrungen mit 260 μm dickem PDMS wird empfohlen, dass die Lufthohlraumhöhe mehr als 1/18 der breitesten Lufthohlraumringbreite (in diesem Fall 790 μm) beträgt. Zur zusätzlichen Unterstützung platzieren wir außerdem acht Stützpfeiler mit einem Durchmesser von 200 μm auf jedem Lufthohlraumring (Abb. 2a). Obwohl phasenverschobene akustische Wellen die Stützpfeiler passieren können, nehmen sie nur 0,25 % der gesamten aktiven Fläche ein und beeinflussen die Fokussierung vernachlässigbar. Um zu verhindern, dass PDMS nach dem Gießen dauerhaft am Glas haftet, wird die SU-8/Glasform anschließend hydrophob silanisiert (SIH5841.0, Gelest Inc.). Für die Silanbehandlung wird die Form zunächst 1 Minute lang mit O2-Plasma (35 W, 265 mTorr) behandelt und dann sofort zusammen mit einem Glasobjektträger mit mehreren Tropfen (~0,2) in einen Vakuumexsikkator (Bel-Art Products Inc.) gegeben 1 ml Silan darüber geben und anschließend über Nacht pumpen.

Als nächstes gießen wir PDMS auf die SU-8/Glasform, um die PDMS-Linsen zu erstellen (Abb. 3b). Um die Dicke des PDMS (die für die Maximierung des PTE durch die Linse von entscheidender Bedeutung ist) genau zu steuern, wurde ein Klemmmechanismus entworfen und bearbeitet (Abb. 3j, k). Der Klemmmechanismus besteht aus drei Metallplatten: eine mit quadratischer Öffnung, eine andere mit einer Aussparung (zur Aufnahme von Glasplatten) und die dritte als Plattformbasis. Die mittlere Metallplatte (mit der Aussparung), die die Glasplatte mit einer SU-8-Form hält, ist auf einem höhenverstellbaren, hochpräzisen, vertikal linear beweglichen Tisch (SEMZA-60, SF Technology Co., Ltd.) befestigt. wohingegen die obere Metallplatte, die eine hydrophob behandelte quadratische leere 4,5-Zoll-Glasplatte mit Schrauben hält, an vier Metallpfosten (Thorlabs Inc.) mit Rändelschrauben (Thorlabs Inc.) in der Nähe ihrer vier Ecken befestigt ist. Der Lineartisch und die vier Metallpfosten sind alle an der unteren Metallplatte befestigt. Um die PDMS-Linsen herzustellen, werden Basispolymer und Härter (Sylgard 184, Dow Inc.) zunächst 5 Minuten lang in einem Gewichtsverhältnis von 10:1 gemischt und 50 Minuten lang in einem Vakuumexsikkator entgast. Im Klemmmechanismus werden zunächst die obere und die untere Glasplatte so nah aneinander gebracht, dass sie parallel zueinander sind. Als nächstes wird die mittlere Metallplatte abgesenkt, um das SU-8/Glas abzusenken, und ein berechnetes Volumen (basierend auf der Enddicke) der PDMS-Mischung wird auf die Form übertragen und vorsichtig ausgebreitet, um alle SU-8-Muster mit einem zu bedecken Reinraumtupfer (Texwipe Co LLC), gefolgt von einem zweiten Entgasungsschritt zur Entfernung von Luftblasen. Der Tisch wird dann langsam angehoben, bis der Spaltabstand zwischen zwei Glasplatten der gewünschten Enddicke der PDMS-Membran entspricht (bezogen auf den Tischmikrometer), und die gesamte Baugruppe wird 4 Stunden lang bei 60 °C in einer Konvektion gebacken Ofen (DX-302C, Yamato Scientific America Inc.). Es wird eine relativ niedrige Aushärtetemperatur gewählt, um die Ausbeulung der an vier Kanten eingespannten oberen Glasplatte aufgrund der Wärmeausdehnung sowie die Schrumpfung des PDMS nach dem Aushärten zu minimieren. Nach dem Aushärten werden die Glasplatten, zwischen denen sich das ausgehärtete PDMS befindet, aus dem Mechanismus gelöst und durch langsames Hebeln mit einer Rasierklinge (VWR International Inc.) an einer Ecke voneinander getrennt, um einen kleinen Spalt zu schaffen, während gleichzeitig Isopropanol (IPA) hineingesprüht wird Lücke. Nach der Trennung kann das PDMS mit Hilfe von aufgesprühtem IPA langsam vom SU-8/Glas abgezogen, in vier 36,2 × 36,2 mm2 große Blätter (gleiche Größe wie die PZT-Schallquelle) geschnitten und so zugeschnitten werden, dass das obere Lötpad entsteht auf dem PZT (Abb. 2a) wird nach dem Verkleben nicht von der PDMS-Membran abgedeckt. Die Dicke der gegossenen PDMS-Membran wird mit einem Stufenprofilometer (DektaXT, Bruker Corp.) gemessen (Abb. 3l).

Anschließend wird die PDMS-Membran ausgerichtet und mit einer dünnen Schicht SU-8 als Klebstoff mit dem PZT-Substrat verbunden (Abb. 3f – h). Eine 3,5 μm dicke SU-8-Schicht wird auf das PZT aufgeschleudert (Prozess B in Tabelle 3) und weich gebacken (Abb. 3f). Beim Schleuderbeschichten wird das obere Lötpad auf dem PZT durch ein kleines Stück Kaptonband geschützt, das nach dem Weichbacken abgezogen wird, um das Lötpad freizulegen. Die PDMS-Membran wird mit IPA und entionisiertem (DI) Wasser gereinigt, mit N2 geföhnt, erneut mit Scotch Magic Tape (Firma 3 M) gereinigt, um alle verbleibenden Partikel zu entfernen, und 1 Minute lang mit O2-Plasma behandelt (35 W, 265). mTorr), um eine gute Haftung auf SU-8 zu gewährleisten. Innerhalb von 10 Minuten nach der Plasmabehandlung wird die PDMS-Membran unter einem Stereomikroskop (Abb. 3g) mithilfe von Nickel-Ausrichtungsmarkern ausgerichtet und am PZT-Substrat befestigt (Abb. S7). Um mögliche Fehler bei der manuellen Ausrichtung zu tolerieren, ist die Kante der kreisförmigen Elektroden so konzipiert, dass sie in der Mitte des äußersten Lufthohlraumrings sitzt, dessen Breite 400 μm beträgt, was einen Ausrichtungsfehler von ±200 μm ermöglicht. Während des Prozesses wird die PDMS-Membran mit zwei Kunststoffpinzetten über der PZT-Folie gehalten. Nach der Ausrichtung wird ein Teil der PDMS-Membran abgesenkt und mit SU-8 auf PZT in Kontakt gebracht. Anschließend wird der Rest des PDMS schrittweise abgesenkt, um die Kontaktfläche zu vergrößern. In diesem Stadium ist das weichgebackene SU-8 verfestigt, aber nicht vernetzt; Wenn also zu irgendeinem Zeitpunkt des Prozesses die Ausrichtung nicht zufriedenstellend ist oder sichtbare Luftblasen vorhanden sind, kann die PDMS-Membran für bis zu drei Versuche der Neuausrichtung und erneuten Befestigung angehoben werden. Wenn einer dieser Versuche nach drei Versuchen nicht zu einer zufriedenstellenden Ausrichtung und Befestigung geführt hat, kann die PDMS-Oberfläche erneut gereinigt und durch Plasmabehandlung reaktiviert werden, bevor ein oder mehrere weitere Versuche zur Ausrichtung und Befestigung durchgeführt werden.

Wenn das PDMS auf dem PZT-Substrat befestigt wird, wird der Chip erneut weich gebacken (von 40 auf 80 °C mit einer Anstiegsrate von 9 °C/min, 3 min lang gebacken und auf Raumtemperatur abgekühlt), währenddessen das PDMS Die Membran wird sanft gegen das PZT-Substrat gedrückt, während sich das SU-8 verflüssigt und in guten Kontakt mit der PDMS-Membran sowie der rauen PZT-Oberfläche kommt (mit einer Dickenschwankung von ~ ± 1 μm). Nach der Flächenbelichtung und dem Nachbelichtungsbacken (PEB) zur Vernetzung von SU-8 (Prozess B in Tabelle 3) entsteht eine feste Bindung (Abb. 3h). Nach dem Bonden wird das PZT-Substrat in vier einzelne SFATs zerteilt (Abb. 2a) und Drähte werden auf die Lötpads ihrer oberen und unteren Elektroden gelötet, gefolgt von einer Parylene-Abscheidung zur elektrischen Einkapselung (Abb. 3i). Während der abschließenden Parylene-Abscheidung besteht ein großer Druckunterschied zwischen den versiegelten Lufthohlräumen (bei einem Atmosphärendruck von 760 Torr) und der Abscheidungskammer (deren Druck weniger als 20 mTorr beträgt), aber die Bindungsstärke ist stark genug, um einem solchen standzuhalten Druckunterschied.

Für SFAT mit SU-8/PDMS ACFAL haben wir zunächst flaches PDMS mit demselben Spannmechanismus mit zwei leeren Glasplatten gegossen (Abb. 4a, b). Anschließend wird 35 μm dickes SU-8 auf dem PZT strukturiert (Abb. 4e, Prozess C in Tabelle 3), um den Raum der Lufthohlräume und Stützpfeiler zu definieren, gefolgt vom Zerteilen des PZT-Substrats in vier einzelne Chips. Als nächstes wird die flache PDMS-Membran zugeschnitten, gereinigt, ausgerichtet und unter einem Stereomikroskop an SU-8 auf dem PZT-Substrat befestigt (Abb. 4f). Das vernetzte SU-8 und PDMS weisen eine gute Kohäsion auf. Sobald das PDMS mit SU-8 in Kontakt ist, kann es somit fest an Ort und Stelle bleiben, während es im Falle einer Fehlausrichtung oder von Luftblasen auch zur Neuausrichtung beschädigungsfrei abgezogen werden kann. Nachdem die Drähte gelötet wurden, wird das SFAT durch eine Parylene-Abscheidung eingekapselt, die PDMS und SU-8 dauerhaft miteinander versiegelt und gleichzeitig einen engen Kontakt zwischen den beiden Materialien aufrechterhält (Abb. 4g). Da die Lufthohlräume unter Atmosphärendruck stehen, während die Abscheidung im Vakuum erfolgt, entstehen auf der unteren SU-8-Schicht acht 35 μm breite Entlüftungskanäle (deren Gesamtfläche vernachlässigbar klein ist) (Abb. 2b, h). Druckausgleich während der Parylene-Abscheidung. Nach der Abscheidung werden die Lufthohlräume bei einem Druck nahe dem Vakuum abgedichtet, und somit hilft der höhere Druck außerhalb der Linse in der Umgebung dabei, die PDMS-Membran gegen SU-8 zu drücken und so einen engen Kontakt sicherzustellen, während die Stützpfeiler und die steifere Parylene-Schicht verhindern das Kollabieren der Lufthohlräume. Während unserer Tests konnten keine Delaminationen zwischen den Schichten oder das Zusammenfallen von Lufteinschlüssen festgestellt werden.

Basierend auf einer zuvor beschriebenen SU-8-Klebemethode32 befestigen wir zunächst eine Polyesterfolie (PET) mit Klebstoff auf einer Seite einer quadratischen 4-Zoll-Glasplatte (Abb. 5a). Die selbstklebende PET-Folie besteht aus einem doppelseitigen thermischen Trennband mit beidseitigen PET-Trägern (Revealpha 3195 M, Semiconductor Equipment Corp.), dessen Ablösetemperatur (120 °C) viel höher ist als die maximale Backtemperatur von 90 °C °C und funktioniert daher während der Verarbeitung wie ein normales Klebeband (obwohl wir dieses Klebeband ausgewählt haben, weil es in unserem Labor leicht verfügbar ist, sollten auch andere PET-Bänder mit Antihaft-Oberflächenbehandlung funktionieren). Die PET-Liner (die sich nach der Verarbeitung leicht vom Kleber trennen lassen) auf beiden Seiten haben unterschiedliche Dicken von 38 und 75 μm, die zur Unterstützung der oberen SU-8-Schichten von 30 μm (für P284) und 10 μm (für P284) dienen. für P45) während der Herstellung (wobei die andere Seite des PET-Liners entfernt wurde). Anschließend wird SU-8 auf die PET-Folie aufgeschleudert und mit einer langen Backzeit weichgebacken, um zu verhindern, dass sich die Lufthohlräume aufgrund der Schwerkraft während des späteren Klebevorgangs füllen (Abb. 5a, Prozess D und Prozess F in Tabelle). 2 für 10 μm dickes bzw. 30 μm dickes SU-8). Anschließend wird die SU-8-beschichtete PET-Folie vorsichtig von der Klebeschicht getrennt (Abb. 5b) und die Folie auf das PZT-Substrat zugeschnitten und zugeschnitten. In einer Charge können Filme für 16 Linsen (die vier PZT-Substrate abdecken) hergestellt werden.

Auf dem PZT-Substrat wird durch Photolithographie eine untere Schicht aus SU-8 erzeugt (Abb. 5f, Prozess C und Prozess E in Tabelle 3 für 35 μm dickes bzw. 250 μm dickes SU-8). Vor der Herstellung des 250 μm dicken SU-8 wird eine 3,5 μm dicke flache SU-8-Haftvermittlerschicht aufgebracht, um eine Delamination aufgrund der eingebauten Zugspannung in der dicken SU-8-Schicht zu verhindern (Prozess B in Tisch 3). Für das 250 μm dicke SU-8 wird nach dem Schleuderbeschichten ein Dickenplanarisierungsschritt33 durchgeführt (für das 35 μm dicke SU-8 nicht erforderlich, da seine Dicke gleichmäßig genug ist), indem die Lösung zum Entfernen von Kantenentlackungen aufgesprüht wird (EBR-PG, Kayaku Advanced Materials) mit einem kompakten Sprühgerät auf Aerosolbasis (Preval Inc.) aus 15 cm Entfernung für 10 Sekunden auf den SU-8 auftragen und dabei den Chip langsam drehen, um eine gleichmäßige Abdeckung zu gewährleisten. Durch die Zugabe der EBR-Lösung wird die Viskosität von SU-8 stark verringert, und die verringerte Viskosität unterstützt das Aufschmelzen von SU-8 und eliminiert Luftblasen, wodurch die SU-8-Schicht ähnlich wie das SU-8-beschichtete PZT-Substrat abgeflacht wird 10 Stunden lang bei Raumtemperatur auf einer ebenen Oberfläche ruhen lassen, gefolgt von 2 Stunden bei 40 °C, während sie mit einer Petrischalenabdeckung mit einem Loch von 1 mm Durchmesser in der Mitte abgedeckt wurden, damit die EBR-Lösung verdunsten konnte. Danach wird SU-8 mit gleichmäßiger Dicke gemäß Prozess E in Tabelle 3 verarbeitet. Die Dicke der SU-8-Schicht (Abb. 5k) wird mit einem Stufenprofilometer (DektaXT, Bruker Corp.) gemessen.

Als nächstes werden die obere und untere SU-8 verbunden, indem zunächst die untere SU-8 1 Minute lang mit O2-Plasma (35 W, 265 mTorr) behandelt wird, um eine gute Haftung zwischen den beiden Schichten sicherzustellen. Dann wird der mit SU-8 beschichtete PET-Film mit der SU-8-Seite nach unten auf das PZT-Substrat gelegt, wobei die dicke SU-8-Schicht nach oben zeigt, und beide SU-8-Schichten werden in einem Laminator verbunden ( TCC6000, Tamerica Products Inc.) bei 80 °C mit einer Geschwindigkeitseinstellung von 3. Während des Laminierungsprozesses schmilzt das unvernetzte obere SU-8 und haftet am unteren SU-8 (Abb. 5g). Der Einsatz des Laminators und die Flexibilität der PET-Folie gewährleisten außerdem eine gleichmäßige Verbindung über das gesamte PZT-Substrat trotz der Dickenunterschiede auf der Unterseite von SU-8. Dann werden die Bereiche, in denen zwei Schichten SU-8 verbunden werden müssen, UV-Licht ausgesetzt, gefolgt von einem PEB-Schritt (Abb. 5h, Prozess D und Prozess F in Tabelle 3 für 10 μm und 30 μm dick). SU-8), um den oberen SU-8-Film zu vernetzen und eine starke Verbindung zu bilden. Anschließend konnte die PET-Folie vorsichtig mit einem IPA-Spray abgezogen werden, ohne dass die verklebten SU-8-Schichten beschädigt wurden, und anschließend das unvernetzte SU-8 durch Entwicklung entfernt werden (Abb. 5i). Anschließend wird das PZT-Substrat in vier Chips zerteilt, elektrische Drähte verlötet und die Chips zur elektrischen Verkapselung mit Parylene versiegelt (Abb. 5j).

Die Simulation der Durchlässigkeit durch die Nicht-Lufthohlraumbereiche eines ACFAL basiert auf einem 1D-Mehrschicht-Akustikübertragungsleitungsmodell34,35. Im Modell werden die akustischen Wellen vom PZT mit einer akustischen Impedanz von Z0 übertragen, passieren das ACFAL mit N Schichten und erreichen das Medium (Wasser) mit einer akustischen Impedanz von ZN + 1. Unter der Annahme eines normalen Einfalls ist jede Schicht i (i = 1, 2, …, N, wobei die erste Schicht die direkt über dem PZT und die N-te Schicht die direkt unter Wasser ist) innerhalb des ACFAL kann als Transfermatrix modelliert werden, die unten beschrieben wird34:

wobei j die imaginäre Einheitszahl ist; d ist die Schichtdicke; Z ist die akustische Impedanz; und k ist die komplexe Wellenzahl unter Berücksichtigung der akustischen Dämpfung, die ausgedrückt wird als:

wobei f die Frequenz (2,32 MHz) ist; c ist die Schallgeschwindigkeit; und α ist der akustische Dämpfungskoeffizient in Np/m. Die Eigenschaften der in der Berechnung verwendeten Materialien sind in Tabelle S1 aufgeführt.

Durch Ableitung akustischer Übertragungsleitungsgleichungen34 können der Schalldruck P und die Schallgeschwindigkeit V in PZT und Wasser mit der folgenden Gleichung korreliert werden:

Lassen

Dann kann der akustische Transmissionsgrad T ausgedrückt werden als35:

Zur Messung des Schalldrucks der SFATs wird ein Kapselhydrophon (HGL-0085, Onda Corp.) verwendet. Während der Messung wird das nach unten gerichtete Hydrophon, eingetaucht in einen Wassertank, durch optische Pfostenklemmen an optischen Pfosten (Newport Corp.) gehalten, die auf einem fünfachsigen, hochpräzisen beweglichen Tisch befestigt sind, der aus zwei manuellen goniometrischen Tischen (GON-65L und GON-65L) besteht GON-65U, Newport Corp.) und einem dreiachsigen motorisierten Tisch (OSMS26-XYZ, OptoSigma Corp.) Das Hydrophon wird zunächst gescannt und auf den Brennpunkt des zu testenden SFAT ausgerichtet, der mit der Vorderseite nach oben unter dem Hydrophon platziert wird. Das Hydrophon wird dann entlang der vertikalen Mittelachse abgetastet, um die Position der Brennebene zu bestimmen (Abb. 6c) und entlang der seitlichen Mittelachse an der Brennebene (Abb. 6d), um die laterale Schalldruckverteilung zu messen. Während der Hydrophonmessung wird ein Funktionsgenerator (AFG-3252, Tektronix Inc.) verwendet, um gepulste sinusförmige Spannungssignale bei der gemessenen Antiresonanzfrequenz jedes Geräts mit sechs Zyklen sinusförmiger Wellen pro Impuls zu erzeugen, die durch eine Leistung verstärkt werden Verstärker (75A250, Amplifier Research Corp.) und auf den SFAT angewendet. Während der Messung wird ein Oszilloskop (MDO3014, Tektronix Inc.) verwendet, um gleichzeitig die angelegte Spannung nach einem 10:1-Spannungsdämpfer (TA197, Pico Technology LLC) sowie das Signal vom Hydrophon nach einem 20-dB-Vorverstärker zu überwachen ( AH-2010, Onda Corp.). Für jeden zu testenden SFAT wird der Eingangsspannungspegel vom Funktionsgenerator so angepasst, dass die am SFAT angelegte Spannung 40 Vpp beträgt.

Um den PTE zu berechnen, schätzen wir zunächst die gesamte Schallleistung. Dazu wird der gemessene Schalldruck P mithilfe der folgenden Gleichung31 in die Intensität I umgerechnet:

Dabei ist Zac die akustische Impedanz von Wasser (1,48 MRayl). Da die meiste Leistung in der Brennpunktzone konzentriert ist, wird die geschätzte Schallleistung unter der Annahme, dass die Druckverteilung entlang der zentralen vertikalen Achse achsensymmetrisch ist, durch ein Oberflächenintegral in der Nähe des Brennpunkts über der Brennebene mit einem radialen Abstand von der Mittelachse berechnet im Bereich von 0 bis 1,1 mm. Die Intensität in einem bestimmten radialen Abstand wird geschätzt, indem der Durchschnitt der gemessenen Intensitätswerte auf der linken und rechten Seite der 1D-Intensitätsverteilung gebildet wird, die aus Abb. 6d unter Verwendung von Gl. berechnet wird. (6). Somit kann die Leistung durch die folgende Gleichung berechnet werden:

während die tatsächliche elektrische Leistung anhand der Gleichung berechnet wird:

wobei R der Realteil der gemessenen elektrischen Impedanz Zelec ist. Schließlich wird der PTE wie folgt berechnet:

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Orsi, F. et al. Hochintensive fokussierte Ultraschallablation: wirksame und sichere Therapie solider Tumoren an schwierigen Lokalisationen. AJR Am. J. Röntgenol. 195, W245–W252 (2010).

Artikel Google Scholar

Legon, W. et al. Transkraniell fokussierter Ultraschall moduliert die Aktivität des primären somatosensorischen Kortex beim Menschen. Nat. Neurosci. 17, 322–329 (2014).

Artikel Google Scholar

Burgess, A. & Hynynen, K. Nichtinvasive und gezielte Medikamentenabgabe an das Gehirn mittels fokussiertem Ultraschall. ACS Chem. Neurosci. 4, 519–526 (2013).

Artikel Google Scholar

Lee, J. et al. Transversales akustisches Einfangen mit gaußförmig fokussiertem Ultraschall. Ultraschall Med. Biol. 36, 350–355 (2010).

Artikel Google Scholar

Elrod, SA et al. Düsenlose Tropfenbildung mit fokussierten akustischen Strahlen. J. Appl. Physik. 65, 3441–3447 (1989).

Artikel Google Scholar

Tseng, VF-G., Bedair, SS & Lazarus, N. Phased-Array-Fokussierung für akustische drahtlose Energieübertragung. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 65, 39–49 (2018).

Artikel Google Scholar

Beniwal, S. & Ganguli, A. Fehlererkennung rund um Bewehrungsstäbe in Beton mittels fokussiertem Ultraschall und Umkehrzeitmigration. Ultraschall 62, 112–125 (2015).

Artikel Google Scholar

Wu, J., Chase, JD, Zhu, Z. & Holzapfel, TP Temperaturanstieg in einem gewebeähnlichen Material, erzeugt durch unfokussierte und fokussierte Ultraschallwandler. Ultraschall Med. Biol. 18, 495–512 (1992).

Artikel Google Scholar

Anderson, CD, Walton, CB & Shohet, RV Ein Vergleich von fokussiertem und unfokussiertem Ultraschall für die Mikrobläschen-vermittelte Genabgabe. Ultraschall Med. Biol. 47, 1785–1800 (2021).

Artikel Google Scholar

Sayseng, V., Grondin, J., Weber, RA & Konofagou, E. Ein Vergleich zwischen unfokussierten und fokussierten Übertragungsstrategien bei der Bildgebung der Herzbelastung. Physik. Med. Biol. 65, 03NT01 (2020).

Artikel Google Scholar

Nguyen, TP et al. Design, Herstellung und Bewertung eines multifokalen Punktwandlers für Hochfrequenz-Ultraschallanwendungen. Sensoren 19, 609 (2019).

Artikel Google Scholar

Jeong, JS, Cannata, JM & Shung, KK Dual-Fokus-Ultraschallwandler zur Erzeugung breiter Gewebeläsionen. Ultraschall Med. Biol. 36, 1836–1848 (2010).

Artikel Google Scholar

Woodacre, J. & Brown, J. Eine Bewertung von PZT5A, PIN-PMN-PT-Einkristall und hochdielektrischem PZT für einen 5 mm x 5 mm großen Histotripsie-Wandler. Im Jahr 2019 wurde IEEE Int. Ultraschall. Symp. 2596–2599 https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2019.8925688 (2019).

Lu, M., Wan, M., Xu, F., Wang, X. & Chang, X. Design und Experiment eines 256-Element-Ultraschall-Phased-Arrays für die nichtinvasive fokussierte Ultraschallchirurgie. Ultraschall 44, e325–e330 (2006).

Artikel Google Scholar

Li, K., Bai, J., Chen, Y. & Ji, X. Experimentelle Bewertung der Zielgenauigkeit eines ultraschallgeführten Phased-Array-Ultraschallsystems mit hoher Intensität. Appl. Akustisch. 141, 19–25 (2018).

Artikel Google Scholar

Song, GY, Huang, B., Dong, HY, Cheng, Q. & Cui, TJ Breitbandfokussierende akustische Linse basierend auf fraktalen Metamaterialien. Wissenschaft. Rep. 6, 35929 (2016).

Artikel Google Scholar

Al Jahdali, R. & Wu, Y. Akustische Fokussierung mit hoher Transmission durch impedanzangepasste akustische Metaoberflächen. Appl. Physik. Lette. 108, 031902 (2016).

Artikel Google Scholar

Farnow, SA & Auld, BA Akustische Fresnel-Zonenplattenwandler. Appl. Physik. Lette. 25, 681–682 (1974).

Artikel Google Scholar

Dutta, J., Yu, H., Lee, C.-Y. & Kim, ES Flüssigkeitsstrahlpropeller mit integriertem Behälter, Kanal und Abdeckung. Im Jahr 2007 wurde IEEE 20th Int. Konf. auf Micro Electro Mech. Syst. 683–686 https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2007.4433167 (2007).

Ravi, A., Ruyack, A., Kuo, J. & Lal, A. Lokalisierter Mikrofluidmischer unter Verwendung eines planaren GHz-Ultraschallwandlers vom Fresnel-Typ. Im Jahr 2018 IEEE Int. Ultraschall. Symp. 1–4 https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2018.8579844 (2018).

Tang, Y., Liu, S. & Kim, ES MEMS-fokussierter Ultraschallwandler mit Lufthohlraumlinse auf Basis einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Membran. Im Jahr 2020 IEEE 33rd Int. Konf. auf Micro Electro Mech. Syst. 58–61 https://doi.org/10.1109/MEMS46641.2020.9056313 (2020).

Yamada, K. & Shimizu, H. Fokussierungslinse mit planer Struktur für akustische Mikroskope. J. Acoustical Soc. Jpn. (E) 12, 123–129 (1991).

Artikel Google Scholar

Hadimioglu, B. et al. Hocheffiziente Fresnel-Akustiklinsen. 1993 IEEE Int. Ultraschall. Symp. 579–582 https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1993.339544 (1993).

Lee, C.-Y., Yu, H. & Kim, ES Akustischer Ejektor mit neuartiger Linse unter Verwendung von Luftreflektoren. Im Jahr 2006 wurde IEEE 19th Int. Konf. auf Micro Electro Mech. Syst. 170–173 https://doi.org/10.1109/memsys.2006.1627763 (2006).

Tang, Y., Wang, L., Wang, Y. & Kim, ES Bedarfsgerechter, hitzefreier Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen mit einer Größe von weniger als einem Millimeter. Im Jahr 2017 wurde IEEE 30th Int. Konf. auf Mikro. Elektro. Mech. Syst. 1196–1199 https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2017.7863630 (2017).

Tang, Y. et al. In vivo nicht-thermische, selektive Krebsbehandlung mit hochfrequentem, mittelintensivem, fokussiertem Ultraschall. IEEE Access 9, 122051–122066 (2021).

Artikel Google Scholar

Wang, Z. et al. Gerichtetes akustisches Unterwasserstrahlruder. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 58, 1114–1117 (2011).

Artikel Google Scholar

Kinsler, LE, Frey, AR, Coppens, AB & Sanders, JV Grundlagen der Akustik. (John Wiley & Sons, 1999).

Mezheritsky, AV Effizienz der Anregung piezokeramischer Wandler bei Antiresonanzfrequenz. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 49, 484–494 (2002).

Artikel Google Scholar

Hirose, S., Aoyagi, M., Tomikawa, Y., Takahashi, S. & Uchino, K. Hochleistungseigenschaften bei Antiresonanzfrequenz piezoelektrischer Wandler. Ultraschall 34, 213–217 (1996).

Artikel Google Scholar

Shung, KK Diagnostic Ultrasound: Bildgebung und Blutflussmessungen (CRC Press, 2005).

Abgrall, P. et al. Eine neuartige Herstellungsmethode für flexible und monolithische 3D-Mikrofluidstrukturen durch Laminierung von SU-8-Filmen. J. Mikromech. Mikroeng. 16, 113–121 (2006).

Artikel Google Scholar

Lee, H. et al. Ein neues Herstellungsverfahren für gleichmäßige SU-8-dicke Fotolackstrukturen durch gleichzeitiges Entfernen von Kantenwülsten und Luftblasen. J. Mikromech. Mikroeng. 21, 125006 (2011).

Artikel Google Scholar

Song, BH & Bolton, JS Ein Transfermatrix-Ansatz zur Schätzung der charakteristischen Impedanz und Wellenzahlen von schlaffen und starren porösen Materialien. J. Acoust. Soc. Bin. 107, 1131–1152 (2000).

Artikel Google Scholar

Brouard, B., Lafarge, D. & Allard, J.-F. Eine allgemeine Methode zur Modellierung der Schallausbreitung in geschichteten Medien. J. Sound Vib. 183, 129–142 (1995).

Artikel Google Scholar

Lee, HJ et al. In Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2018. Bd. 10598, 252–264 https://doi.org/10.1117/12.2296645 (SPIE, 2018).

Barber, RL, Ghantasala, MK, Divan, R., Mancini, DC & Harvey, EC Untersuchung der Spannung und Adhäsionsfestigkeit in SU-8-Resistschichten auf Siliziumsubstrat mit verschiedenen Keimschichten. J. Mikro/Nanolithogr. MEMS, MOEMS 6, 033006 (2007).

Artikel Google Scholar

Wang, S. et al. SU-8-basierte Nanokomposite für akustische Anpassungsschichten. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 56, 1483–1489 (2009).

Artikel Google Scholar

Leadbetter, J., Brown, JA & Adamson, RB Das Design von Ultraschall-Verbundwandlern aus Blei-Magnesium-Niobat-Blei-Titanat (PMN-PT) für die Strom- und Signalübertragung an implantierte Hörgeräte. Proz. Mtgs. Akustisch. 19, 030029 (2013).

Artikel Google Scholar

Herzog, T. et al. Hochleistungs-Ultraschallwandler auf Basis von PMN-PT-Einkristallen aus 1-3 Piezo-Composite. Technol. Proz. Mtgs. Akustisch. 38, 032007 (2019).

Google Scholar

Guillermic, R.-M., Lanoy, M., Strybulevych, A. & Page, JH Ein PDMS-basiertes, breitbandiges, akustisches Impedanz-angepasstes Material für Unterwasseranwendungen. Ultraschall 94, 152–157 (2019).

Artikel Google Scholar

Tang, Y. & Kim, ES Ringfokussierende Fresnel-Akustiklinse für fokussierten Ultraschall mit langer Tiefenschärfe und mehreren Einfangzonen. J. Mikroelektromech. Syst. 29, 692–698 (2020).

Artikel Google Scholar

Reed, HA et al. Herstellung von Mikrokanälen unter Verwendung von Polycarbonaten als Opfermaterialien. J. Mikromech. Mikroeng. 11, 733 (2001).

Artikel Google Scholar

Yoon, J.-B., Lee, J.-D., Han, C.-H., Yoon, E. & Kim, C.-K. Mehrstufige Mikrostrukturherstellung mittels einstufiger 3D-Fotolithographie und einstufiger Galvanisierung. In Proc. SPIE 3512, Mater. und Gerätecharakteristik. In der Mikrobearbeitung. 358–366 https://doi.org/10.1117/12.324080 (1998).

Rammohan, A. et al. Einstufige maskenlose Graustufenlithographie zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen in SU-8. Sens. Aktoren B Chem. 153, 125–134 (2011).

Artikel Google Scholar

Hirai, Y., Sugano, K., Tsuchiya, T. & Tabata, O. Herstellung eingebetteter Mikrostrukturen unter Verwendung der Entwicklerdurchlässigkeit von halbvernetztem Negativresist. J. Mikroelektromech. Syst. 19, 1058–1069 (2010).

Artikel Google Scholar

Campbell, M., Sharp, DN, Harrison, MT, Denning, RG & Turberfield, AJ Herstellung photonischer Kristalle für das sichtbare Spektrum durch holographische Lithographie. Natur 404, 53–56 (2000).

Artikel Google Scholar

Lima, RS et al. Opferklebstoffbindung: eine leistungsstarke Methode zur Herstellung von Glasmikrochips. Wissenschaft. Rep. 5, 13276 (2015).

Artikel Google Scholar

Yao, P. et al. Mehrschichtige dreidimensionale Fotolithographie mit traditioneller planarer Methode. Appl. Physik. Lette. 85, 3920–3922 (2004).

Artikel Google Scholar

Yao, P., Schneider, G., Prather, D., Wetzel, E. & O'Brien, D. Herstellung dreidimensionaler photonischer Kristalle mit mehrschichtiger Photolithographie. Opt. Express 13, 2370–2376 (2005).

Artikel Google Scholar

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Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health im Rahmen des Zuschusses 1R01 EB026284 unterstützt. Die Autoren danken Runze Li und Junhang Zhang vom Department of Biomedical Engineering der University of Southern California für ihre Hilfe bei der Hydrophonmessung.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, University of Southern California, Los Angeles, CA, 90089-0271, USA

Yongkui Tang und Eun Sok Kim

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YT und ESK haben das Projekt konzipiert. YT führte die Experimente durch und führte die Analyse durch. ESK leitete die Experimente und die Datenanalyse. YT und ESK haben das Manuskript geschrieben.

Korrespondenz mit Yongkui Tang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Tang, Y., Kim, ES Einfache opferschichtfreie Mikrofabrikationsprozesse für akustische Fresnel-Linsen mit Lufthohlraum (ACFALs) mit verbesserter Fokussierungsleistung. Microsyst Nanoeng 8, 75 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00407-w

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Eingegangen: 18. Januar 2022

Überarbeitet: 23. April 2022

Angenommen: 25. Mai 2022

Veröffentlicht: 05. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00407-w

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