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Sep 27, 2023

sacrificio simple

Microsystems & Nanoengineering volumen 8, Número de artículo: 75 (2022) Cite este artículo 1563 Accesos 2 Citas Detalles de métricas El ultrasonido enfocado (FUS) es una poderosa herramienta ampliamente utilizada en medicina biomédica.

Microsistemas y nanoingeniería volumen 8, número de artículo: 75 (2022) Citar este artículo

1563 Accesos

2 citas

Detalles de métricas

El ultrasonido enfocado (FUS) es una poderosa herramienta ampliamente utilizada en terapia e imágenes biomédicas, así como en sensores y actuadores. Las técnicas de enfoque convencionales basadas en superficies curvas, estructuras de metamateriales y matrices en fase de múltiples elementos presentan dificultades en la fabricación masivamente paralela con alta precisión o requieren sistemas electrónicos de accionamiento complejos para funcionar. Estas dificultades se han abordado mediante transductores acústicos autoenfocados (SFAT) microfabricados con lentes acústicas de Fresnel con cavidad de aire de parileno (ACFAL), que requieren un paso que requiere mucho tiempo para eliminar la capa de sacrificio. Este artículo presenta tres tipos nuevos y mejorados de ACFAL basados ​​en polidimetilsiloxano (PDMS), una bicapa SU-8/PDMS y SU-8, que se fabrican mediante procesos simples de microfabricación sin capas de sacrificio que son de dos a cuatro veces más rápidos que los ACFAL. el de los ACFAL de Parylene. Además, al estudiar el efecto del espesor de la lente sobre la transmitancia acústica a través de la lente, se ha optimizado el rendimiento de los transductores con técnicas mejoradas de control del espesor desarrolladas para PDMS y SU-8. Como resultado, la eficiencia de transferencia de energía (PTE) medida y la presión acústica de salida máxima son hasta 2,0 y 1,8 veces mayores que las de los Parylene ACFAL, respectivamente. Las técnicas simples de microfabricación descritas en este artículo son útiles para fabricar no solo ACFAL de alto rendimiento sino también otros dispositivos miniaturizados con estructuras huecas o suspendidas para aplicaciones ópticas y de microfluidos.

El ultrasonido enfocado (FUS) se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones, incluida la ablación de tumores1, la neuromodulación transcraneal2, la administración de fármacos3, el atrapamiento sin contacto4, la eyección acústica de gotas5, la transferencia de energía inalámbrica6 y las pruebas no destructivas7. Con la energía acústica enfocada en un volumen pequeño, FUS exhibe un mejor rendimiento que su contraparte no enfocada en aplicaciones donde es deseable una alta intensidad o una resolución espacial fina8,9,10.

Para enfocar eficazmente el ultrasonido, las ondas acústicas generadas a partir de una fuente de sonido vibrante deben diseñarse para llegar a un punto focal en fase. Una forma sencilla de lograrlo es crear una superficie de transductor curva11,12 o colocar una lente acústica curva en un transductor plano5,13. Sin embargo, dichas superficies suelen fabricarse mediante técnicas de macromecanizado, incluido el fresado y el prensado térmico, cuya precisión limitada puede provocar defectos de fabricación, como rugosidad de la superficie y errores de curvatura. Alternativamente, las ondas acústicas podrían enfocarse programando el retardo de tiempo de la señal de activación aplicada en cada elemento transductor en una matriz en fase14,15. Gracias a este enfoque, la posición focal y la dirección del haz acústico se pueden controlar de forma precisa y dinámica. Sin embargo, los sistemas de matriz en fase suelen ser voluminosos y costosos, con sistemas electrónicos de accionamiento complicados y muchas conexiones eléctricas a los elementos transductores. Una tercera forma de realizar el enfoque acústico es construir lentes acústicas basadas en metamateriales que puedan exhibir propiedades extraordinarias, como un amplio ancho de banda16 o una alta transmisión17. Sin embargo, debido a sus complejas estructuras, la fabricación de estas lentes es un gran desafío.

Un método simple y eficaz para enfocar el ultrasonido es utilizar una placa de zona acústica de Fresnel delgada y plana18 que ocupa poco espacio y puede microfabricarse con alta precisión de manera masivamente paralela. Una implementación simple de este diseño es modelar los electrodos superior e inferior intercalando un sustrato piezoeléctrico en patrones de anillos de Fresnel mediante grabado húmedo de modo que solo se generen ondas acústicas que contribuyan a la interferencia constructiva en las regiones del anillo de electrodos. Sin embargo, este tipo de transductor sufre de campos eléctricos marginales, que producen modos de vibración sin espesor21, generación de calor debido a la gran resistencia en serie de los electrodos y una estricta tolerancia de alineación de adelante hacia atrás durante la fabricación. Un enfoque diferente es crear lentes acústicas Fresnel de doble capa22 o multicapa23 microfabricadas mediante grabado húmedo o grabado con iones reactivos (RIE) y unirlas a sustratos piezoeléctricos. Sin embargo, estas lentes requieren un control crítico del espesor de la capa para garantizar un buen enfoque y su fabricación requiere mucho tiempo ya que se trata de múltiples capas.

Por otro lado, nuestros transductores acústicos de enfoque automático (SFAT) demostrados anteriormente con lentes acústicas de Fresnel con cavidad de aire de parileno (ACFAL)24,25 son fáciles de microfabricar sin requisitos estrictos de control de espesor o alineación de adelante hacia atrás. Como resultado, se han aplicado con éxito en aplicaciones como el tratamiento del cáncer26, la eyección de gotas25 y la propulsión submarina27. Sin embargo, la fabricación de estas lentes de Fresnel no es eficiente en términos de tiempo debido a un paso de liberación de la capa de sacrificio necesario para crear las cavidades de aire, que puede tardar varios días en finalizar. Además, para abrir los orificios de liberación en la película de parileno, se necesita un proceso RIE, que lleva mucho tiempo y requiere una estrecha tolerancia de alineación entre los orificios de liberación y los anillos. Otra limitación del uso de parileno como material de lente es el rendimiento limitado de adaptación acústica, ya que generalmente se implementa un espesor de lente de un cuarto de longitud de onda para lograr la mayor transmisión de energía acústica28, que se vuelve irrealmente grueso para la deposición de vapor de parileno basada en dímeros cuando el El dispositivo está diseñado para frecuencias inferiores a varios MHz.

Para simplificar y ahorrar tiempo el proceso de microfabricación de SFAT, previamente desarrollamos un nuevo tipo de SFAT basado en un ACFAL hecho de polidimetilsiloxano (PDMS), que se fabricó mediante litografía suave y unión epoxi ultravioleta (UV)21. Sin embargo, la fuerza de unión entre el epoxi curable por UV y el PDMS es demasiado débil para sobrevivir a la deposición de parileno a baja presión para la encapsulación eléctrica, lo que requiere pasos adicionales. Además, el PDMS recubierto por rotación presenta un espesor no uniforme en toda la lente debido a la formación de perlas en los bordes y una mala repetibilidad del espesor entre dispositivos debido a que la viscosidad del PDMS aumenta con el tiempo después de la mezcla.

Este artículo describe procesos optimizados de microfabricación sin capa de sacrificio para PDMS ACFAL y ACFAL recientemente desarrollados basados ​​en una bicapa SU-8/PDMS y SU-8. Los tres tipos de ACFAL se pueden microfabricar de dos a cuatro veces más rápido que el Parylene ACFAL y ofrecen un mejor rendimiento de enfoque, incluida una mayor presión acústica de salida y una mayor eficiencia de transferencia de energía. Se presenta el diseño y la fabricación de SFAT recientemente desarrollados, y los resultados de las mediciones de estos dispositivos se comparan entre sí, así como con SFAT previamente demostrados basados ​​en parileno ACFAL25 y anillos de electrodos estampados19.

Un SFAT típico consta de dos partes (Fig. 1a-c): una fuente de sonido ultrasónico piezoeléctrico y una lente acústica de Fresnel con cavidad de aire (ACFAL) para enfocar. Para los SFAT basados ​​en ACFAL demostrados en este artículo, la fuente de sonido es un sustrato piezoeléctrico de titanato de circonato de plomo (PZT) de 1 mm de espesor intercalado por electrodos circulares superior e inferior que se superponen entre sí en el centro del transductor. Para proporcionar conexiones eléctricas, los electrodos circulares de níquel superior e inferior se extienden en dos almohadillas de soldadura que no se superponen ubicadas en diferentes esquinas de los transductores, donde se sueldan los cables eléctricos (Fig. 1c). Cuando se aplica a los electrodos un voltaje sinusoidal a la frecuencia antirresonante en modo de espesor fundamental del sustrato PZT (~2,32 MHz), el sustrato PZT vibra en la dirección del espesor, generando ondas de ultrasonido, que se enfocan a través del ACFAL microfabricado en el electrodo superior (Fig. 1a, b). Los dispositivos se eligen para funcionar a la frecuencia antirresonante fundamental del sustrato PZT en lugar de la frecuencia resonante, de modo que la eficiencia de conversión de energía (potencia de salida mecánica sobre potencia de entrada eléctrica) del PZT se maximice debido a pérdidas mecánicas y eléctricas significativamente menores29 ,30, que son deseables para aplicaciones donde se necesita alta potencia o alta eficiencia, como la ablación de tumores y la transferencia de energía inalámbrica.

a Diagramas esquemáticos en perspectiva que muestran un SFAT que consta de una fuente de sonido PZT con electrodos estampados y un ACFAL con cavidades de aire de anillo anular. Las partes de los cuadrantes de ACFAL y PZT se hacen translúcidas para ilustrar mejor la estructura del transductor. b Diagrama de sección transversal de un SFAT, que muestra cómo el ACFAL enfoca el ultrasonido bloqueando las ondas acústicas que interfieren destructivamente. c Diagrama de vista superior del transductor que muestra las posiciones relativas del electrodo superior (y la almohadilla de soldadura), los anillos con cavidad de aire y las regiones sin cavidad de aire. d, e presión acústica normalizada simulada por FEM en agua a 2,32 MHz desde un ACFAL ideal con seis regiones sin cavidad de aire diseñadas para una distancia focal de 5 mm (d) en el plano vertical central y e el plano focal lateral en Z = 5 mm, con la misma escala de barras de color pero diferentes escalas de dimensiones.

Cada tipo de ACFAL demostrado en este trabajo incorpora seis cavidades de aire con anillos anulares que se alternan con seis regiones sin cavidades de aire (un círculo central y cinco anillos), con el material de la lente cubriendo uniformemente el electrodo superior (Fig. 1a, c). Para comparar el rendimiento de diferentes tipos de ACFAL, todos los transductores descritos en este artículo se basan en el mismo material de sustrato, forma de electrodo (todos circulares excepto los que se basan en anillos de electrodos estampados) y patrón de anillo de la lente. Los radios de los límites de los anillos están diseñados para formar bandas de media longitud de onda de Fresnel (FHWB)22 para una distancia focal de 5 mm en agua a 2,32 MHz, de modo que la diferencia de longitud de trayectoria entre dos límites de anillos adyacentes al punto focal diseñado sea igual una media longitud de onda en agua (Fig. 1b). Como resultado, las ondas acústicas provenientes de regiones sin cavidades de aire (incluido el círculo central y los anillos exteriores) se propagan a través de la lente y llegan al punto focal parcialmente en fase (con una diferencia de fase <180°) para interferir constructivamente y generar FUS. Las ondas desfasadas generadas en las regiones de los anillos de las cavidades de aire (que habrían contribuido a la interferencia destructiva en el punto focal), por otro lado, son bloqueadas casi por completo por las cavidades de aire debido al gran desajuste entre las impedancias acústicas del aire (0,4 kRayl) 31 y el material de la lente (más de 1 MRayl; consulte la Tabla S1).

Para visualizar el FUS generado, la distribución de presión acústica normalizada se simula con el método de elementos finitos (Método complementario S1). En la simulación, por motivos generales, las ondas acústicas que pasan a través de la lente se modelan como fuentes de sonido en forma de anillo, mientras que no se consideran el grosor ni el material de la lente. A partir de los resultados de la simulación, está claro que sobre el plano vertical central (Fig. 1d), como se esperaba, se encuentra una zona focal con alta presión acústica a 5 mm por encima del centro del transductor con una profundidad de enfoque (DoF) de 1298,3 μm. En el plano focal en Z = 5 mm, se simula que el diámetro focal es de 363,2 μm (Fig. 1e).

Para evitar que la energía acústica se escape desde la parte posterior (o inferior) del transductor y así maximizar la energía acústica emitida desde la parte superior hacia el punto focal, se crea una gran cavidad de aire en la parte posterior, que cubre toda el área del electrodo al colocar láminas acrílicas mecanizadas con láser con superpegamento impermeable (Fig. 1b y Fig. S1; Método complementario S2).

Utilizando procesos de microfabricación recientemente desarrollados, fabricamos con éxito tres tipos de SFAT con ACFAL basados ​​en PDMS (Fig. 2a, e), una bicapa SU-8/PDMS (Fig. 2b, h) y SU-8 (Fig. 2c, d, f, g e i). Estos materiales se utilizan comúnmente en microfabricación y tienen buenas propiedades mecánicas y acústicas, lo que los convierte en buenos materiales estructurales para lentes acústicas microfabricadas. A modo de comparación, también fabricamos SFAT previamente demostrados basados ​​en parileno ACFAL25 (Fig. S2) y anillos de electrodos estampados19 (Fig. S3).

a – d Fotografías de vista superior de SFAT con aa PDMS ACFAL, b un SU-8/PDMS ACFAL, aproximadamente SU-8 ACFAL de 45 μm de espesor y da SU-8 ACFAL de 283,5 μm de espesor, todos antes de los cables eléctricos están soldados. e – g Fotografías de microscopio electrónico de barrido transversal (SEM) de SFAT con ea PDMS ACFAL, fa SU-8 ACFAL de 45 μm de espesor y ga SU-8 ACFAL de 283,5 μm de espesor. h – i Fotografías de microscopio de vista superior que muestran partes de h un SU-8/PDMS ACFAL y, entre otros, SU-8 ACFAL de 283,5 μm de espesor.

La información detallada del dispositivo se enumera en la Tabla 1 con los procesos de microfabricación para diferentes tipos de ACFAL resumidos en la Tabla 2, de la cual podemos ver que el tiempo de fabricación para los tres nuevos tipos de SFAT es de dos a cuatro veces más rápido que el del Parylene. -SFAT basados ​​en ACFAL, ya que hay menos deposiciones de parileno y no intervienen RIE ni pasos de liberación de capa de sacrificio.

Para los SFAT basados ​​en PDMS-ACFAL, las cavidades de aire se crean uniendo una membrana de PDMS (con ranuras realizadas mediante litografía suave) a una superficie plana de PZT. En este trabajo, mejoramos los procesos de microfabricación (Fig. 3a-i) en base a nuestro trabajo anterior21. Primero, una fina capa de fotorresistente SU-8 reemplaza el epoxi curable por UV utilizado anteriormente como adhesivo para unir la lente PDMS al sustrato PZT, lo que no solo ofrece una buena adhesión sino que también permite la realineación si la alineación inicial entre la lente y el El sustrato no es satisfactorio. Anteriormente, con el epoxi curable por UV, incluso con un paso adicional de deposición de silano para mejorar la fuerza de unión, las capas unidas se deslaminaban debido a la diferencia de presión entre las cavidades de aire (a presión atmosférica) y la cámara de deposición de baja presión durante la aplicación final de parileno. deposición para encapsulación eléctrica. Como resultado, las conexiones eléctricas deben sellarse aplicando manualmente varias capas de sellador impermeable. Ahora, con SU-8 como adhesivo, solo es necesario un tratamiento con plasma de 1 minuto para garantizar una unión fuerte que sobreviva a la deposición de parileno a baja presión. En segundo lugar, utilizamos SU-8 en una placa de vidrio cuadrada de 4 pulgadas en lugar de una oblea de silicio de 3 pulgadas grabada con DRIE como molde para la fundición de PDMS, que es más simple, más eficiente en términos de tiempo y tiene un mayor rendimiento (desde el el área del PDMS colado se cuadriplica). Además, hemos desarrollado un mecanismo de sujeción ajustable que controla con precisión el espesor del PDMS ajustando la distancia vertical entre el molde de vidrio/SU-8 y una placa de vidrio en blanco que intercala el PDMS durante el curado (Fig. 3j a l). De seis piezas fundidas de PDMS que utilizan el mecanismo de sujeción, la variación del espesor a través de las mismas membranas de PDMS fabricadas de 260 µm de espesor con una longitud lateral de 90 mm es de solo 31,6 ± 11,8 µm, lo que hace que la transmitancia acústica caiga del máximo 16 % a ~15 %, según el cálculo descrito en el siguiente inciso. En áreas de lentes más pequeñas de 16 × 16 mm2, la variación promedio del espesor es de solo 5,8 ± 4,2 μm y, en el mejor de los casos, la variación del espesor a lo largo de una longitud de escaneo de 80 mm de largo puede ser tan pequeña como 2 μm (Fig. 3l). . La variación de espesor se debe principalmente al paralelismo imperfecto entre las dos placas de vidrio, así como al abombamiento de la placa de vidrio superior sujeta en cuatro bordes debido a la expansión térmica. La repetibilidad del espesor (error entre el espesor establecido de 260 µm y el espesor promedio real) es de 30,5 ± 7,7 μm, lo que proviene principalmente del error durante el proceso de puesta a cero del mecanismo y de la precisión del micrómetro de control de altura utilizado en el proceso lineal. escenario móvil. En comparación, si el espesor del PDMS se controla mediante recubrimiento por rotación, la variación del espesor en una longitud corta de 35 mm puede ser superior a 70 μm (Fig. S4).

a–i Procesos de microfabricación del transductor (no a escala). Sobre una placa de vidrio, cree una capa de adhesión SU-8 y un molde SU-8; b replicar la membrana PDMS del molde de vidrio/SU-8, controlar el espesor del PDMS con la ayuda de un mecanismo de sujeción (Figs. 3j, k) y otra placa de vidrio en blanco; c separar la membrana PDMS de las placas de vidrio. En la hoja PZT, electrodos superior/inferior de patrón d; e depósito de parileno para mejorar la adhesión al SU-8 (opcional); f aplicar una capa fina de SU-8 y hornear suavemente; g recortar la membrana PDMS al tamaño deseado, alinearla y fijarla a la capa SU-8 en el sustrato PZT; h hornear suavemente nuevamente para licuar el SU-8 e iniciar la unión entre SU-8 y PDMS, seguido de exposición y horneado posterior a la exposición para reticular el SU-8; Sueldo cables eléctricos (no se muestran), luego deposito parileno para encapsulación eléctrica. (j – k) j Diagrama de sección transversal y k fotografía del mecanismo de sujeción diseñado para controlar con precisión el espesor de la membrana PDMS durante el curado. l Perfil de espesor medido de una membrana PDMS fabricada con buena uniformidad de espesor en una longitud de 80 mm.

Para crear las cavidades de aire en el SU-8/PDMS ACFAL, hemos desarrollado una técnica sencilla, sin calor y sin adhesivos para fijar permanentemente una membrana PDMS plana (cuyo espesor también está controlado por el mecanismo de sujeción) en un SU-8 estampado. capa inferior en el PZT a través de la encapsulación de parileno (Fig. 4).

a–g Procesos de microfabricación del transductor (no a escala). En una placa de vidrio, cree una membrana PDMS a partir de dos placas de vidrio en blanco utilizando el mecanismo de sujeción que controla el espesor y b separe la membrana PDMS de las placas de vidrio. En la hoja de PZT, electrodos superiores/inferiores con patrón c; d depósito de parileno para mejorar la adhesión al SU-8 (opcional); e patrón de la capa SU-8 inferior mediante fotolitografía; f recorte la membrana PDMS al tamaño deseado, alinéela y fíjela a la capa inferior estampada SU-8 en el sustrato PZT; Suelde los cables eléctricos (no se muestran) y luego deposite parileno para sellar PDMS y SU-8 juntos.

Para el tercer tipo (es decir, SFAT con SU-8 ACFAL), las cavidades de aire se crean uniendo una capa superior delgada y plana de SU-8 sostenida por una película delgada de poliéster (PET) sobre una capa inferior de SU-8 más gruesa y estampada. (creado en el sustrato PZT) con un laminador32 (Fig. 5a-j). Para optimizar la eficiencia de la transmisión de potencia a través de la lente, el espesor inferior del SU-8 se puede controlar con precisión mediante un revestimiento giratorio seguido de un paso de planarización33. Como resultado, hemos podido crear una capa inferior de SU-8 de hasta 250 μm de espesor con una pequeña variación de espesor del 6% en toda la lente (Fig. 5k), que es mucho menor que la variación de espesor del 57% sin el paso de planarización (Fig. S5).

a–j Procesos de microfabricación del transductor (no a escala). En una placa de vidrio, coloque una película de poliéster (PET), aplique una capa superior de SU-8 y luego hornee suavemente durante mucho tiempo, y b retire la película de PET con SU-8 de la placa de vidrio. En la hoja de PZT, electrodos superiores/inferiores con patrón c; d depósito de parileno para mejorar la adhesión al SU-8 (opcional); e crear una fina capa de adhesión de SU-8 (no es necesario para SU-8 de menos de 50 μm); f patrón de la capa SU-8 inferior mediante fotolitografía; g pegue el SU-8 superior (en película de PET) a la capa inferior de SU-8 estampada en PZT con una laminadora; h reticular la capa superior de SU-8 mediante exposición; despego la película de PET del SU-8, luego elimino el SU-8 superior no reticulado mediante el revelado; Suelde los cables eléctricos (no se muestran) y luego deposite parileno para su encapsulación eléctrica. k Perfil de espesor de una capa inferior estampada de SU-8 de 250 μm de espesor para dos ACFAL adyacentes después de la planarización, que muestra una buena uniformidad de espesor en la mayoría de las áreas de la lente.

Otra función importante de ACFAL es proporcionar una adaptación de impedancia acústica entre el sustrato PZT y el medio de transmisión (agua), cuyas impedancias acústicas son muy diferentes, siendo 36,19 y 1,48 MRayl, respectivamente (Tabla S1). Para simular la transmitancia acústica a través de cada tipo de ACFAL se utiliza un modelo de línea de transmisión acústica unidimensional (1D)34,35 debido a su sencillez y eficacia. Para esta tarea, aunque una simulación FEM multifísica que combine las ecuaciones acústicas, electrónicas y de mecánica de sólidos idealmente dará resultados más precisos, la falta de propiedades de materiales publicadas en cada dominio físico limita su precisión y, por lo tanto, no se ha utilizado. A partir de los resultados de la simulación (Fig. 6a), vemos que con parileno, aunque la transmitancia máxima alcanzable es tan alta como 44,2%, el máximo solo se puede lograr con un espesor de 227 μm, que es demasiado grueso para una deposición típica de parileno. Proceso basado en pirólisis y evaporación del dímero de parileno. Para demostración, se elige parileno con un espesor realista de 27,5 μm (que ya se considera muy grueso) como capa estructural del parileno ACFAL (etiquetado “PL”) y la capa de encapsulación para el SFAT con anillos de electrodos estampados (etiquetado “ER ”). Para lentes hechas de PDMS, aunque la transmitancia máxima alcanzable es menor que la del parileno debido a la menor impedancia acústica del PDMS (Tabla S1), se podrían lograr transmitancias teóricas del 16,9 % y 16,0 % con espesores de 22 μm y 252 μm. respectivamente. Aquí, elegimos el espesor más alto para facilitar el manejo de la membrana PDMS. Además, cuando el espesor es ~252 μm, la transmitancia es tan insensible a la variación del espesor que solo caerá al 15,0 % para una variación del espesor de ±18 μm. En este artículo, para demostrar el efecto de la optimización del espesor, presentamos dos tipos de PDMS ACFAL con espesores de PDMS de 260 μm (etiquetados como "P260") y 350 μm (etiquetados como "P350"), que tienen transmitancias teóricas del 15,86% (cerca al valor máximo) y 7,62% (cerca del valor mínimo), respectivamente. Para la lente SU-8/PDMS, si fijamos un espesor de 35 μm para la capa inferior SU-8 (para facilitar la fabricación), se puede lograr una transmitancia máxima del 17,4% y 16,5% con espesores PDMS de 16,5 μm y 248,6 µm, respectivamente. Para un fácil manejo, elegimos un espesor de PDMS más grueso de 245 μm (etiquetado como "S35/P245"). Por último, la lente basada en SU-8 proporciona la transmitancia teórica más alta del 50,0 % cuando el espesor es de ~272 μm. Para demostración, hemos fabricado dos tipos de SU-8 ACFAL con espesores totales de SU-8 de 283,5 μm (etiquetados como "S284", para una transmitancia teórica del 49,54%) y 45 μm (etiquetados como "S45", para una transmitancia teórica del 16,81%). Este último es más rápido de fabricar en comparación con el primero, aunque sigue ofreciendo una transmitancia teórica superior a la del PL.

Simulación de optimización de espesores y resultados de medición. a Transmitancia acústica simulada versus espesor de la capa principal para SFAT con ACFAL basados ​​en PDMS, SU-8/PDMS de 35 μm de espesor, SU-8 y parileno (también para los SFAT de anillo de electrodo); También se muestran los espesores de capa elegidos para los dispositivos demostrados en este artículo junto con sus notaciones (con detalles mostrados en la Tabla 1). b Magnitud de impedancia medida (gráfico superior) y fase (gráfico inferior) de los transductores fabricados. c – d Presión acústica medida en el agua (c) a lo largo del eje vertical central y d a lo largo del eje lateral central en el plano focal de los dispositivos fabricados cuando se accionan con seis ciclos de señales de voltaje sinusoidales de 40 Vpp en su frecuencia antiresonante. . e Resumen de la transmitancia acústica simulada (eje y izquierdo), la eficiencia de transferencia de energía medida (eje y izquierdo) y la presión acústica máxima medida en el punto focal (eje y derecho) de cada tipo de transductor. Las barras de error representan la desviación estándar de los valores medidos.

Las impedancias eléctricas de los SFAT se miden con un analizador de redes vectoriales (Método complementario S3) para determinar sus frecuencias antirresonantes (Fig. 6b y Tabla 1), en las cuales la fase de la impedancia es igual a cero y la magnitud de la impedancia es cerca de su máximo. Las frecuencias antirresonantes medidas están todas cerca de los 2,32 MHz diseñados (varían de 2,287 a 2,321 MHz y la desviación se debe principalmente al efecto de carga del material de la lente, Tabla 1). Luego, la distribución de la presión acústica de cada SFAT impulsado con voltaje sinusoidal pulsado de 40 Vpp en la frecuencia antirresonante se mide con un hidrófono comercial alineado y escaneado a lo largo del eje vertical central del SFAT para determinar la distancia focal y la profundidad de enfoque (DoF). y presión acústica máxima (Fig. 6c y Tabla 1), seguida de una exploración lateral a lo largo del plano focal para caracterizar el diámetro focal (Fig. 6d y Tabla 1). Las distancias focales medidas están cerca de los 5 mm diseñados (de 4,70 a 5,14 mm, Tabla 1), con diámetros focales y DoF cercanos a los valores simulados de 363,2 μm (de 284,5 a 386,9 μm, Tablas 1) y 1298,3 μm (de 284,5 a 386,9 μm, Tablas 1). 1190,4 a 1443,7 μm, Tabla 1), respectivamente. La diferencia entre estas dimensiones focales medidas y las simuladas proviene principalmente del grosor de las lentes, que no se considera en la simulación FEM (Fig. 1d, e).

Como es difícil caracterizar directamente la transmitancia a través de las lentes, caracterizamos la eficiencia de transferencia de potencia (PTE), que se define como la relación entre la potencia acústica de salida y la potencia eléctrica real aplicada. La presión acústica máxima medida y el PTE de cada dispositivo se muestran en la Fig. 6e, de la cual podemos ver que la eficiencia de transferencia medida está cerca de la transmitancia estimada, excepto para S284 y ER, y cuanto mayor es el PTE, mayor es el pico. presión acústica. Aunque el PTE medido es inferior al valor simulado, el S284 tiene el PTE más alto de 30,13% y la presión acústica máxima más alta de 1,10 MPa entre todos los dispositivos, que son 1,99 y 1,80 veces superiores a los valores medidos del PL (15,13%). y 0,61 MPa), respectivamente. Además, P260, S35-P245 y S45, que se fabrican mediante procesos de microfabricación nuevos y más rápidos, tienen un PTE más alto (15,86 %, 16,47 % y 16,81 %, respectivamente) y una presión acústica máxima (0,68, 0,74 y 0,84 MPa, respectivamente) que los del PL. Además, al comparar los resultados de medición del P350 no optimizado (7,98 % y 0,5 MPa) y el P260 optimizado (15,86 % y 0,68 MPa), vemos que la optimización del espesor da como resultado una mejora significativa en el rendimiento de enfoque. Por último, aunque teóricamente el ER debería tener un rendimiento similar al PL, su rendimiento real es mucho peor (4,72% y 0,28 MPa), de acuerdo con experimentos previos22. Es probable que esto se deba a campos eléctricos marginales entre pares de anillos de electrodos a lo largo de la dirección del espesor y modos de vibración sin espesor cuando el ancho del anillo de electrodos es cercano o menor que el espesor del sustrato PZT.

Este artículo presenta tres nuevos tipos de SFAT con ACFAL basados ​​en PDMS, SU-8/PDMS y SU-8, que no solo se pueden microfabricar de dos a cuatro veces más rápido que los SFAT previamente demostrados basados ​​en parileno ACFAL fabricados con un sacrificio ( o espaciadora), pero también tienen un mejor PTE (hasta 30,13%, que es dos veces mayor) y una presión acústica de salida máxima más alta (hasta 1,10 MPa con 40 Vpp aplicados, que es 1,8 veces mayor), lo que los convierte en mejores herramientas para Aplicaciones relacionadas con FUS, como el tratamiento de tumores y la neuromodulación transcraneal. Aunque los SFAT basados ​​en anillos de electrodos estampados son incluso más fáciles de fabricar debido a la falta de una lente con cavidad de aire, tienen un rendimiento de enfoque deficiente debido a los modos de vibración sin espesor, que se vuelven sustanciales cuando la frecuencia es inferior a decenas de MHz. en el que el ancho del anillo no es mucho mayor que el espesor del PZT). Para evaluar mejor el rendimiento de nuestros dispositivos, los comparamos con transductores acústicos de alta eficiencia publicados que funcionan a frecuencias similares, con detalles resumidos en la Tabla S2. Sin embargo, dado que la mayoría de estos sistemas constan de un par de transductores transmisor-receptor, solo se informa el PTE combinado, que es la multiplicación del PTE de transmisión y el PTE de recepción, mientras que para nuestros dispositivos, solo se caracteriza el PTE de transmisión, ya que están diseñados únicamente para transmitir. Suponiendo que los PTE de transmisión y recepción son iguales en estos sistemas (lo que puede no ser cierto, ya que el PTE de recepción puede ser superior al 90%36 para algunos sistemas), el PTE de transmisión estimado oscila entre el 1% y el 71%, mientras que la presión de salida reportada (normalizado para un voltaje aplicado de 40 Vpp) varía de 0,18 a 1,38 MPa, y el valor más alto se logra con un conjunto en fase de 64 elementos. En comparación, nuestros dispositivos no solo exhiben una eficiencia de transmisión decente y una alta presión de salida, sino que también tienen las ventajas de ser de un solo elemento y estar microfabricados.

Los valores de PTE de los SFAT basados ​​en ACFAL estimados mediante un modelo de línea de transmisión acústica 1D están cerca de los valores medidos, excepto para S284, en cuyo caso el valor medido es mucho menor, posiblemente debido a (1) la tensión de tracción (derivada de la gran coeficiente de expansión térmica 37) del SU-8 grueso que dobla el PZT, (2) la rugosidad de la superficie de la capa superior de SU-8 (las "motas" negras en la Fig. 2i), formada por la película de poliéster (PET) no suave, y/o (3) la inexactitud del coeficiente de atenuación acústica utilizado en el cálculo, al ser el valor extraído de mediciones a 1 GHz38. En el futuro, se podrá utilizar un modelo de simulación FEM multifísica más realista de ACFAL en 2D o 3D, que considere la interacción entre el material de la lente y el sustrato piezoeléctrico, para predecir con precisión la presión de salida y el PTE.

Para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos, el material del sustrato se puede cambiar a un compuesto piezoeléctrico, como un compuesto 1-3 que consiste en un monocristal de niobato de plomo y magnesio-titanato de plomo (PMN-PT) y epoxi, que tiene un menor pérdida, menor impedancia acústica y mayor coeficiente de acoplamiento electromecánico39,40. Además, la impedancia acústica de los materiales de las lentes podría aumentarse agregando nanopartículas de óxido de titanio (TiO2)38,41, lo que acercará la impedancia acústica del material de las lentes a la raíz cuadrada del producto de las impedancias acústicas de PZT y agua ( 7.32 MRayl) para una mejor adaptación acústica31. Estas dos mejoras se pueden incorporar fácilmente a los procesos descritos en este documento.

Además de los SFAT, las técnicas de microfabricación descritas en este artículo también pueden ser útiles para fabricar otros tipos de dispositivos con estructuras huecas o suspendidas, incluidas pinzas acústicas basadas en ACFAL42 modificados, dispositivos de microfluidos, guías de ondas ópticas y cristales fotónicos 3D. A diferencia de procesos similares para fabricar estructuras huecas o suspendidas, incluidos métodos basados ​​en (1) la eliminación de una capa espaciadora (o de sacrificio) mediante grabado25 o despolimerización térmica a alta temperatura43, (2) pasos adicionales de fabricación aditiva como la galvanoplastia44, (3) procesos de fotolitografía modificada, como la litografía en escala de grises45, la litografía de máscara móvil46, la litografía holográfica47 o (4) procesos de litografía que involucran una máscara de metal depositada48, un fotorresistente de inversión de imagen49 y fuentes de exposición profunda a los rayos UV que no coinciden con la longitud de onda de absorción del fotorresistente50, los enfoques descritos en este El papel es simple, ahorra tiempo y no depende de equipos complicados, configuraciones complejas o temperaturas muy altas (Tablas 2 y 3). De hecho, sólo los pasos de la fotolitografía deben realizarse en una sala limpia, mientras que otros procesos se pueden realizar en un laboratorio húmedo normal. Además, los métodos de fabricación descritos en este documento no son mutuamente excluyentes y pueden combinarse de manera flexible según el equipo disponible y las necesidades de fabricación. Por ejemplo, el método de encapsulación de parileno para fabricar SFAT de SU-8/PDMS también se puede utilizar para fabricar SFAT de PDMS. Alternativamente, el método de unión SU-8 basado en laminación también se puede utilizar para unir PDMS a SU-8.

La fabricación de todos los SFAT comienza a partir de un sustrato PZT-5A cuadrado de 1 mm de espesor con electrodos de níquel de 100 nm de espesor predepositados en ambos lados (Piezo.com). En un sustrato PZT cuadrado con una longitud lateral de 36,2 mm, se pueden fabricar en paralelo cuatro SFAT cuadrados con longitudes laterales de 16,0 mm (Fig. S6) y separarlos mediante corte en cubitos de oblea después de la fabricación. Los electrodos superior e inferior están modelados mediante fotolitografía (proceso A en la Tabla 3) y grabado en húmedo a 30 °C (Nickel Etchant TFG, Transene Company Inc.). La alineación de adelante hacia atrás se logra alineando una esquina del sustrato PZT con las esquinas de referencia de las fotomáscaras. Para los SFAT basados ​​en anillos de electrodos, los electrodos están modelados en patrones de anillos de Fresnel conectados por un electrodo rectangular (Fig. S3), mientras que los electrodos circulares (junto con marcadores de alineación en forma de cruz) están modelados para los otros SFAT basados ​​en ACFAL (Figs. .3d, 4c, 5c y Fig. S7).

Como paso opcional para SFAT que tienen una capa de SU-8, la adhesión entre la capa inferior de SU-8 y PZT/níquel se puede mejorar mediante la deposición (con un PDS 2010 Parylene Coater, Specialty Coating Systems Inc.) de 3,5 μm. parileno grueso (DPX-D, Specialty Coating Systems Inc.) (Figs. 3e, 4d y 5d). Sin embargo, dado que la adhesión entre SU-8 y PZT/níquel ya es muy buena, esta capa de parileno no es necesaria en la mayoría de los casos a menos que la capa de SU-8 en la lente sea muy gruesa (por ejemplo, más de 200 µm de espesor). Después de esto, se fabrica un ACFAL en el PZT de acuerdo con los pasos descritos en las siguientes subsecciones.

Los procesos de microfabricación para SFAT con PDMS ACFAL se ilustran en las figuras 3a-i. Primero, se modela un molde SU-8 en una placa de vidrio cuadrada de 4 pulgadas (proceso H en la Tabla 3) con un SU-8 plano de 2 μm de espesor como capa de promoción de la adhesión (proceso G en la Tabla 3) (Fig. .3a). Las áreas con patrones SU-8 formarán posteriormente cavidades de aire en la membrana PDMS después del moldeo. Para reducir la tensión incorporada en SU-8 y garantizar su buena adhesión al vidrio, durante los pasos de horneado se utiliza una temperatura de horneado más baja con una velocidad de rampa lenta y un tiempo de horneado más largo. La placa de vidrio es lo suficientemente grande para cuatro patrones de 36,2 mm de longitud lateral, lo que generará dieciséis lentes PDMS de 16 × 16 mm2 por fundición. Para evitar que colapsen las cavidades de aire huecas en la membrana PDMS fundida, diseñamos la altura del espacio de aire, que es igual al espesor del molde SU-8, para que sea de 50 μm (Fig. 2e). Según nuestras experiencias con PDMS de 260 μm de espesor, se recomienda que la altura de la cavidad de aire sea superior a 1/18 del ancho más ancho del anillo de la cavidad de aire (790 μm en este caso). Para soporte adicional, también colocamos ocho pilares de soporte de 200 μm de diámetro en cada anillo de la cavidad de aire (Fig. 2a). Aunque las ondas acústicas desfasadas pueden atravesar los pilares de soporte, ocupan sólo el 0,25% del área activa total, lo que afecta de manera insignificante el enfoque. Para evitar que PDMS se adhiera permanentemente al vidrio después de la fundición, el molde de vidrio/SU-8 se silaniza hidrofóbicamente (SIH5841.0, Gelest Inc.). Para el tratamiento con silano, el molde se trata primero con plasma de O2 (35 W, 265 mTorr) durante 1 min y luego se coloca inmediatamente en un desecador de vacío (Bel-Art Products Inc.) junto con un portaobjetos de vidrio con varias gotas (~0,2 mL) de silano encima, seguido de bombeo durante la noche.

A continuación, echamos PDMS en el molde de vidrio/SU-8 para crear las lentes PDMS (Fig. 3b). Para controlar con precisión el grosor del PDMS (que es crucial para maximizar el PTE a través de la lente), se diseñó y mecanizó un mecanismo de sujeción (Fig. 3j, k). El mecanismo de sujeción consta de tres placas de metal: una con una abertura cuadrada, otra con un hueco (para sujetar las placas de vidrio) y la tercera como base de la plataforma. La placa metálica intermedia (con el hueco), que sostiene la placa de vidrio con un molde SU-8, se fija en una plataforma móvil lineal vertical de alta precisión y altura ajustable (SEMZA-60, SF Technology Co., Ltd.), mientras que la placa de metal superior que sostiene una placa de vidrio en blanco cuadrada de 4,5 pulgadas tratada hidrófobamente con tornillos se fija en cuatro postes de metal (Thorlabs Inc.) con tornillos de mariposa (Thorlabs Inc.) cerca de sus cuatro esquinas. El escenario lineal y los cuatro postes metálicos están unidos a la placa metálica inferior. Para crear las lentes PDMS, primero se mezclan el polímero base y el agente de curado (Sylgard 184, Dow Inc.) en una proporción en peso de 10:1 durante 5 minutos y se desgasifican durante 50 minutos en un desecador de vacío. En el mecanismo de sujeción, primero se acercan las placas de vidrio superior e inferior para garantizar que queden paralelas entre sí. A continuación, se baja la placa de metal del medio para bajar el SU-8/vidrio, y se transfiere un volumen calculado (basado en el espesor final) de la mezcla de PDMS al molde y se extiende con cuidado para cubrir todos los patrones de SU-8 con una hisopo de sala limpia (Texwipe Co LLC), seguido de un segundo paso de desgasificación para eliminar las burbujas de aire. Luego, la platina se eleva lentamente hasta que la distancia entre dos placas de vidrio sea igual al espesor final deseado de la membrana PDMS (con referencia al micrómetro de la platina), y todo el conjunto se hornea a 60 °C durante 4 h en un sistema de convección. horno (DX-302C, Yamato Scientific America Inc.). Se elige una temperatura de curado relativamente baja para minimizar el abultamiento de la placa de vidrio superior sujeta con cuatro bordes debido a la expansión térmica, así como a la contracción del PDMS después del curado. Después del curado, las placas de vidrio que intercalan el PDMS curado se liberan del mecanismo y se separan entre sí haciendo palanca lentamente con una hoja de afeitar (VWR International Inc.) desde una esquina para crear un pequeño espacio mientras se rocía isopropanol (IPA) en el brecha. Después de la separación, el PDMS se puede despegar lentamente del SU-8/vidrio con la ayuda de IPA pulverizado, cortar en cuatro hojas de 36,2 × 36,2 mm2 (el mismo tamaño que la fuente de sonido PZT) y recortar de modo que la almohadilla de soldadura superior en el PZT (Fig. 2a) no quedará cubierto por la membrana PDMS después de la unión. El espesor de la membrana PDMS moldeada se mide (Fig. 3l) con un perfilómetro escalonado (DektaXT, Bruker Corp.).

Después de eso, la membrana PDMS se alinea y se une al sustrato PZT utilizando una capa delgada de SU-8 como adhesivo (Fig. 3f-h). Se recubre por rotación una capa de SU-8 de 3,5 μm de espesor (proceso B en la Tabla 3) en el PZT y se hornea suavemente (Fig. 3f). Durante el recubrimiento por rotación, la almohadilla de soldadura superior del PZT está protegida por un pequeño trozo de cinta Kapton, que se retira después del horneado suave para exponer la almohadilla de soldadura. La membrana PDMS se limpia con IPA y agua desionizada (DI), se seca con secador con N2, se limpia nuevamente con cinta Scotch Magic (compañía 3 M) para eliminar cualquier partícula restante y se trata con plasma de O2 durante 1 min (35 W, 265 mTorr) para asegurar una buena adherencia al SU-8. Dentro de los 10 minutos posteriores al tratamiento con plasma, la membrana PDMS se alinea y se une al sustrato PZT bajo un estereomicroscopio (Fig. 3g) con la ayuda de marcadores de alineación de níquel (Fig. S7). Para tolerar posibles errores durante la alineación manual, el borde de los electrodos circulares está diseñado para asentarse en el medio del anillo más externo de la cavidad de aire, cuyo ancho es de 400 μm, lo que permite un error de alineación de ±200 μm. Durante el proceso, la membrana PDMS se mantiene sobre la lámina de PZT con dos pares de pinzas de plástico. Después de la alineación, se baja una parte de la membrana PDMS y se coloca en contacto con SU-8 en PZT, seguido de bajar gradualmente el resto del PDMS para aumentar el área de contacto. En esta etapa, el SU-8 horneado suave se solidifica pero no se reticula; por lo tanto, si en cualquier etapa del proceso la alineación no es satisfactoria o si hay burbujas de aire visibles, la membrana PDMS se puede levantar para hasta tres intentos de realineación y reconexión. Después de tres intentos, si alguno de ellos no ha dado como resultado una alineación y fijación satisfactorias, la superficie PDMS se puede volver a limpiar y reactivar mediante tratamiento con plasma antes de otro(s) intento(s) de alineación y fijación.

Cuando el PDMS se une al sustrato PZT, el chip se hornea nuevamente (de 40 a 80 °C con una velocidad de rampa de 9 °C/min, se hornea durante 3 minutos y se enfría a temperatura ambiente) durante el cual el PDMS La membrana se presiona suavemente contra el sustrato PZT, mientras que el SU-8 se licua y entra en buen contacto con la membrana PDMS, así como con la superficie rugosa de PZT (con una variación de espesor de ~ ± 1 μm). Después de la exposición general y el horneado posterior a la exposición (PEB) para reticular SU-8 (proceso B en la Tabla 3), se forma una unión firme (Fig. 3h). Después de la unión, el sustrato PZT se corta en cuatro SFAT individuales (Fig. 2a) y los cables se sueldan a las almohadillas de soldadura de sus electrodos superior e inferior, seguido de la deposición de parileno para la encapsulación eléctrica (Fig. 3i). Durante la deposición final de parileno, existe una gran diferencia de presión entre las cavidades de aire selladas (a una presión atmosférica de 760 Torr) y la cámara de deposición (cuya presión es inferior a 20 mTorr), pero la fuerza de unión es lo suficientemente fuerte como para soportar dicha presión. diferencia de presión.

Para SFAT con SU-8/PDMS ACFAL, primero lanzamos PDMS planos usando el mismo mecanismo de sujeción con dos placas de vidrio en blanco (Fig. 4a, b). Luego, se modela SU-8 de 35 μm de espesor en el PZT (Fig. 4e, proceso C en la Tabla 3) para definir el espacio de las cavidades de aire y los pilares de soporte, seguido de cortar el sustrato de PZT en cuatro chips individuales. A continuación, la membrana PDMS plana se recorta, se limpia, se alinea y se une al SU-8 en el sustrato PZT bajo un microscopio estereoscópico (Fig. 4f). El SU-8 y el PDMS reticulados tienen buena cohesión. En consecuencia, una vez que el PDMS está en contacto con SU-8, puede permanecer firmemente en su lugar, mientras que en caso de desalineación o burbujas de aire, también se puede despegar sin dañarlo para realinearlo. Después de soldar los cables, el SFAT se encapsula mediante una deposición de parileno, que sellará permanentemente el PDMS y el SU-8 mientras mantiene un estrecho contacto entre los dos materiales (Fig. 4g). Dado que las cavidades de aire están bajo presión atmosférica mientras la deposición se lleva a cabo al vacío, se crean ocho canales de ventilación de 35 μm de ancho (cuya área total es insignificante) en la capa inferior de SU-8 (Fig. 2b, h) para ecualización de presión durante la deposición de parileno. Después de la deposición, las cavidades de aire se sellarán a una presión cercana al vacío y, por lo tanto, la presión más alta fuera de la lente en el ambiente ayudará a presionar la membrana PDMS contra SU-8, asegurando un contacto cercano, mientras que el Los pilares de soporte y la capa más rígida de parileno evitan que las cavidades de aire colapsen. Durante nuestras pruebas, no se observó delaminación entre las capas ni colapso de las cavidades de aire.

Basándonos en un método de unión SU-832 previamente informado, primero colocamos una película de poliéster (PET) con adhesivo en un lado de una placa de vidrio cuadrada de 4 pulgadas (Fig. 5a). La película de PET con respaldo adhesivo proviene de una cinta de liberación térmica de doble cara con revestimientos de PET en ambas caras (Revealpha 3195 M, Semiconductor Equipment Corp.), cuya temperatura de liberación (120 °C) es mucho más alta que la temperatura máxima de horneado de 90 °C y, por lo tanto, funciona como una cinta normal durante el procesamiento (aunque elegimos esta cinta porque está disponible en nuestro laboratorio, otras cintas de PET con tratamiento superficial antiadherente también deberían funcionar). Los revestimientos de PET (que se pueden separar fácilmente del adhesivo después del procesamiento) en ambos lados tienen diferentes espesores de 38 y 75 μm, que se utilizan para soportar las capas superiores de SU-8 de 30 μm (para P284) y 10 μm ( para P45) durante la fabricación (con el otro lado del revestimiento de PET retirado), respectivamente. Luego, se recubre por rotación SU-8 sobre la película de PET y se hornea suavemente con un tiempo de horneado prolongado para evitar que las cavidades de aire se llenen debido a la gravedad durante el proceso de unión posterior (Fig. 5a, proceso D y proceso F en la Tabla 2 para SU-8 de 10 μm de espesor y 30 μm de espesor, respectivamente). Después de eso, la película de PET recubierta con SU-8 se separa cuidadosamente de la capa adhesiva (Fig. 5b) y la película se corta y recorta para que se ajuste al sustrato de PZT. En un lote se pueden fabricar películas para 16 lentes (que cubren cuatro sustratos PZT).

Sobre el sustrato PZT, se crea una capa inferior de SU-8 mediante fotolitografía (Fig. 5f, proceso C y proceso E en la Tabla 3 para SU-8 de 35 μm de espesor y 250 μm de espesor, respectivamente). Antes de producir el SU-8 de 250 μm de espesor, se deposita una capa plana de promoción de adhesión de SU-8 de 3,5 μm de espesor para evitar la delaminación debido a la tensión de tracción incorporada en la capa gruesa de SU-8 (proceso B en Tabla 3). Para el SU-8 de 250 μm de espesor, después del recubrimiento por rotación, se lleva a cabo un paso de planarización del espesor33 (no es necesario para el SU-8 de 35 μm de espesor ya que su espesor es lo suficientemente uniforme) rociando la solución de eliminación de cordones de borde. (EBR-PG, Kayaku Advanced Materials) en el SU-8 con un rociador compacto a base de aerosol (Preval Inc.) desde 15 cm de distancia durante 10 segundos mientras gira lentamente el chip para garantizar una cobertura uniforme. Con la adición de la solución EBR, la viscosidad del SU-8 se reduce considerablemente, y la viscosidad reducida ayuda al reflujo del SU-8 y elimina las burbujas de aire, aplanando la capa de SU-8 a medida que se elimina el sustrato de PZT recubierto con SU-8. reposó sobre una superficie nivelada durante 10 h a temperatura ambiente seguido de 2 h a 40 °C mientras estaba cubierto por una tapa de placa de Petri con un orificio de 1 mm de diámetro en el centro para dejar que la solución de EBR se evaporara. Después de eso, se procesa SU-8 con espesor uniforme de acuerdo con el proceso E en la Tabla 3. El espesor de la capa de SU-8 (Fig. 5k) se mide con un perfilómetro escalonado (DektaXT, Bruker Corp.).

A continuación, el SU-8 superior e inferior se unen tratando primero el SU-8 inferior con plasma de O2 (35 W, 265 mTorr) durante 1 minuto para asegurar una buena adhesión entre las dos capas. Luego, la película de PET recubierta de SU-8 delgada con el lado de SU-8 hacia abajo se coloca encima del sustrato de PZT con la capa gruesa de SU-8 hacia arriba, y ambas capas de SU-8 se unen en una laminadora ( TCC6000, Tamerica Products Inc.) a 80 °C con un ajuste de velocidad de 3. Durante el proceso de laminación, el SU-8 superior no reticulado se funde y se adhiere al SU-8 inferior (Fig. 5g). El uso de la laminadora y la flexibilidad de la película de PET también garantizan una unión uniforme en todo el sustrato de PZT a pesar de la variación de espesor en la parte inferior del SU-8. Luego, las áreas donde es necesario unir dos capas de SU-8 se exponen a luz ultravioleta seguido de un paso de PEB (Fig. 5h, proceso D y proceso F en la Tabla 3 para 10 μm de espesor y 30 μm de espesor). SU-8, respectivamente) para reticular la película superior de SU-8 y formar una unión fuerte. Después de eso, la película de PET se puede despegar cuidadosamente con un aerosol de IPA, sin dañar las capas de SU-8 unidas, y luego se retira el SU-8 no reticulado mediante revelado (Fig. 5i). Después de eso, el sustrato PZT se corta en cuatro chips, se sueldan los cables eléctricos y los chips se sellan con parileno para la encapsulación eléctrica (Fig. 5j).

La simulación de la transmitancia a través de las áreas sin cavidad de aire de un ACFAL se basa en un modelo de línea de transmisión acústica multicapa 1D34,35. En el modelo, las ondas acústicas se transmiten desde el PZT que tiene una impedancia acústica de Z0, pasan a través del ACFAL que tiene N capas y llegan al medio (agua) que tiene una impedancia acústica de ZN + 1. Suponiendo una incidencia normal, cada capa i (i = 1, 2,…, N, donde la primera capa es la que está justo encima del PZT y la enésima capa es la que está justo debajo del agua) dentro del ACFAL se puede modelar como una matriz de transferencia que se describe a continuación34:

donde j es el número imaginario unitario; d es el espesor de la capa; Z es la impedancia acústica; y k es el número de onda complejo considerando la atenuación acústica, que se expresa como:

donde f es la frecuencia (2,32 MHz); c es la velocidad del sonido; y α es el coeficiente de atenuación acústica en Np/m. Las propiedades de los materiales utilizados en el cálculo se enumeran en la Tabla S1.

Mediante la derivación de ecuaciones de líneas de transmisión acústica34, la presión acústica P y la velocidad acústica V en PZT y agua se pueden correlacionar con la siguiente ecuación:

Dejar

Entonces, la transmitancia acústica T se puede expresar como35:

Para medir la presión acústica de los SFAT se utiliza un hidrófono tipo cápsula (HGL-0085, Onda Corp.). Durante la medición, sumergido en un tanque de agua, el hidrófono orientado hacia abajo se sujeta mediante abrazaderas de postes ópticos (Newport Corp.) fijados en una plataforma móvil de cinco ejes de alta precisión que consta de dos etapas goniométricas manuales (GON-65L y GON-65U, Newport Corp.) y una platina motorizada de tres ejes (OSMS26-XYZ, OptoSigma Corp.). Primero se escanea el hidrófono y se alinea con el punto focal del SFAT bajo prueba, que se coloca boca arriba debajo del hidrófono. Luego se escanea el hidrófono a lo largo del eje vertical central para determinar la posición del plano focal (Fig. 6c) y a lo largo del eje lateral central en el plano focal (Fig. 6d) para medir la distribución de la presión acústica lateral. Durante la medición del hidrófono, se utiliza un generador de funciones (AFG-3252, Tektronix Inc.) para producir señales de voltaje sinusoidales pulsadas a la frecuencia antirresonante medida de cada dispositivo con seis ciclos de ondas sinusoidales por pulso, que se amplifican mediante una potencia. amplificador (75A250, Amplifier Research Corp.) y aplicado al SFAT. Durante la medición, se utiliza un osciloscopio (MDO3014, Tektronix Inc.) para monitorear simultáneamente el voltaje aplicado después de un atenuador de voltaje 10:1 (TA197, Pico Technology LLC), así como la señal del hidrófono después de un preamplificador de 20 dB ( AH-2010, Onda Corp.). Para cada SFAT bajo prueba, el nivel de voltaje de entrada del generador de funciones se ajusta de modo que se mida que el voltaje aplicado en el SFAT sea 40 Vpp.

Para calcular la PTE, primero estimamos la potencia acústica total. Para ello, la presión acústica medida P se convierte a la intensidad I utilizando la siguiente ecuación31:

donde Zac es la impedancia acústica del agua (1,48 MRayl). Dado que la mayor parte de la potencia se concentra en la zona focal, suponiendo que la distribución de presión es simétrica a lo largo del eje vertical central, la potencia acústica estimada se calcula a través de una integral de superficie cerca del punto focal sobre el plano focal, con una distancia radial desde el eje central. que van desde 0 a 1,1 mm. La intensidad a una determinada distancia radial se estima tomando el promedio de los valores de intensidad medidos en los lados izquierdo y derecho de la distribución de intensidad 1D, que se calcula a partir de la Fig. 6d usando la ecuación. (6). Así, la potencia se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

mientras que la potencia eléctrica real se calcula mediante la ecuación:

donde R es la parte real de la impedancia eléctrica medida Zelec. Finalmente, el PTE se calcula como:

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud bajo la subvención 1R01 EB026284. Los autores desean agradecer a Runze Li y Junhang Zhang del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad del Sur de California por su ayuda con la medición de hidrófonos.

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad del Sur de California, Los Ángeles, CA, 90089-0271, EE. UU.

Yongkui Tang y Eun Sok Kim

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YT y ESK concibieron el proyecto. YT realizó los experimentos y realizó el análisis. ESK guió los experimentos y el análisis de datos. YT y ESK escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Yongkui Tang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Tang, Y., Kim, ES Procesos simples de microfabricación sin capas de sacrificio para lentes acústicas de Fresnel con cavidad de aire (ACFAL) con rendimiento de enfoque mejorado. Microsyst Nanoeng 8, 75 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00407-w

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Recibido: 18 de enero de 2022

Revisado: 23 de abril de 2022

Aceptado: 25 de mayo de 2022

Publicado: 05 de julio de 2022

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

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