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Jul 07, 2023

단순한 희생

마이크로시스템 및 나노엔지니어링 8권, 기사 번호: 75(2022) 이 기사 인용 1527 액세스 2 인용 측정 항목 세부 정보 집중 초음파(FUS)는 생물 의학에서 널리 사용되는 강력한 도구입니다.

마이크로시스템 및 나노공학 8권, 기사 번호: 75(2022) 이 기사 인용

1527 액세스

2 인용

측정항목 세부정보

집중 초음파(FUS)는 생물의학 치료와 이미징은 물론 센서와 액추에이터에도 널리 사용되는 강력한 도구입니다. 곡면, 메타물질 구조 및 다중 요소 위상 배열을 기반으로 하는 기존 포커싱 기술은 고정밀 대량 병렬 제조에 어려움이 있거나 복잡한 드라이브 전자 장치가 작동해야 합니다. 이러한 어려움은 희생층을 제거하는 데 시간이 많이 걸리는 단계가 필요한 Parylene air-cavity Fresnel 음향 렌즈(ACFAL)를 사용하여 미세 가공된 SFAT(자체 초점 음향 변환기)로 해결되었습니다. 이 논문은 폴리디메틸실록산(PDMS), SU-8/PDMS 이중층 및 SU-8을 기반으로 하는 세 가지 새롭고 향상된 유형의 ACFAL을 제시합니다. 이는 기존보다 2~4배 빠른 간단한 희생층 없는 미세 가공 공정을 통해 제조됩니다. Parylene ACFAL의 경우입니다. 또한, 렌즈를 통한 음향 투과율에 대한 렌즈 두께의 영향을 연구함으로써 PDMS 및 SU-8용으로 개발된 향상된 두께 제어 기술을 통해 변환기의 성능이 최적화되었습니다. 그 결과 측정된 전력 전달 효율(PTE)과 최대 출력 음압은 각각 Parylene ACFAL보다 최대 2.0배, 1.8배 더 높습니다. 이 문서에 설명된 간단한 미세 가공 기술은 고성능 ACFAL뿐만 아니라 미세 유체 및 광학 응용 분야를 위한 중공 또는 매달린 구조를 갖춘 기타 소형 장치를 제조하는 데 유용합니다.

집중 초음파(FUS)는 종양 절제1, 경두개 신경조절2, 약물 전달3, 비접촉 트래핑4, 음향 비말 방출5, 무선 전력 전송6, 비파괴 검사7 등 광범위한 응용 분야에 사용되었습니다. 작은 볼륨에 집중된 음향 에너지를 통해 FUS는 높은 강도 또는 미세한 공간 분해능이 바람직한 응용 분야에서 초점이 맞지 않은 대응 장치보다 더 나은 성능을 나타냅니다8,9,10.

초음파를 효과적으로 집중시키기 위해서는 진동하는 음원에서 생성된 음파가 위상적으로 초점에 도달하도록 설계되어야 합니다. 이를 달성하는 간단한 방법은 곡면 변환기 표면11,12을 만들거나 곡면 음향 렌즈를 평면 변환기5,13에 부착하는 것입니다. 그러나 이러한 표면은 일반적으로 밀링 및 열 프레싱을 포함한 매크로 가공 기술을 통해 가공되며, 정밀도가 제한되어 표면 거칠기 및 곡률 오류를 비롯한 제조 결함이 발생할 수 있습니다. 또는 위상 배열14,15의 각 변환기 요소에 적용되는 구동 신호의 시간 지연을 프로그래밍하여 음파에 집중할 수 있습니다. 이 접근 방식을 통해 초점 위치와 음향 빔 방향을 정확하고 동적으로 제어할 수 있습니다. 그러나 위상 배열 시스템은 일반적으로 구동 전자 장치가 복잡하고 변환기 요소에 대한 전기 연결이 많아 부피가 크고 비용이 많이 듭니다. 음향 포커싱을 실현하는 세 번째 방법은 넓은 대역폭16 또는 높은 투과율17과 같은 특별한 특성을 나타낼 수 있는 메타물질을 기반으로 음향 렌즈를 구성하는 것입니다. 그러나 복잡한 구조로 인해 이러한 렌즈를 제작하는 것은 매우 어렵습니다.

초음파를 집중시키는 간단하고 효과적인 방법은 설치 공간이 작고 대규모 병렬 방식으로 고정밀로 미세 가공할 수 있는 얇고 평면인 프레넬 음향 존 플레이트18를 활용하는 것입니다. 이 설계의 간단한 구현은 압전 기판19,20을 습식 에칭을 통해 프레넬 링 패턴으로 샌드위치하여 상부 및 하부 전극을 패턴화하여 보강 간섭에 기여하는 음파만 전극 링 영역에서 생성되도록 하는 것입니다. 그러나 이러한 유형의 변환기는 두께가 없는 진동 모드21를 생성하는 프린징 전기장, 전극의 큰 직렬 저항으로 인한 열 발생, 제조 중 엄격한 앞뒤 정렬 공차로 인해 어려움을 겪습니다. 다른 접근법은 습식 에칭 또는 반응성 이온 에칭(RIE)을 통해 미세 가공된 이중층22 또는 다층23 프레넬 음향 렌즈를 만들고 이를 압전 기판에 결합하는 것입니다. 그러나 이러한 렌즈는 좋은 포커싱을 보장하기 위해 중요한 레이어 두께 제어가 필요하며 여러 레이어가 관련되어 있기 때문에 제작하는 데 시간이 많이 걸립니다.