Blog

Sep 27, 2023

Sacrificale semplice

Microsystems & Nanoengineering volume 8, Numero articolo: 75 (2022) Cita questo articolo 1563 Accessi 2 Citazioni Dettagli metriche Gli ultrasuoni focalizzati (FUS) sono un potente strumento ampiamente utilizzato in ambito biomedico

Microsistemi e nanoingegneria volume 8, numero articolo: 75 (2022) Citare questo articolo

1563 accessi

2 citazioni

Dettagli sulle metriche

Gli ultrasuoni focalizzati (FUS) sono un potente strumento ampiamente utilizzato nella terapia e nell'imaging biomedico, nonché nei sensori e negli attuatori. Le tecniche di messa a fuoco convenzionali basate su superfici curve, strutture metamateriali e array di fasi multielemento presentano difficoltà nella produzione massivamente parallela con alta precisione o richiedono un'elettronica di azionamento complessa per funzionare. Queste difficoltà sono state affrontate da trasduttori acustici autofocus (SFAT) microfabbricati con lenti acustiche di Fresnel a cavità d'aria in parylene (ACFAL), che richiedono un passaggio dispendioso in termini di tempo nella rimozione dello strato sacrificale. Questo documento presenta tre tipi nuovi e migliorati di ACFAL basati sul polidimetilsilossano (PDMS), un doppio strato SU-8/PDMS e SU-8, che vengono prodotti attraverso semplici processi di microfabbricazione privi di strati sacrificali che sono da due a quattro volte più veloci rispetto a quello per gli ACFAL di Parylene. Inoltre, studiando l'effetto dello spessore della lente sulla trasmittanza acustica attraverso la lente, le prestazioni dei trasduttori sono state ottimizzate con tecniche di controllo dello spessore migliorate sviluppate per PDMS e SU-8. Di conseguenza, l’efficienza di trasferimento di potenza (PTE) misurata e la pressione acustica di picco in uscita sono rispettivamente fino a 2,0 e 1,8 volte superiori a quelle degli ACFAL Parylene. Le semplici tecniche di microfabbricazione descritte in questo documento sono utili per produrre non solo ACFAL ad alte prestazioni ma anche altri dispositivi miniaturizzati con strutture cave o sospese per applicazioni microfluidiche e ottiche.

Gli ultrasuoni focalizzati (FUS) sono stati utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui l'ablazione di tumori1, la neuromodulazione transcranica2, la somministrazione di farmaci3, l'intrappolamento senza contatto4, l'espulsione acustica di goccioline5, il trasferimento di potenza wireless6 e i test non distruttivi7. Con l'energia acustica focalizzata su un piccolo volume, FUS mostra prestazioni migliori rispetto alla sua controparte non focalizzata in applicazioni in cui è desiderabile un'elevata intensità o una risoluzione spaziale fine8,9,10.

Per focalizzare efficacemente gli ultrasuoni, le onde acustiche generate da una sorgente sonora vibrante devono essere progettate per arrivare ad un punto focale in fase. Un modo semplice per raggiungere questo obiettivo è creare una superficie curva del trasduttore11,12 o collegare una lente acustica curva su un trasduttore piatto5,13. Tuttavia, tali superfici sono solitamente fabbricate mediante tecniche di macrolavorazione, tra cui fresatura e pressatura a caldo, la cui precisione limitata può portare a difetti di fabbricazione, tra cui rugosità superficiale ed errori di curvatura. In alternativa, le onde acustiche potrebbero essere focalizzate programmando il ritardo temporale del segnale di pilotaggio applicato su ciascun elemento trasduttore in un array a fasi14,15. Attraverso questo approccio, la posizione focale e la direzione del fascio acustico possono essere controllate in modo preciso e dinamico. Tuttavia, i sistemi a schiera di fase sono generalmente ingombranti e costosi, con componenti elettronici di azionamento complicati e numerosi collegamenti elettrici agli elementi del trasduttore. Un terzo modo per realizzare la focalizzazione acustica consiste nel costruire lenti acustiche basate su metamateriali che possono presentare proprietà straordinarie come un'ampia larghezza di banda16 o un'elevata trasmissione17. Tuttavia, a causa delle loro strutture complesse, la fabbricazione di queste lenti è molto impegnativa.

Un metodo semplice ed efficace per focalizzare gli ultrasuoni consiste nell'utilizzare una piastra di zona acustica di Fresnel sottile e planare18 che ha un ingombro ridotto e può essere microfabbricata con elevata precisione in modo massivamente parallelo. Una semplice implementazione di questo progetto consiste nel modellare gli elettrodi superiore e inferiore inserendo un substrato piezoelettrico19,20 in modelli di anelli di Fresnel mediante attacco a umido in modo che nelle regioni dell'anello degli elettrodi vengano generate solo le onde acustiche che contribuiscono all'interferenza costruttiva. Tuttavia, questo tipo di trasduttore soffre di campi elettrici marginali, che producono modalità di vibrazione senza spessore21, generazione di calore dovuta all'ampia resistenza in serie degli elettrodi e una stretta tolleranza di allineamento fronte-retro durante la fabbricazione. Un approccio diverso consiste nel creare lenti acustiche di Fresnel a doppio strato22 o multistrato23 microfabbricate mediante attacco a umido o attacco con ioni reattivi (RIE) e legarle a substrati piezoelettrici. Tuttavia, queste lenti richiedono un controllo critico dello spessore dello strato per garantire una buona messa a fuoco e richiedono molto tempo per la fabbricazione poiché sono coinvolti più strati.