Frontend and transducer technology for next generation cardiovascular ultrasound probes

Formålet med dette prosjektet er uendret, og er fortsatt å spare menneskeliv ved å forbedre bildekvaliteten på ultralyd i bruk for hjertediagnostikk og assistanse under operasjoner. CFRON prosjektet vil, hvis det utføres som planlagt, øke bildekvaliteten i pasienter med hjertelidelser. Videre vil det gi teknologi i forskningsfronten til hver av partnerne, som gir kunnskap egnet for å beholde en verdensledende posisjon innenfor ultralyd for hjerteavbildning. Gjennom 2022 og 2023 har man gjort betydelige fremskritt innenfor de forskjellige arbeidspakkene: WP1: I løpet av perioden har vi montert og testet to prototyper av kombinerte PZT-PVDF transdusere. Resultatene fra elektriske og mekaniske målinger på disse transdusere er lovende, men vi har også identifisert utfordringer knyttet til de elektriske impedansnivåene i PVDF. PZT-PVDF transduserne er nå bygd inn i fullstendige prober som kan integreres med elektronikken utviklet i WP3 og deretter prøves ut i en ultralyd-konsoll. Vi har sendt inn et manuskript til et vitenskapelig tidsskrift der vi beskriver fabrikasjon av en to-frekvens hybrid PZT-CMUT transduser. Videre oppgaver i WP1 vil være å delta i konsollintegrasjon og assistere ved evt tekniske problemer som må forståes. WP2: Monteringsprosessen av en ultratynn MEMS-basert 2D CMUT-brikke til en CMOS ASIC ved bruk av anisotrope ledende lim (ACF) har blitt utviklet med et tilfredsstillende resultat. Prosessen demonstrerte riktig tilnærming for håndtering og bonding av ekstremt tynne dummy CMUT-sensorbrikker (50 µm, 35 µm og 20 µm) til ASIC-brikker som etterligner de relevante enhetene. ACF-bondingparametere som gir tilfredsstillende elektriske forbindelser og «yield» har blitt etablert for CMUT-sensorbrikker med forskjellige tykkelser ned til 20 µm. Strøkapasitans for individuelle ACF-interkonnekteringer ble identifisert, noe som er viktig for design av elektronikk. De følgende arbeidene inkluderer undersøkelse av CMUT-ASIC-montering ved hjelp av loddeteknologier, og dermed sammenligne de to monteringsteknologiene (ACF og lodding). En ny bondingteknologi, Cu-(Sn-Bi) solid-liquid interdiffusion (SLID), som gir lave prosesstemperaturer (< 200 °C) har blitt studert. Teknologien har potensial til å muliggjøre montering av CMUT-ASIC på «wafer-level» med lavt stress i pakken samt montering av temperatursensitive materialer, som konvensjonelle PZT-baserte ultralydtransdusere. Den viktige forståelsen av Cu-(Sn-Bi) SLID har blitt etablert, noe som gir et grunnlag for valg av parametere som skulle gi ønskede bonding resultater. Fortsatt arbeid med karakterisering av mekaniske, elektriske og robusthet av Cu-(Sn-Bi) SLID bonds pågår og vil pågå gjennom 2025. WP3: I løpet av perioden har vi produsert og testet to kretskort. I tillegg er en fullstendig kabelsammensetning ferdigstilt. Denne sammensetningen er klar for integrasjon med ultralydsystemet, både på konsollsiden og for sammenstilling med den nyutviklede transduserstabelen. Testene viser at både mekaniske og elektriske krav er oppfylt. Hovedmålet med arbeidspakken er oppnådd, da vi har laget en fungerende og fullstendig kabelsammensetning, og resterende arbeid vil være ifbm evt feilsøking og løsing av tekniskeutfordringer som blir synlige gjennom jobben som skal gjøres i WP4 WP4: Hovedformålet her er å integrere den ferdige proben på et ultralydkonsoll, gjøre avbildning og sammenligne med en konvensjonell probe. Denne arbeidspakken har akkurat startet, men er forventet å ha betydelig fremdrift gjennom 4. kvartal i 2024 og 2025.

-

The vision for this project is to save human lives by improving the ultrasound image quality used for heart disease diagnosis and interventional guidance. Such improvements are obtained by integration of new transducer technology with existing ultrasound imaging platforms. In brief, the main approaches of the project will i) bridge a conventional ultrasound transducer based on piezoelectric material (e.g. SC) with a new technique for transducer production, known as Piezoelectric Polyvinylidene Fluoride (PVDF), into a hybrid solution; and ii) integrate pure PVDF directly to specially designed ASIC. This will improve bandwidth and sensitivity of the transducers. The image quality will therefore be increased , increasing diagnostic confidence. The high integration level in 3D ultrasound medical probes makes it necessary to develop the in-probe necessary electronics to transmit and receive ultrasound pulses suitable for cardiac imaging. To enhance real time imaging, compact and reliable integration of the acoustic and electronic elements is crucial. For high quality imaging and cost-effective production processes, the ultrasound array is traditionally made with conventional single crystal (SC) material. The new technique for transducer production known as PVDF is highly cost effective. Direct connections between the acoustic elements and the ASICs with low signal parasitic capacitance are required using the new PVDF technology. This means 3D stacking of ASICs and transducers. Therefore, assembly technology for electro acoustic modules (EAM) in which the PVDF array is attached directly to the active electronics for transmit and receive contained in an ASIC is an innovative approach that will be studied in this project.