Foto: Jesper Scheel

Ren præcision

fredag 03 mar 17

Kontakt

Jørgen Arendt Jensen
Professor, Ph.D., Dr.Techn.
DTU Elektro
45 25 39 24

Kontakt

Erik Vilain Thomsen
Docent
DTU Nanotech
45 25 57 66

Ultralyd

Ultralydskannerens vitale del, transduceren, fremstilles af silicium, hvorpå der lægges forskellige lag. Ud af hver siliciumskive som denne kan der komme flere transducerelementer.
Bærbare ultralydskannere er snart en realitet. De første prototyper bliver fremstillet i Danchip, DTU's renrumsfacilitet.

Udefra ligner det en rumstation badet i gult lys, hvor menneskelignende skikkelser går målrettet og koncentreret rundt mellem gennemsigtige skabe med robotarme, der jonglerer med cd-lignende skiver, og mandshøje mikroskoper forbundet til computere og skærme. Mænd eller kvinder, det er ikke let at afgøre, for alle er gemt i heldragter, store, uformelige overtrækssko, briller og hætter langt ned i panden.

Vil man ind i renrummet, er der ingen vej uden om det usexede og ulideligt varme udstyr, som også omfatter engangshandsker trukket godt op over dragtens ærmer. Udstyret er pakket i tætte poser, som først må åbnes inde i omklædningsrummet eller slusen, som det kaldes. Og det skal helst tages på, uden at man rører det udenpå; ikke nogen let opgave for en førstegangsbesøgende.

Her kan dagens arbejde blive ødelagt af et støvkorn. Det er derfor, vejen ind går gennem slusen og det besværlige tøjskifte, og derfor al luften pustes ind gennem effektive filtre i loftet og suges ud gennem det perforerede gulv. Den luft, vi normalt bevæger os rundt i, indeholder 1 mio. partikler pr. kubikmeter. I renrummet er det tal reduceret til 100. Helt støvfrit bliver det altså ikke, så det er strengt forbudt at løbe og hvirvle partiklerne op.

Sko, telefon, diktafon og kuglepen må efterlades udenfor. Al kommunikation med omverdenen foregår gennem fastnettelefoner skruet op på væggene rundt omkring, og vil man notere noget undervejs, skal det ske på særligt fnugfrit papir med afstøvede penne, som allerede befinder sig i slusen.

Således udstyret kan turen i DTU Danchip begynde. Jeg skal se, hvordan man producerer den vitale del af en ultralydskanner, transduceren. Det er den, der omformer det elektriske signal til lydbølger og omvendt, når lyden vender tilbage som et ekko fra kroppens indre. Transduceren skal altså kunne afgive og optage lyd og være lavet af et materiale, som kan sættes i svingninger af en elektrisk impuls.

Normalt bruger man et såkaldt piezoelektrisk krystal. Det virker fint, men teknologien begrænses af, at afstanden mellem de enkelte transducerelementer ikke kan gøres meget mindre end 30 mikrometer, og at krystallerne indeholder bly.

Derfor eksperimenterer man med et alternativ, som både er lavet i det ufarlige materiale silicium og kan gøres ufattelig småt. Det betyder, at de kritiske dimensioner rutinemæssigt kan holdes på omkring en mikrometer.

Jeg har altså ikke en chance for faktisk at se, hvad det hele går ud på. Det, jeg kan se, er noget, der til forveksling ligner cd-skiver. Disse såkaldte wafere, som er skåret ud af siliciumstænger, bliver placeret i et af de gennemsigtige skabe. En robotarm griber en wafer og placerer den i en holder, hvor den suges fast med vakuum. Og mens skiven drejes rundt, fordeles forskellige væsker på den.

Først et metallag, der skal virke som bundkontakt. Derpå et isolerende polymerlag, hvori man med uv-lys i en såkaldt fotolitografiproces danner et mønster af isolatorer, en slags ’klodser’ med luft imellem. Den lysfølsomme polymer tåler ikke hvidt lys; det er derfor hele renrummet er hyllet i gult.

Øverste lag er en ultratynd siliciumplade, hvortil der føjes en topelektrode. Når man senere sætter en vekselspænding over elektroderne, vil siliciumpladen vibrere og dermed udsende den lyd, det hele drejer sig om.

Når lagene er på plads, bliver waferen båret over i fremkalderkammeret, hvor den bliver bagt ved 110 grader, derefter kølet ned til stuetemperatur og så påført en fremkaldervæske. Til sidst skylles fremkaldervæsken af med vand, og så er skiven klar til at blive kontrolleret i mikroskopet.

Djævlen i detaljen

På hver wafer kan der være flere transducerelementer, som består af et mønster af bittesmå ’trommer’ med hver deres kontakt. De kaldes også CMUT, en forkortelse for Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers.

”Jo mindre CMUT-cellen er, jo højere frekvens skal den endelige probe opereres ved. Processerne i renrummet giver os en meget stor frihed til at bestemme størrelse og design af CMUT-cellerne, og derfor er denne teknologi virkelig velegnet til at lave kompakte ultralydstransducere og højfrekvente prober,” fortæller ph.d.-studerende Andreas Havreland fra DTU Nanotech, der er min guide i renrummet.

Det hele går altså ud på at skabe præcis den frekvens, som egner sig til et bestemt medicinsk formål. Jo højere frekvens, jo bedre opløsning får man på billedet, men jo mere lyd taber man også på vejen. Høj frekvens når kortest vej ind i kroppen og omvendt, hvilket de fleste sikkert har erfaret, når naboen holder fest, og bassen går tydeligst igennem væggen.

DTU-forskerne har designet en struktur, som har vist sig at virke både i en 2D-probe, hvor transducerne kun sidder på den ene led, og i en 3D-probe, hvor de sidder, så lyden sendes ud i to retninger. Men der er stadig en del arbejde med at optimere strukturen, så lydtrykket bliver højt nok til at trænge dybt ind, også i en kraftig krop.

”Mange af de store ultralydfirmaer har forsøgt at lave disse siliciumtransducere, men givet op igen. Vi er dog godt på vej og har allerede lavet de første funktionsdygtige prober, og jeg regner bestemt med, at vi når frem til endnu bedre prober, der kan udsende højere tryk, inden for dette projekts tidshorisont,” forsikrer docent Erik Vilain Thomsen, DTU Nanotech.

Dagens produktion inspiceres i mikroskopet, hvor de fine mønstre fremstår tydeligt i 10 ganges forstørrelse. Jo, mønstrene har den ønskede størrelse, og elektroderne sidder, præcis hvor de skal. Så disse transducerelementer er klar til at blive skåret ud og sat ind i en probe.

Og dagens gæst i renrummet er klar til at komme tilbage til den støvede, hvide verden.

Relaterede Videoer  

Vis flere