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基于微機(jī)電（MEMS）制程的電容式微機(jī)電超聲波換能器（CMUT）與壓電式微機(jī)電換能器（PMUT）技術(shù)正在悄然興起，為超聲波感測技術(shù)打開許多新的應(yīng)用成長空間，例如手勢控制、指紋識別等消費(fèi)類的應(yīng)用。

日前，英飛凌宣布在CMUT上取得重大進(jìn)展，將換能器和ASIC集成到了單芯片上，該方案擁有更小的占板面積以及更強(qiáng)大的性能和功能，可廣泛用于開發(fā)新型超聲波應(yīng)用和改進(jìn)消費(fèi)電子、汽車工業(yè)與醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有應(yīng)用。更早之前的幾年，TDK宣布推出單芯片PMUT方案，同樣也是為人機(jī)交互提供了新的創(chuàng)新思路。

CMUT由斯坦福大學(xué)的M.Haller和Pierre Khuri Yakub于1994年發(fā)明，隨著英飛凌、TDK等的加入，也意味著更多主流芯片廠商開始關(guān)注這一市場。

CMUT/PMUT是什么？

CMUT和PMUT都是MUT，只不過實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑不同。

MUT的全稱為Microelectromechanical Ultrasonic Transducer，即微機(jī)電超聲換能器。它是一種利用MEMS技術(shù)制造的超聲換能器，可實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的轉(zhuǎn)換，具有體積小、重量輕、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。其中PMUT指的是壓電（Piezoelectric）技術(shù)的換能器，而CMUT指的是電容（Capacitor）實(shí)現(xiàn)的換能器。

MEMS超聲波換能器所對應(yīng)的傳統(tǒng)超聲波感測是以壓電陶瓷板作為核心元素，該超聲波雷達(dá)感測距離最長可達(dá)數(shù)米，但分辨率通常在英吋到厘米等級。

傳統(tǒng)感測壓電陶瓷片一般由鋯鈦酸鉛（PZT）等壓電陶瓷材料制成，具有良好的壓電性能。在極化處理后，壓電陶瓷片能夠在電場作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，在受到機(jī)械應(yīng)力時也能產(chǎn)生電場。

無論是哪種傳感器，工作基本一致，都是通過換能器實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收功能，類似SerDes。具體而言，發(fā)射過程如下：當(dāng)在壓電陶瓷板的電極上施加交變電壓時，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷材料會在電場作用下產(chǎn)生周期性的機(jī)械變形，這種機(jī)械變形會在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生聲波，從而將電能轉(zhuǎn)換為聲能，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射。

接收過程則為：當(dāng)超聲波作用于壓電陶瓷板時，壓電陶瓷板會受到聲波引起的機(jī)械應(yīng)力作用，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷材料會在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電荷，這些電荷通過電極收集并轉(zhuǎn)換為電信號，從而將聲能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)超聲波的接收。

然后兩端再通過信號的調(diào)理、處理等過程從而實(shí)現(xiàn)探測功能。

CMUT和PMUT與之類似，只不過將壓電陶瓷片換成了MEMS工藝。

上圖來自Teledyne MEMS，換能器具有發(fā)射和接收模式。

與依靠材料本身變形的傳統(tǒng)壓電體材料不同，CMUT通過微加工半導(dǎo)體膜片的偏轉(zhuǎn)來傳輸和檢測超聲波。其在尺寸、分辨率以及功耗表現(xiàn)上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)壓電，也正因此，使得CMUT跟PMUT得以為超聲波感測打開新的應(yīng)用市場。

MUT帶來應(yīng)用新空間

以超聲醫(yī)療市場為例，目前依舊以壓電換能器為主導(dǎo)地位，但在機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和帶寬范圍方面，傳統(tǒng)壓電超聲換能器帶寬比僅為30% ~ 80%，而CMUT帶寬比范圍可達(dá)60% ~ 100%，其機(jī)電轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)到80%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)超聲換能器。在靈敏度方面，由于CMUT具有更高的信噪比，因此相較于傳統(tǒng)壓電超聲換能器，CMUT的靈敏度可實(shí)現(xiàn)約10 dB的提升。在工作頻率方面，壓電超聲換能器的工作頻率約為20 MHz，高于20 MHz的工作頻率實(shí)現(xiàn)較為困難。而CMUT的工作范圍更廣，有些醫(yī)療成像CMUT甚至可達(dá)60 MHz。這些性能的優(yōu)越性將使CMUT逐步趕超壓電超聲換能器在超聲醫(yī)療中的地位，并為超聲醫(yī)療領(lǐng)域帶來新前景。

更進(jìn)一步來看，CMUT與PMUT兩者的技術(shù)特性與應(yīng)用市場，還是有些差別。CMUT擁有極佳的影像解析能力，但因?yàn)镃MUT的結(jié)構(gòu)是電容結(jié)構(gòu)，由兩電極間的絕緣薄膜與一段寬度達(dá)數(shù)微米的真空空間所形成，且操作電壓為百伏特等級，故元件尺寸相對較大，也比較耗電。這使得CMUT比較適合應(yīng)用在醫(yī)療影像相關(guān)應(yīng)用。PMUT則是透過電荷的壓電效應(yīng)引起機(jī)械變形，產(chǎn)生超聲波，故動作時較不受限制，體積較小，且操作電壓也僅有數(shù)個伏特，符合未來所需的小體積與低功耗趨勢。因此，消費(fèi)類產(chǎn)品所需的物件偵測功能，比較適合使用PMUT。

三大主流的換能器技術(shù)。

CMUT與PMUT發(fā)展路線圖

如圖所示，汽車是超聲波市場的主要應(yīng)用，另外還包括了醫(yī)療、人機(jī)交互、工業(yè)以及VR等等場景。

得益于壓電薄膜制備及集成技術(shù)的發(fā)展，PMUT呈現(xiàn)“百花齊放”的局面，在飛行時間（ToF）測距、超聲成像、指紋識別、人機(jī)交互、芯片散熱等應(yīng)用領(lǐng)域取得重要產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，例如TDK InvenSense Chirp的ToF測距傳感器、茂丞科技的電子煙煙油液位檢測方案、Exo Imaging的手持式超聲診斷儀、高通的指紋識別傳感器、UltraSense的智能觸摸界面、Frore Systems的AirJet散熱解決方案等。

研究發(fā)現(xiàn)，CMUT目前在這一領(lǐng)域提供了更廣泛的可能性，這歸因于其眾多優(yōu)點(diǎn)，包括更寬的帶寬和更高的分辨率、更簡單的制造工藝、更容易與ASIC集成以及在高頻率下有效工作的能力。另一方面，盡管如今PMUT并不是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中CMUT的主要替代品，但其顯示出許多有前景的特性，這可能有助于使其在未來更有價值。與CMUT相比，PMUT的主要優(yōu)點(diǎn)是無需高偏置電壓，并且對寄生現(xiàn)象的敏感性較低。另一方面，隨著制造和設(shè)計工藝的進(jìn)步，PMUT的帶寬和分辨率限制有望得到改善，從而進(jìn)一步推動下一代超聲器件的發(fā)展。

CMUT主要應(yīng)用于醫(yī)療成像領(lǐng)域，其技術(shù)成熟度比PMUT高，以Butterfly Network和Kolo Medical為代表的創(chuàng)業(yè)公司正探索“殺手級”應(yīng)用產(chǎn)品：面向家庭或個人應(yīng)用的手持式超聲成像設(shè)備。此外，基于CMUT的可穿戴貼片、血管內(nèi)超聲（IVUS）成像導(dǎo)管、心臟內(nèi)超聲（ICE）導(dǎo)管等也都擁有令人期待的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

不過包括英飛凌、TDK等都是將MEMS和ASIC 集成，另外也是通過陣列的方式改善性能表現(xiàn)，將本底噪聲降低到同等尺寸傳統(tǒng)壓電陶瓷材料的二十分之一，并將絕對信號增強(qiáng)一千倍，可將CMUT應(yīng)用于涵蓋消費(fèi)電子到醫(yī)療設(shè)備等多個行業(yè)。

MEMS換能器制造原理

麥姆斯咨詢最近編譯了一篇文章，由意大利帕維亞大學(xué)（University of Pavia）和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在IEEE Access期刊上發(fā)表了以“PMUT and CMUT Devices for Biomedical Applications: A Review”為題的綜述論文：綜述了PMUT和CMUT技術(shù)的最新進(jìn)展。

PMUT詳細(xì)工作原理

傳統(tǒng)上，產(chǎn)生超聲波信號的最基本物理機(jī)制是壓電效應(yīng)、磁致伸縮或光聲效應(yīng)。尤其是壓電效應(yīng)在PMUT以及傳統(tǒng)的塊體型PZT換能器中得到了利用。

下圖展示了PMUT的總體示意圖。該器件由厚度從數(shù)百納米到一微米不等的夾在頂部和底部兩個電極之間的壓電薄膜構(gòu)成。在其下方，數(shù)十微米的二氧化硅（SiO?）無源層在壓電薄膜的換能過程中為其提供支撐；此外，它改變了薄膜的自然軸，從而將橫向應(yīng)力（由d??模式產(chǎn)生）轉(zhuǎn)化為薄膜的離面變形，這使得薄膜能夠在其彎曲模式下致動。結(jié)構(gòu)下方是一個空腔，它是器件諧振原理的組成部分。其尺寸經(jīng)過專門設(shè)計，以與壓電薄膜的諧振頻率一致。

CMUT詳細(xì)工作原理

作為MUT類別的一部分，CMUT依賴于靜電換能機(jī)制。CMUT的振膜包括用作頂部電極的導(dǎo)電層。底部電極通常由導(dǎo)電襯底組成。在這兩者之間存在一個空腔，當(dāng)在電極上施加電壓時，空腔內(nèi)會產(chǎn)生電場。振膜通常被設(shè)計為方形、圓形或六邊形。該膜在其周邊固支，并懸浮在空腔上方?？涨豢梢允钦婵盏幕虺錃獾?，通常具有每微米數(shù)十伏特或更高的電場，從而導(dǎo)致高機(jī)電耦合系數(shù)。為了防止電極之間的任何接觸以及由此產(chǎn)生的短路，還需要添加絕緣層。普通的CMUT橫截面的示意圖如下圖所示。

PMUT和CMUT未來都或?qū)⒏淖內(nèi)藱C(jī)交互的新方式，我們列舉了一些潛在應(yīng)用，先看PMUT：

TDK的PMUT

2018年，TDK收購高性能超聲波傳感先鋒企業(yè)Chirp Microsystems，Chirp成為TDK的全資子公司，位于美國伯克利，核心技術(shù)來自加州伯克利大學(xué)，采用的正是PMUT技術(shù)。

相比于激光ToF，MEMS超聲波ToF傳感器功耗更低（最多可減少500X）、對照明條件不敏感（能在陽光直射下工作）、可檢測暗色和透明物體、測量噪聲低得多（低100倍），而且有比基于紅外技術(shù)的產(chǎn)品有更寬廣的視野。

Chirp的MEMS超聲波ToF傳感器是在一體化封裝 (SiP)內(nèi)將PMUT與ASIC相結(jié)合的一整套系統(tǒng)。這樣做的好處是可以大大減小傳感器的尺寸和功耗，從而使超聲波ToF能被輕松部署到IoT應(yīng)用中。

根據(jù)TDK的描述，這些傳感器解決方案能在任何照明條件下探測5米范圍內(nèi)的各類目標(biāo)，廣泛適合各種應(yīng)用，包括規(guī)避障礙、存在檢測、機(jī)器人、安全和監(jiān)視、AR/VR、無人機(jī)、液位測量、智能家居/樓宇，以及通用物聯(lián)網(wǎng)。

超聲波指紋

如今，手機(jī)的超聲波指紋都采用了PMUT技術(shù)或者類似工藝，這其中包括高通和匯頂。這種技術(shù)通過發(fā)射超聲波并接收其回波，利用指紋表面皮膚和空氣之間的密度差異來形成一個詳細(xì)的3D圖像。超聲波脈沖可以穿透玻璃、藍(lán)寶石屏幕進(jìn)行掃描，甚至能滲透到皮膚表面之下識別出指紋獨(dú)特的3D特征，包括指紋脊線和汗毛孔等。

超聲波指紋解鎖技術(shù)展現(xiàn)出更強(qiáng)的抗干擾能力。它能夠有效抵御污漬、濕氣等外界污染物的干擾，提高識別的穩(wěn)定性和成功率。此外，超聲波指紋解鎖技術(shù)還支持濕手解鎖，這在許多生活場景中為用戶提供了極大的便利。超聲波指紋識別的位置相對靈活，可以安放在更合理的識別區(qū)域，使得用戶在操作過程中能夠獲得更好的體驗(yàn)。

超聲波指紋識別技術(shù)通過三維圖像比對，大大提高了仿造的難度。它不僅能識別指紋的表面特征，還能掃描到指紋的深層信息，如皮膚的血管網(wǎng)絡(luò)等，從而為用戶的信息安全提供了更為可靠的保障。

再來看看CMUT

Butterfly Network的CMUT是一款相控陣超聲波換能器，由按照140 x 64排列的8960個換能器構(gòu)成大型陣列。這些換能器發(fā)出超聲波信號，并以聲波的形式接收回波。8960個換能器構(gòu)成的陣列與專用集成電路（ASIC）芯片集成，可實(shí)現(xiàn)高效的2D相控陣傳感器。得益于CMUT的小型化，Butterfly iQ超聲波探頭可以進(jìn)行曲線、線性和相位分析。而在使用其它常規(guī)設(shè)備的情況下，必須使用三個不同的超聲波探頭才能實(shí)現(xiàn)相同的分析過程。

CMUT其他可能的應(yīng)用

改進(jìn)固態(tài)觸控按鈕

CMUT 技術(shù)可在不使表面變形的情況下，在甚至金屬等任何固體材料下實(shí)現(xiàn)固態(tài)觸控按鈕。這為傳統(tǒng)的機(jī)械按鈕提供了更加耐用、可靠的替代品，降低磨損風(fēng)險，延長設(shè)備的整體使用壽命。與可能受濕度和溫度等環(huán)境因素影響的電容式觸控按鈕相比，基于CMUT的觸控按鈕完全與水兼容，并具有高電磁兼容性（EMC）。由于該技術(shù)縮小了按鈕的尺寸，因此可以集成從智能手機(jī)到工業(yè)控制面板等各種設(shè)備，例如能將觸控按鈕安裝在手機(jī)金屬框架下或取代汽車門把手，以實(shí)現(xiàn)整潔的設(shè)計。

液位感應(yīng)

CMUT可使一些需要液位感應(yīng)的家用電器設(shè)備受益。CMUT具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括可連續(xù)測量填充液位、功耗低，以及可輕松、無損地安裝在水箱底部下方。由于接觸式電極可能會被腐蝕，因此最后一點(diǎn)對于測量洗衣機(jī)或洗碗機(jī)中的化學(xué)物質(zhì)等非常重要。

結(jié)語

無論是CMUT還是PMUT，通過ASIC與換能器的集成，這種超聲波方案將會對HMI產(chǎn)生積極改變。