看到CMUT，是不是有些工程師沒有聽過這個詞兒?覺得很陌生，但以后大概率會用到。

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

日前，英飛凌宣布在CMUT上取得重大進展，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大的性能和功能，可廣泛用于開發新型超聲波應用和改進消費電子、汽車工業與醫療技術領域的現有應用。更早之前的幾年，TDK宣布推出單芯片PMUT方案，同樣也是為人機交互提供了新的創新思路。

CMUT由斯坦福大學的M.Haller和Pierre Khuri Yakub于1994年發明，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注這一市場。

CMUT/PMUT是什么？

CMUT和PMUT都是MUT，只不過實現的技術路徑不同。

MUT的全稱為Microelectromechanical Ultrasonic Transducer，即微機電超聲換能器。它是一種利用MEMS技術制造的超聲換能器，可實現電能和聲能之間的轉換，具有體積小、重量輕、功耗低、易于集成等優點。其中PMUT指的是壓電（Piezoelectric）技術的換能器，而CMUT指的是電容（Capacitor）實現的換能器。

MEMS超聲波換能器所對應的傳統超聲波感測是以壓電陶瓷板作為核心元素，該超聲波雷達感測距離最長可達數米，但分辨率通常在英吋到厘米等級。

傳統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生機械變形，反之，在受到機械應力時也能產生電場。

無論是哪種傳感器，工作基本一致，都是通過換能器實現發射和接收功能，類似SerDes。具體而言，發射過程如下：當在壓電陶瓷板的電極上施加交變電壓時，根據逆壓電效應，壓電陶瓷材料會在電場作用下產生周期性的機械變形，這種機械變形會在周圍介質中產生聲波，從而將電能轉換為聲能，實現超聲波的發射。

接收過程則為：當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械應力作用，根據正壓電效應，壓電陶瓷材料會在機械應力作用下產生電荷，這些電荷通過電極收集并轉換為電信號，從而將聲能轉換為電能，實現超聲波的接收。

然后兩端再通過信號的調理、處理等過程從而實現探測功能。

汽車超聲波雷達功能框圖

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，換能器具有發射和接收模式。

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

MUT帶來應用新空間

以超聲醫療市場為例，目前依舊以壓電換能器為主導地位，但在機電轉換效率和帶寬范圍方面，傳統壓電超聲換能器帶寬比僅為30% ~ 80%，而CMUT帶寬比范圍可達60% ~ 100%，其機電轉換效率也可達到80%，遠高于傳統超聲換能器。在靈敏度方面，由于CMUT具有更高的信噪比，因此相較于傳統壓電超聲換能器，CMUT的靈敏度可實現約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的工作頻率實現較為困難。而CMUT的工作范圍更廣，有些醫療成像CMUT甚至可達60 MHz。這些性能的優越性將使CMUT逐步趕超壓電超聲換能器在超聲醫療中的地位，并為超聲醫療領域帶來新前景。

更進一步來看，CMUT與PMUT兩者的技術特性與應用市場，還是有些差別。CMUT擁有極佳的影像解析能力，但因為CMUT的結構是電容結構，由兩電極間的絕緣薄膜與一段寬度達數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比較適合應用在醫療影像相關應用。PMUT則是透過電荷的壓電效應引起機械變形，產生超聲波，故動作時較不受限制，體積較小，且操作電壓也僅有數個伏特，符合未來所需的小體積與低功耗趨勢。因此，消費類產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。

CMUT與PMUT發展路線圖

如圖所示，汽車是超聲波市場的主要應用，另外還包括了醫療、人機交互、工業以及VR等等場景。

得益于壓電薄膜制備及集成技術的發展，PMUT呈現“百花齊放”的局面，在飛行時間（ToF）測距、超聲成像、指紋識別、人機交互、芯片散熱等應用領域取得重要產業化進展，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。

傳統的和基于MUT的血管內超聲（IVUS）/心腔內超聲心動圖（ICE）導管示意圖

研究發現，CMUT目前在這一領域提供了更廣泛的可能性，這歸因于其眾多優點，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并不是生物醫學應用中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的主要優點是無需高偏置電壓，并且對寄生現象的敏感性較低。另一方面，隨著制造和設計工藝的進步，PMUT的帶寬和分辨率限制有望得到改善，從而進一步推動下一代超聲器件的發展。

CMUT主要應用于醫療成像領域，其技術成熟度比PMUT高，以Butterfly Network和Kolo Medical為代表的創業公司正探索“殺手級”應用產品：面向家庭或個人應用的手持式超聲成像設備。此外，基于CMUT的可穿戴貼片、血管內超聲（IVUS）成像導管、心臟內超聲（ICE）導管等也都擁有令人期待的發展潛力。

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，將本底噪聲降低到同等尺寸傳統壓電陶瓷材料的二十分之一，并將絕對信號增強一千倍，可將CMUT應用于涵蓋消費電子到醫療設備等多個行業。

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（University of Pavia）和荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的研究人員組成的團隊在IEEE Access期刊上發表了以“PMUT and CMUT Devices for Biomedical Applications: A Review”為題的綜述論文：綜述了PMUT和CMUT技術的最新進展。

PMUT詳細工作原理

傳統上，產生超聲波信號的最基本物理機制是壓電效應、磁致伸縮或光聲效應。尤其是壓電效應在PMUT以及傳統的塊體型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成。在其下方，數十微米的二氧化硅（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，從而將橫向應力（由d??模式產生）轉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。結構下方是一個空腔，它是器件諧振原理的組成部分。其尺寸經過專門設計，以與壓電薄膜的諧振頻率一致。

PMUT橫截面示意圖

CMUT詳細工作原理

作為MUT類別的一部分，CMUT依賴于靜電換能機制。CMUT的振膜包括用作頂部電極的導電層。底部電極通常由導電襯底組成。在這兩者之間存在一個空腔，當在電極上施加電壓時，空腔內會產生電場。振膜通常被設計為方形、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模ǔ＞哂忻课⒚讛凳鼗蚋叩碾妶?，從而導致高機電耦合系數。為了防止電極之間的任何接觸以及由此產生的短路，還需要添加絕緣層。普通的CMUT橫截面的示意圖如下圖所示。

CMUT橫截面示意圖

PMUT和CMUT未來都或將改變人機交互的新方式，我們列舉了一些潛在應用，先看PMUT：

TDK的PMUT

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

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的產品有更寬廣的視野。

Chirp的MEMS超聲波ToF傳感器是在一體化封裝 (SiP)內將PMUT與ASIC相結合的一整套系統。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應用中。

根據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米范圍內的各類目標，廣泛適合各種應用，包括規避障礙、存在檢測、機器人、安全和監視、AR/VR、無人機、液位測量、智能家居/樓宇，以及通用物聯網。

超聲波指紋

如今，手機的超聲波指紋都采用了PMUT技術或者類似工藝，這其中包括高通和匯頂。這種技術通過發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的3D圖像。超聲波脈沖可以穿透玻璃、藍寶石屏幕進行掃描，甚至能滲透到皮膚表面之下識別出指紋獨特的3D特征，包括指紋脊線和汗毛孔等。

超聲波指紋解鎖技術展現出更強的抗干擾能力。它能夠有效抵御污漬、濕氣等外界污染物的干擾，提高識別的穩定性和成功率。此外，超聲波指紋解鎖技術還支持濕手解鎖，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域，使得用戶在操作過程中能夠獲得更好的體驗。

超聲波指紋識別技術通過三維圖像比對，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 皮膚的血管網絡等，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

2018年Butterfly iQ發布，Butterfly Network讓基于MEMS超聲波技術開發熱潮再度掀起。Butterfly iQ是第一款完整的基于MEMS超聲波換能器的系統。這款手機大小的裝置可以掃描全身，價格僅1999美元，而全球手持式超聲波系統的平均售價為8200美元。

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個換能器構成大型陣列。這些換能器發出超聲波信號，并以聲波的形式接收回波。8960個換能器構成的陣列與專用集成電路（ASIC）芯片集成，可實現高效的2D相控陣傳感器。得益于CMUT的小型化，Butterfly iQ超聲波探頭可以進行曲線、線性和相位分析。而在使用其它常規設備的情況下，必須使用三個不同的超聲波探頭才能實現相同的分析過程。

CMUT其他可能的應用

改進固態觸控按鈕

CMUT 技術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現固態觸控按鈕。這為傳統的機械按鈕提供了更加耐用、可靠的替代品，降低磨損風險，延長設備的整體使用壽命。與可能受濕度和溫度等環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）。由于該技術縮小了按鈕的尺寸，因此可以集成從智能手機到工業控制面板等各種設備，例如能將觸控按鈕安裝在手機金屬框架下或取代汽車門把手，以實現整潔的設計。

液位感應

CMUT可使一些需要液位感應的家用電器設備受益。CMUT具有多項優勢，包括可連續測量填充液位、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，因此最后一點對于測量洗衣機或洗碗機中的化學物質等非常重要。

結語

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產生積極改變。

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