看到CMUT，是不是有些工程师没有听过这个词儿?觉得很陌生，但以后大概率会用到。

基于微机电（MEMS）制程的电容式微机电超声波换能器（CMUT）与压电式微机电换能器（PMUT）技术正在悄然兴起，为超声波感测技术打开许多新的应用成长空间，例如手势控制、指纹识别等消费类的应用。

日前，英飞凌宣布在CMUT上取得重大进展，将换能器和ASIC集成到了单芯片上，该方案拥有更小的占板面积以及更强大的性能和功能，可广泛用于开发新型超声波应用和改进消费电子、汽车工业与医疗技术领域的现有应用。更早之前的几年，TDK宣布推出单芯片PMUT方案，同样也是为人机交互提供了新的创新思路。

CMUT由斯坦福大学的M.Haller和Pierre Khuri Yakub于1994年发明，随着英飞凌、TDK等的加入，也意味着更多主流芯片厂商开始关注这一市场。

CMUT/PMUT是什么？

CMUT和PMUT都是MUT，只不过实现的技术路径不同。

MUT的全称为Microelectromechanical Ultrasonic Transducer，即微机电超声换能器。它是一种利用MEMS技术制造的超声换能器，可实现电能和声能之间的转换，具有体积小、重量轻、功耗低、易于集成等优点。其中PMUT指的是压电（Piezoelectric）技术的换能器，而CMUT指的是电容（Capacitor）实现的换能器。

MEMS超声波换能器所对应的传统超声波感测是以压电陶瓷板作为核心元素，该超声波雷达感测距离最长可达数米，但分辨率通常在英吋到厘米等级。

传统感测压电陶瓷片一般由锆钛酸铅（PZT）等压电陶瓷材料制成，具有良好的压电性能。在极化处理后，压电陶瓷片能够在电场作用下产生机械变形，反之，在受到机械应力时也能产生电场。

无论是哪种传感器，工作基本一致，都是通过换能器实现发射和接收功能，类似SerDes。具体而言，发射过程如下：当在压电陶瓷板的电极上施加交变电压时，根据逆压电效应，压电陶瓷材料会在电场作用下产生周期性的机械变形，这种机械变形会在周围介质中产生声波，从而将电能转换为声能，实现超声波的发射。

接收过程则为：当超声波作用于压电陶瓷板时，压电陶瓷板会受到声波引起的机械应力作用，根据正压电效应，压电陶瓷材料会在机械应力作用下产生电荷，这些电荷通过电极收集并转换为电信号，从而将声能转换为电能，实现超声波的接收。

然后两端再通过信号的调理、处理等过程从而实现探测功能。

汽车超声波雷达功能框图

CMUT和PMUT与之类似，只不过将压电陶瓷片换成了MEMS工艺。

上图来自Teledyne MEMS，换能器具有发射和接收模式。

与依靠材料本身变形的传统压电体材料不同，CMUT通过微加工半导体膜片的偏转来传输和检测超声波。其在尺寸、分辨率以及功耗表现上远超传统压电，也正因此，使得CMUT跟PMUT得以为超声波感测打开新的应用市场。

MUT带来应用新空间

以超声医疗市场为例，目前依旧以压电换能器为主导地位，但在机电转换效率和带宽范围方面，传统压电超声换能器带宽比仅为30% ~ 80%，而CMUT带宽比范围可达60% ~ 100%，其机电转换效率也可达到80%，远高于传统超声换能器。在灵敏度方面，由于CMUT具有更高的信噪比，因此相较于传统压电超声换能器，CMUT的灵敏度可实现约10 dB的提升。在工作频率方面，压电超声换能器的工作频率约为20 MHz，高于20 MHz的工作频率实现较为困难。而CMUT的工作范围更广，有些医疗成像CMUT甚至可达60 MHz。这些性能的优越性将使CMUT逐步赶超压电超声换能器在超声医疗中的地位，并为超声医疗领域带来新前景。

更进一步来看，CMUT与PMUT两者的技术特性与应用市场，还是有些差别。CMUT拥有极佳的影像解析能力，但因为CMUT的结构是电容结构，由两电极间的绝缘薄膜与一段宽度达数微米的真空空间所形成，且操作电压为百伏特等级，故元件尺寸相对较大，也比较耗电。这使得CMUT比较适合应用在医疗影像相关应用。PMUT则是透过电荷的压电效应引起机械变形，产生超声波，故动作时较不受限制，体积较小，且操作电压也仅有数个伏特，符合未来所需的小体积与低功耗趋势。因此，消费类产品所需的物件侦测功能，比较适合使用PMUT。

三大主流的换能器技术。

CMUT与PMUT发展路线图

如图所示，汽车是超声波市场的主要应用，另外还包括了医疗、人机交互、工业以及VR等等场景。

得益于压电薄膜制备及集成技术的发展，PMUT呈现“百花齐放”的局面，在飞行时间（ToF）测距、超声成像、指纹识别、人机交互、芯片散热等应用领域取得重要产业化进展，例如TDK InvenSense Chirp的ToF测距传感器、茂丞科技的电子烟烟油液位检测方案、Exo Imaging的手持式超声诊断仪、高通的指纹识别传感器、UltraSense的智能触摸界面、Frore Systems的AirJet散热解决方案等。

传统的和基于MUT的血管内超声（IVUS）/心腔内超声心动图（ICE）导管示意图

研究发现，CMUT目前在这一领域提供了更广泛的可能性，这归因于其众多优点，包括更宽的带宽和更高的分辨率、更简单的制造工艺、更容易与ASIC集成以及在高频率下有效工作的能力。另一方面，尽管如今PMUT并不是生物医学应用中CMUT的主要替代品，但其显示出许多有前景的特性，这可能有助于使其在未来更有价值。与CMUT相比，PMUT的主要优点是无需高偏置电压，并且对寄生现象的敏感性较低。另一方面，随着制造和设计工艺的进步，PMUT的带宽和分辨率限制有望得到改善，从而进一步推动下一代超声器件的发展。

CMUT主要应用于医疗成像领域，其技术成熟度比PMUT高，以Butterfly Network和Kolo Medical为代表的创业公司正探索“杀手级”应用产品：面向家庭或个人应用的手持式超声成像设备。此外，基于CMUT的可穿戴贴片、血管内超声（IVUS）成像导管、心脏内超声（ICE）导管等也都拥有令人期待的发展潜力。

不过包括英飞凌、TDK等都是将MEMS和ASIC 集成，另外也是通过阵列的方式改善性能表现，将本底噪声降低到同等尺寸传统压电陶瓷材料的二十分之一，并将绝对信号增强一千倍，可将CMUT应用于涵盖消费电子到医疗设备等多个行业。

MEMS换能器制造原理

麦姆斯咨询最近编译了一篇文章，由意大利帕维亚大学（University of Pavia）和荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员组成的团队在IEEE Access期刊上发表了以“PMUT and CMUT Devices for Biomedical Applications: A Review”为题的综述论文：综述了PMUT和CMUT技术的最新进展。

PMUT详细工作原理

传统上，产生超声波信号的最基本物理机制是压电效应、磁致伸缩或光声效应。尤其是压电效应在PMUT以及传统的块体型PZT换能器中得到了利用。

下图展示了PMUT的总体示意图。该器件由厚度从数百纳米到一微米不等的夹在顶部和底部两个电极之间的压电薄膜构成。在其下方，数十微米的二氧化硅（SiO₂）无源层在压电薄膜的换能过程中为其提供支撑；此外，它改变了薄膜的自然轴，从而将横向应力（由d₃₁模式产生）转化为薄膜的离面变形，这使得薄膜能够在其弯曲模式下致动。结构下方是一个空腔，它是器件谐振原理的组成部分。其尺寸经过专门设计，以与压电薄膜的谐振频率一致。

PMUT横截面示意图

CMUT详细工作原理

作为MUT类别的一部分，CMUT依赖于静电换能机制。CMUT的振膜包括用作顶部电极的导电层。底部电极通常由导电衬底组成。在这两者之间存在一个空腔，当在电极上施加电压时，空腔内会产生电场。振膜通常被设计为方形、圆形或六边形。该膜在其周边固支，并悬浮在空腔上方。空腔可以是真空的或充气的，通常具有每微米数十伏特或更高的电场，从而导致高机电耦合系数。为了防止电极之间的任何接触以及由此产生的短路，还需要添加绝缘层。普通的CMUT横截面的示意图如下图所示。

CMUT横截面示意图

PMUT和CMUT未来都或将改变人机交互的新方式，我们列举了一些潜在应用，先看PMUT：

TDK的PMUT

2018年，TDK收购高性能超声波传感先锋企业Chirp Microsystems，Chirp成为TDK的全资子公司，位于美国伯克利，核心技术来自加州伯克利大学，采用的正是PMUT技术。

相比于激光ToF，MEMS超声波ToF传感器功耗更低（最多可减少500X）、对照明条件不敏感（能在阳光直射下工作）、可检测暗色和透明物体、测量噪声低得多（低100倍），而且有比基于红外技术的产品有更宽广的视野。

Chirp的MEMS超声波ToF传感器是在一体化封装 (SiP)内将PMUT与ASIC相结合的一整套系统。这样做的好处是可以大大减小传感器的尺寸和功耗，从而使超声波ToF能被轻松部署到IoT应用中。

根据TDK的描述，这些传感器解决方案能在任何照明条件下探测5米范围内的各类目标，广泛适合各种应用，包括规避障碍、存在检测、机器人、安全和监视、AR/VR、无人机、液位测量、智能家居/楼宇，以及通用物联网。

超声波指纹

如今，手机的超声波指纹都采用了PMUT技术或者类似工艺，这其中包括高通和汇顶。这种技术通过发射超声波并接收其回波，利用指纹表面皮肤和空气之间的 密度差异来形成一个详细的3D图像。超声波脉冲可以穿透玻璃、蓝宝石屏幕进行扫描，甚至能渗透到皮肤表面之下识别出指纹独特的3D特征，包括指纹脊线和汗毛孔等。

超声波指纹解锁技术展现出更强的抗干扰能力。它能够有效抵御污渍、湿气等外界污染物的干扰，提高识别的稳定性和成功率。此外，超声波指纹解锁技术还支持湿手解锁，这在许多生活场景中为用户提供了极大的便利。超声波指纹识别的位置相对灵活，可以安放在更合理的识别区域，使得用户在操作过程中能够获得更好的体验。

超声波指纹识别技术通过三维图像比对，大大提高了仿造的难度。它不仅能识别指纹的表面特征，还能扫描到指纹的深层信息，如 皮肤的血管网络等，从而为用户的信息安全提供了更为可靠的保障。

再来看看CMUT

Butterfly Network

2018年Butterfly iQ发布，Butterfly Network让基于MEMS超声波技术开发热潮再度掀起。Butterfly iQ是第一款完整的基于MEMS超声波换能器的系统。这款手机大小的装置可以扫描全身，价格仅1999美元，而全球手持式超声波系统的平均售价为8200美元。

Butterfly Network的CMUT是一款相控阵超声波换能器，由按照140 x 64排列的8960个换能器构成大型阵列。这些换能器发出超声波信号，并以声波的形式接收回波。8960个换能器构成的阵列与专用集成电路（ASIC）芯片集成，可实现高效的2D相控阵传感器。得益于CMUT的小型化，Butterfly iQ超声波探头可以进行曲线、线性和相位分析。而在使用其它常规设备的情况下，必须使用三个不同的超声波探头才能实现相同的分析过程。

CMUT其他可能的应用

改进固态触控按钮

CMUT 技术可在不使表面变形的情况下，在甚至金属等任何固体材料下实现固态触控按钮。这为传统的机械按钮提供了更加耐用、可靠的替代品，降低磨损风险，延长设备的整体使用寿命。与可能受湿度和温度等环境因素影响的电容式触控按钮相比，基于CMUT的触控按钮完全与水兼容，并具有高电磁兼容性（EMC）。由于该技术缩小了按钮的尺寸，因此可以集成从智能手机到工业控制面板等各种设备，例如能将触控按钮安装在手机金属框架下或取代汽车门把手，以实现整洁的设计。

液位感应

CMUT可使一些需要液位感应的家用电器设备受益。CMUT具有多项优势，包括可连续测量填充液位、功耗低，以及可轻松、无损地安装在水箱底部下方。由于接触式电极可能会被腐蚀，因此最后一点对于测量洗衣机或洗碗机中的化学物质等非常重要。

结语

无论是CMUT还是PMUT，通过ASIC与换能器的集成，这种超声波方案将会对HMI产生积极改变。