块体型压电换能器阵列在医学成像中的使用是一种基于厚度模式压电振动的成熟技术。同时，MEMS制造技术的进步也催生了微机械替代品的出现，即压电式微机械超声换能器（PMUT）和电容式微机械超声传感器（CMUT）。这两类器件分别利用压电薄膜和静电力以弯曲模式工作。此外，基于这些原理的柔性微机械超声换能器的开发为生物医学应用开辟了新的可能性，包括生物医学成像、传感和刺激。
据麦姆斯咨询报道，近日，比利时鲁汶大学（KU Leuven）的研究人员在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Flexible micromachined ultrasound transducers (MUTs) for biomedical applications”的综述文章。文中详细讨论了柔性微机械超声换能器（MUT）的需求、潜在应用、规格、材料、制造和电子集成。具体来说，该综述涵盖了制造方法，并比较了柔性PMUT和CUMT的性能规格，包括谐振频率、灵敏度、柔韧性和其它相关因素。最后，对实现高效、高性能的柔性MUT所面临的挑战和机遇进行了展望。
本文涵盖的柔性MUT的概况
柔性MUT技术背景
柔性超声的一个潜在应用是生物医学成像。在超声成像中，传播的超声波（脉冲）会在不同组织之间的界面处发生部分反射，回波作为时间的函数被测量以形成图像。柔性超声换能器在特定范围内具有可变曲率和焦距，可作为曲面透镜，提供机械聚焦，从而降低相控阵驱动中电子聚焦所需的功率。这一特性对于触觉和非接触式刺激应用特别有利。
由于超声换能器是一种谐振器件，其性能在很大程度上取决于自身的谐振行为，而这些特性可以从谐振频率、带宽和灵敏度等特征来理解。这些规格参数是通过基于目标应用执行各种表征来确定的。这些性能指标是由涉及结构几何形状以及材料等多种相互关联的设计因素共同作用的结果，因此存在复杂的优化问题。
柔性衬底为电子集成提供了更好的灵活性和可能性，而构建在刚性硅衬底上的器件往往具有更好的传感器性能指标。柔性衬底技术和硅MEMS之间的权衡可以通过混合方法部分克服，该方法涉及制造部分柔性和部分刚性的器件。这种方法在柔性超声技术中越来越受欢迎，在这种技术中，灵活性和高性能都很重要。
柔性MUT的技术背景
柔性MUT类型
PMUT由一个带有压电薄膜的振膜组成，并以弯曲模式工作。由于弯曲模式，PMUT的共振频率主要由几何形状和材料决定，因为它们会影响振膜的机械刚度和质量密度。然而，在制造过程中振膜中产生的内应力会极大地影响共振频率，这也是实际PMUT性能通常与理论预期性能不同的原因之一。此外，这使得振膜结构制造具有挑战性。文中讨论了关于制造柔性PMUT的各种方法。
柔性PMUT制造概览
柔性PMUT设计概览
已报道的柔性PMUT器件概览
CMUT具有电容器结构。它由一个薄的金属化悬浮膜组成，位于一个带有刚性金属化衬底的空腔上。值得注意的是，CMUT振膜有一个无源层和顶部电极，而底部电极附着在衬底上，这就使得必须有独立的衬底层，这与PUMT不同。CMUT通常采用牺牲层释放或键合技术制造。这也反映在下文所展示的柔性CMUT技术开发中。
柔性CMUT制造概览
柔性CMUT设计概览
已报道的柔性CMUT器件概览（牺牲层蚀刻的CMUT）
在柔性MUT中，平衡柔韧性和性能始终是一个挑战。尽管柔性方法更常见，本质上提供了高弯曲性，但它们需要显著的性能改进。此外，在处理柔性衬底时，薄膜中的残余应力会显著影响MUT的预期特性。混合方法，例如硅-PDMS衬底的器件，往往比完全柔性的方法提供更好的性能。然而，由于混合设计中存在刚性部件，柔韧性会在一定程度上受到影响。MUT的另一个障碍是，与传统的块体型压电换能器相比，它们的信噪比（SNR）较低。除了提高声压之外，在不同的器件设计和应用环境中，解决和最小化由电气和机械现象引起的串扰也有助于解决这个问题。
柔性超声换能器的设计目标包括宽带宽、高灵敏度、经济高效的制造、与电子器件的无缝集成以及生物医学应用中的用户舒适度。通过对设计制造优化的研究，柔性PMUT和CMUT具有实现这些目标的潜力。尽管面临诸多挑战，但该领域在创新技术和专注的研究人员的推动下，为未来的应用和商业化提供了机会。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00783-5
延伸阅读：
《可穿戴传感器技术及市场-2025版》
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
