超声换能器的原理及设计课程，压电微机械超声换能器PMUT原理与应用

超声换能器的原理及设计课程，压电微机械超声换能器PMUT原理与应用2、PMUT的基本结构和指标随着晶圆级材料生长技术的不断进步，以及MEMS工艺和生产线的不断完善，PMUT的潜力正在进一步被发掘，尤其是材料的均匀性，带来了器件性能的极高一致性，这是颠覆传统压电陶瓷的潜力所在。从设计端向下优化的晶圆级工艺优化，使得PMUT的性能开始吊打现有的陶瓷技术，在越来越多的领域拉开了技术更新换代的序幕。图1.2 PMUT芯片的晶圆级设计和制造除了成本优势以外，PMUT的性能优势也非常凸显。一般而言，执行器和传感器在关键性能指标上是天然互逆的，输出大位移的MEMS执行器很难检测微小振动，而精密的传感类器件如加表陀螺无法输出足够大加速度或角速度。而PMUT作为一个标准器件，它的发射和接收性能正好处在一个适中的平衡点上。作为执行器，其发射声压、振动幅度较大，结构简单，给设计和工艺带来的难度没有让人想掀桌；而作为传感器，其灵敏度、信噪比也不低，给电路和算法带来的挑战也没有那

1、PMUT简介

压电微机械超声换能器，（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）是一类通过压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或者接收超声波信号的MEMS器件。当PMUT用于发射超声波时，它是一个执行器；当PMUT用于接收超声波时，它是一个传感器。

图1.1 典型PMUT器件剖面图

PMUT的一个特别之处就在于它既可以做执行器（发射声波），又可以做传感器（接收声波）。这意味着在商业化产品中，完全相同的PMUT器件可以承担两个相对立的功能，例如汽车的超声波倒车雷达，无论是一个PMUT自发自收超声波，还是两个完全相同的PMUT一发一收超声波，都使用的是完全规格参数完全相同的器件。这使得PMUT器件从设计到生产、封装、测试、系统化的成本得到极大的降低。除此之外，MEMS标准工艺批量化生产和晶圆级封装的大规模应用，都使得PMUT非常适合商业化应用。

图1.2 PMUT芯片的晶圆级设计和制造

除了成本优势以外，PMUT的性能优势也非常凸显。一般而言，执行器和传感器在关键性能指标上是天然互逆的，输出大位移的MEMS执行器很难检测微小振动，而精密的传感类器件如加表陀螺无法输出足够大加速度或角速度。而PMUT作为一个标准器件，它的发射和接收性能正好处在一个适中的平衡点上。作为执行器，其发射声压、振动幅度较大，结构简单，给设计和工艺带来的难度没有让人想掀桌；而作为传感器，其灵敏度、信噪比也不低，给电路和算法带来的挑战也没有那么令人绝望。

图1.3 器件级的PMUT应用

随着晶圆级材料生长技术的不断进步，以及MEMS工艺和生产线的不断完善，PMUT的潜力正在进一步被发掘，尤其是材料的均匀性，带来了器件性能的极高一致性，这是颠覆传统压电陶瓷的潜力所在。从设计端向下优化的晶圆级工艺优化，使得PMUT的性能开始吊打现有的陶瓷技术，在越来越多的领域拉开了技术更新换代的序幕。

2、PMUT的基本结构和指标

一般来说，PMUT的基本结构如图1.1(a)所示，从上到下分别为顶电极、压电层、底电极、结构层（弹性层）、基底。中间那一段悬空区域被称为振膜，超声波的发射就是由振膜的上下振动挤压空气形成的。因此，PMUT的工作模态是整个振膜的均匀上下振动，称为B01模态，如图1.1(b)所示。

图2.1 PMUT的基本结构和振动模态

和大多数压电执行器一样，PMUT结构中的压电层工作在d31模态。压电层的伸张和收缩带动结构层的形变，从而产生超声波。在PMUT中使用较多的压电材料，依然是氮化铝（AlN）和锆钛酸铅（PZT），这两种材料有着较为成熟的商业化生产和应用。在学术圈，一些新材料也在不断被应用于PMUT的研究中，但从目前的研究成果来看，其性能在没有50%以上提高的情况下，成本达到了无法走出实验室的地步。PMUT的结构层，一般为硅。由于成熟的工业制造，以绝缘衬底硅（SOI）作为基底生长压电层用于PMUT制造，已经成为了一条比较成熟的技术路线。

另一种比较常见的结构是压电双晶片，如图2.2所示，双层电压层和三层电极。其优势在于可以不依托于传统的硅基底，实现更大的发射和接收灵敏度。这是一条比较新的技术路线，实验室中压电双晶片的成果可以经常见到，但是最近国外一产商成功推出了基于双晶片的PMUT飞行时间传感器（TOF），而且已经进入规模量产和供货阶段，从而让压电双晶片结构看到了商业化的前景。

图2.2 压电双晶片结构示意

PMUT的基本性能主要还是围绕声学应用的一些指标：

谐振频率，多数PMUT的工作点还是设置在谐振频率上。这样的设计有一个最大的优点，输出能力强。此外，工作在谐振频率上，可以把PMUT等效成一个谐振器，无论在仿真设计，还是在等效电路的分析上，都可以极大地简化模型的复杂度。

发射声压，作为超声波发射器件，这个指标是非常重要的。由于超声检测大多是要检测回波的，回波强度越大信号处理越容易，因此就需要发射声压足够大。

接收灵敏度，超声波在遇到声阻抗有差异的界面时会有一部分反射回来，检测这部分回波可以实现距离检测、超声成像等功能，因此接收灵敏度也是越高越好。

其他主要指标包括总谐波失真（THD）、信噪比（SNR）、声压级（SPL）、填充系数（FF）、精度、分辨率、带宽、功耗、指向性等。

3、PMUT单管器件

PMUT在不同的应用中，分为单管和阵列。单管就是单一一个PMUT构成的MEMS器件，单管器件一般频率较低，输出和带载能力较强，适合超声波的发射。另一种是PMUT阵列器件，阵列就是多个PMUT排布在一起形成一个器件，阵列器件一般频率较高，超声波传播范围大、接收检测精度高，适合成像类需要横向分辨率的应用。

PMUT的单管器件结构非常简单，就是一个实心振膜。这种简单结构的优点在于可靠性和一致性高，设计、工艺、封装都比较容易。但缺点也显而易见，结构刚度较高，振动位移小。

因此，要进一步提高传统PMUT的性能，满足不同应用的指标，就要对传统PMUT进行一些差异化设计。这些差异化设计，有来自器件设计层面的，也有来自制造工艺层面的。这些优化在满足差异化需求的同时，也有效规避了知识产权方面的麻烦。

这里介绍一些文献中的PMUT单管设计，其设计思路各不相同，总的来说，根据不同的应用场景和性能需求，在设计上会对PMUT的机械结构进行调整，以满足其应用的需要。

3.1频率可调的PMUT

这是一篇来自加拿大魁北克大学的论文，2018年发表在MEMS领域的权威期刊JMEMS （Journal of Microelectromechanical Systems）上。

该PMUT的振膜直径为200 μm，一阶谐振频率为1.42 MHz，压电材料为500 nm的AlN，工艺是MEMSCAP的PiezoMUMPS标准工艺。

图3.1频率可调的PMUT

这个设计的特别之处在于采用四条支撑梁将PMUT振膜支撑起来，还做成了4个一组的阵列，可以想见其优势在于降低了振膜的刚度。虽然沟槽（trench）的存在会带来一些可靠性的问题，但研究者用超厚的Parylene压在振膜表面，并且通过调整Parylene的厚度来调整PMUT的频率。

3.2同心环压环增强声压的PMUT

这是一篇来自加大戴维斯分校的论文，发表在2015年的TRANSDUCERS上。加大戴维斯有一个非常厉害的做PMUT的团队，他们做的固体成像、指纹检测非常厉害，后面还会提到。这篇文章就是他们团队提出的一个提高PMUT声压级的方法。

该PMUT的谐振频率为703 kHz，振膜直径182 μm，压电材料为1 μm的AlN。这个研究中的PMUT是传统PMUT，但是该团队在PMUT的外部结构上做了很多工作。

图3.2同心环压环增强声压的PMUT

该文章是要把振膜背部的声压回收，通过排压环送回到正面。环的直径决定了背部声传到正面的相位（传播路径长短），并且可以调整远场声压级和声束指向性。

此外，作者提出了一个对比同批次不同参数的器件性能的参考标准：调节电压把不同PMUT的最大位移调到一致，通过输出声压来评估性能。而不是采用相同的电压，以不同的位移来评估。

3.3声压倍增环形PMUT

这一个设计来自加州大学伯克利分校，他们和前者加大戴维斯的团队在PMUT领域有着非常紧密的合作。该成果发表在2016年的Solid-State Sensors Actuators and Microsystems Workshop上。

这一个PMUT结构的核心是在底层设计一个中心圆柱，使振膜形成环形空腔。其谐振频率为1.47 MHz，振膜内径97 μm，外径207 μm。压电材料为AlN双晶片，上下层厚度分别为0.8 μm和1.0 μm。

图3.3声压倍增环形PMUT

由于振膜是环形的，因此该PMUT采用了环形电极，顶电极环占振膜面积的55%，该结构具有很好的远场指向性。虽然结构层采用了双晶片，但实际加载激励时仅使用了顶层电极和中间层电极，激励效果和单层压电层是相同的，可以看做双晶片的下层AlN作为结构层。

3.4带V型孔的PMUT

这是一篇来自国内的研究成果，浙江大学2019年发表在电路领域顶刊的EDL（Electron Device Letters）上。

该PMUT有一个方形的振膜，在中间有一圈V型通孔。其振膜边长为102.5 μm，谐振频率1.876 MHz，压电材料为0.5 μm的AlN。加工同样为MEMSCAP的工艺。

图3.4带V型孔的PMUT

电极为外围环绕型，其输出能力一般来说是不如中心电极的。这种通孔设计有一个比较明显的好处就是释放工艺过程中残余应力。文章中也说V型通孔可以实现器件刚度的调节，通过这种方式提高了器件的传输灵敏度和远场声压级。但实际上作为接收器件还可以，如果是发射器件则可能会有漏音的问题。

3.5类活塞膜的PMUT

新加坡国立大学2015年发表在EDL上的文章，同样也是方形结构的PMUT，同样也是在振膜上进行了打孔操作，该PMUT是应用于3-D诊断超声成像。

PMUT振膜边长200 μm，圆形通孔的直径为5 μm，谐振频率2.31 MHz。压电材料为1 μm的AlN，在2.31 MHz处的灵敏度为73 nm/V。

图3.5类活塞膜的PMUT

该PMUT的设计要点在于那两圈圆形通孔，文章说是可以改善发射灵敏度。但是直径5μm且如此大密度的通孔，可能输出声压也会掉得厉害。考虑到期具体应用，该器件应该是为非自由场的情况专门设计的。

3.6多频率PMUT

这是2019年由伊利诺伊大学芝加哥分校发表在老牌传感器刊期IEEE Sensors Journal上的一篇文章，主打的是在一个单片上有多个频率的PMUT。

研究者设计了三种频率的PMUT，谐振频率分别为1 MHz、1.5 MHz和2 MHz。其中两种的结构是八边形的振膜，属于异形结构的PMUT。压电材料为0.5 µm的AlN。

图3.6多频率PMUT

这篇文章多频PMUT的本质就是把不同振膜形状和大小的PMUT放在同一个单片上，这本身没有什么技术上的难点，主要问题在于如何高效利用多个频率的PMUT振元。多频PMUT会使单一频率的器件填充率下降50%以上，有效面积对于MEMS器件来说是非常宝贵的。多频PMUT的优点背后，如何弥补声压和灵敏度的下降，是一个非常棘手的问题。

3.7弯曲生长的PMUT

最后再介绍一个脑洞型的设计，同样来自于加大伯克利和加大戴维斯联合团队，该文章2014年发表在IEEE MEMS会议上。

该PMUT振膜直径为140 μm，设计谐振频率2.45 MHz，压电材料为2 μm的AlN。

图3.7弯曲生长的PMUT

这个设计有意思的地方在于，研究人员在硅基上用SiN掩膜刻蚀出一个凹型球面，再在这个曲面上生长AlN薄膜，再刻掉底部Si，形成一个曲率半径为1065 μm的弯曲的结构层。虽然看起来结构变化不大，但可以想见在制造过程中要让AlN晶体结构的极化方向在任意位置都垂直于曲面，那真是对工艺工程师灵魂的摧残，但偏偏这个联合团队还真做出来了。

不过想想，如果在国内，肯定没人愿意做这样的尝试，因为在量化考核科研指标的国内高校，这个脑洞的回报率太低、做不出来的风险太高。但也许往往最有价值的研究就在于突破极限的那一小点上。

4、PMUT阵列

PMUT单管器件可以有着非常精细化的结构设计，但整体来说，PMUT单管也有着发射声压低、性能提升空间不足等问题。因此，在实际应用中，大多采用的是多个PMUT单管组成的PMUT阵列。

PMUT阵列可以根据应用需求自由地排列布局，在PMUT阵列中，每一个PMUT单管被称为一个振元。根据需要，阵列可以是N×M个振元相互连接形成的面阵，如图4.1(a)所示。也可以是1×M个振元组成一列，这一列的振元全部串联，形成线阵，如图4.1(b)所示。线阵可以继续排列，组成N列的线性阵列。

图4.1 典型的PMUT阵列。(a)面阵；(b)线阵。

此外，还有圆环形、交叉排布、错位排布等不同形式的PMUT阵列。阵列的排布方式往往对某个特定性能有着非常执着的追求，例如指向性、横向分辨率等。

因此，阵列的设计往往更加复杂，而且遇到的麻烦也更多，最为突出的就是振元一致性的问题。一个PMUT阵列里，几十上百甚至上千个振元，每一个振元都是一个PMUT单管。而这成百上千的振元中，由于材料、设计、工艺、封装甚至环境因素，可能导致并不是每一个振元的谐振频率都相同，也不是每一个振元的稳态振幅都一样。振元之间这样的频率和振幅的差异，就可能给整个器件带来意想不到的问题。这也是PMUT阵列中最难解决的一个问题。

下面同样介绍一些文献报道中的PMUT阵列设计，从这些设计和他们的应用中，就能看出很多阵列设计的门道。

4.1用于光声成像的PMUT阵列

这篇文章由宾州州立大学2020年发表在声学顶级期刊TUFFC（IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control）上，其PMUT阵列通过线性扫描，主要用于组织体光声成像（photoacoustic imaging，PAI）的应用。

而之前提过的PMUT阵列最大的问题，频率一致性的问题也十分凸显，其阵列的谐振频率为6-8 MHz，这3900个振元的谐振频率分散在了一个很广的频带范围内，这个频偏幅度算是一个比较差的结果了。为5 Vpp，在7.5 mm处的平均峰值超声压力输出为16.2 kpa。

图4.2用于光声成像的PMUT阵列

这一个PMUT阵列的特点就是小而密，错位排布也是为了更加密集地摆放振元，从而增大输出声压。高频的PMUT阵列可以做的很小很密，从而弥补了声压不足和频率偏移的问题。这种扫描式的成像方法为这些问题提供了足够的容错空间。

而之前提过的PMUT阵列最大的问题，频率一致性的问题也十分凸显，其阵列的谐振频率为6-8MHz，这3900个振元的谐振频率分散在了一个很广的频带范围内，这个频偏幅度算是一个不太理想的结果了。

4.2频响可调的PMUT阵列

这篇文章由富士胶片发表在被称为二区顶刊，一区守门员的APL（Applied Physics Letters）上，他们用了工艺上的特殊方法，把振膜做成了拱形，并且还具有不错的一致性。

该PMUT阵列为64通道线阵，设计有五种不同的PMUT尺寸，直径从74 μm到90 μm，设计工作频率为5 MHz。压电材料为铌掺杂的PZT，算是比较特殊的压电材料。

图4.3频响可调的PMUT阵列

文章中自己吹的五种不同的PMUT尺寸，是为了通过光刻修改其尺寸来实现可调节的频率响应。这个点子很新，说人话的话，可以认为是人为设计把谐振点错开，间接达到了减小频偏的效果，或者说是将相同频率的振元在水平距离上隔远一点，减小相互的干扰。而这样做的缺点也很显著，声压级和灵敏度肯定都会降低。

4.3带有隔离沟槽的PMUT阵列

这是南洋理工大学在2016年发表在MEMS领域权威期刊JMEMS（Journal of Microelectromechanical Systems）上的一篇文章，文章的重点就是在振元之间刻出隔离沟槽来改善薄膜位移和输出压力。

该PMUT阵列为8×8的面阵，振膜直径为96 μm，压电材料为1 μm的AlN。工作频率为2.25 MHz，Q值16。

图4.4带有隔离沟槽的PMUT阵列

研究者通过给每一个振元设计隔离沟槽的方法，使阵列的振元间频率偏移减小到0.03 MHz。说句公道话，2 MHz振元频偏30 kHz已经很不错了，这说明刻槽的方法确实有用。同时，可以想见这样的设计对残余应力的释放也是有好处的。

4.4 高密度方形PMUT阵列

这篇文是来自清华大学的，2018年发表在IEEE Sensors Journal上，特点是高密度的方形PMUT阵列，主要针对超声成像应用。

PMUT阵列是64×4的独立阵列，振膜直径60 μm，振元间距20 μm，谐振频率0.753 MHz，压电材料为1 μm的PZT，填充率69.4%。

图4.5高密度方形PMUT阵列

设计上对振膜以外的PZT层进行了刻蚀，目的也是为了隔离。压电材料是Sol-gel制造的，一致性可能是一个问题。

该器件在设计上有个特别的地方，那就是给64×4个振元设置了独立的激励电极，图中可以看到PMUT阵列两侧密密麻麻的电极pad。独立电极设置一直是优缺点分明，优点是独立控制，灵活度极高，搭配合适的算法，可以实现极为复杂的终端应用功能。缺点是占地方，多半需要集成ASIC来处理信号，复杂度高，成本高。

4.5多频连续PMUT阵列

这是浙江大学2019年发表在JMEMS上的一篇文章，应用是反射式超声测距仪，测量距离为0-300 mm。

该PMUT阵列是5×5的方阵，振膜直径400 μm，谐振频率492 kHz，压电材料为1 μm的AlN。

图4.6多频连续PMUT阵列

该文章中清晰地指出了对PMUT发射和接收的复用，5×5的方阵分为两组发射、两组接收、一组发射接收复用。这也表明了PMUT作为单一器件自发自收的潜力，同时兼顾执行器和传感器的性能指标，并且能够实现应用。

4.6高填充系数环形PMUT阵列

加大戴维斯分校的David A. Horsley团队一直深耕于压电MEMS的研究，其团队研发了世界上第一款基于PMUT的指纹传感器。由于该团队成果众多且论文高产，这里挑了两篇具有代表性的以PMUT阵列为核心的文章。

该团队在2014年发表了一篇环形PMUT阵列的研究，发表在JMEMS上。该环形PMUT阵列由1261个振元构成，用于血管内超声成像。

振膜直径25 μm，振元圆心间距30 μm，圆形阵列由1261个振元组成，整个阵列直径1.2 mm。液体中谐振频率18.6 MHz。压电材料为750 nm的AlN。带宽4.9 MHz，空气中振幅2.5 nm/V。

图4.7高填充系数环形PMUT阵列

这篇文章写的很深入，对填充系数、灵敏度、FOM有关的的重要公式都进行了介绍，对器件的振动模型、等效电路模型都有分析。结构上，利用多晶硅作为牺牲层，释放内部腔体。2 μm ×4 μm 在边上的方形通孔，或2 μm直径在PMUT中心的圆心通孔，3 μm的parylene密封，整个工艺过程也是相当复杂的。血管内超声成像效果十分好。

4.7 CMOS-MEMS集成的PMUT阵列

第二篇要介绍的是则该团队最著名的超声波指纹传感器。这一篇文章于2015年发表在APL上，其研究的突破点在于CMOS和MEMS工艺进行了兼容，做出了单片超声波指纹传感器样机。

文章中采用了24×8的PMUT阵列，振膜直径50 μm，谐振频率22 MHz，振元间距100 μm。压电材料为800 nm的AlN，CMOS-MEMS工艺，采用Al-Ge共晶键合集成。脉冲回波检测指纹，28 V激励，2个周期，22 MHz的方波。得到轴向分辨率68 μm，横向分辨率60 μm。

图4.8 CMOS-MEMS集成的PMUT阵列

该指纹传感器同样采用了PMUT阵列即作为执行器又作为传感器的特点，20*8列发射，中间的20*1列接收，2次回波抵达时间为2us，接收电压幅值300 mVpp，检测范围为2.3 mm×0.7 mm。文章中的测试数据非常多，为PMUT指纹传感器立下了一个标杆式的性能指标参考。同时，文章也直面了幅值差异、模态耦合、声阻抗匹配等问题，是压电MEMS应用端一篇不可多得的好文章。

5、PMUT的制造工艺

在PMUT阵列中，若干个振元组成了整个PMUT阵列。而PMUT阵列的设计制造，就从器件级转向系统级了。因此，PMUT阵列的设计一开始就和单管的设计不同，一致性的问题，需要从阵列的布局设计、振元的组合方式、工艺误差等各个方面考虑。

得益于MEMS工艺的不断发展和PMUT不算复杂的结构，标准化工艺在满足线宽和误差要求的范围内，PMUT器件都是能够比较完美的出性能的。这里贴两组文献中的典型工艺流程，分别是基于AlN和PZT两种压电材料的，前者是MEMSCAP的Piezo标准工艺，这是一套成熟的量产代工工艺；后者是生长PZT的经典sol-gel工艺，也是一套比较成熟的实验室工艺。从工艺流程可以看出，两套工艺都是在基底上一层一层往上长，后再一层一层往下刻。

图5.1基于AlN的PMUT制造工艺

图5.2基于PZT的PMUT制造工艺

首先是在基底上长压电层，这个基底大多都是SOI。一般在刚开始会通过热氧化长一层二氧化硅作为种子层。随后往上生长必不可少的是底电极、压电层、顶电极。根据实际应用有的还有键合金属层、Al/Au焊盘金属层、SiO2/Si3N4保护层，以及为RDL/TSV工艺预留的介质层等。

然后就是一层一层往下刻，刻蚀的过程除了残余应力控制需要注意以外，没有别的什么大问题。只要设备齐全，干啥都可以。由于压电材料有居里温度这么个特性，因此会要求工艺温度不能过高，因此需要考虑温度过高的工艺不能出现在压电MEMS工艺中。

压电层的图形化方法比较杂，压电层厚度、工艺温度、线宽要求等都会对具体工艺的选择产生影响，总的来说，干法刻蚀用的比较多，尤其是对于那些压电层比较薄的PMUT器件，往往效果都不错。如果压电层比较厚，干法可能需要多次光刻，此时对曝光时对准的要求就比较高了，这种情况采用湿法刻蚀的情况就逐渐多了起来。湿法的绝对优势就是成本低，但问题也很明显，工艺过程的控制需要反复摸索，过刻蚀问题需要好好解决。此外，湿法腐蚀厚膜会形成斜坡，斜坡覆盖问题会对其他工艺带来挑战。弱弱的再提一句，有几家大实验室烧钱跟烧纸一样，用皮秒激光来刻压电层图形，刻出来的那都是艺术品。

图5.3 PMUT结构层细节（SEM照片）

金属层的生长使用磁控溅射和电子束蒸发较多，图形化的时候有很多选择Lift-off和Shadow Mask的，只不过像键合金属层或者长铝pad的时候可能长的比较厚，这个时候就比较考验工艺能力了。而ICP和IBE也是刻蚀金属层的常用方法。

隔离层/保护层选择ICPCVD和PECVD的较多，具体也和设备有关，这是一个比较常规的工艺，厚度控制也比较容易。刻蚀似乎用RIE的比较多。需要考虑的问题可能是生长致密度的问题，特别是隔离层上还要生长金属的情况，这种时候需要注意隔离层的厚度和致密度足够，以免两层金属导通，以及可能存在的电容效应。

SOI的顶硅和底硅都采用的DRIE，这个没什么说的了，常规工艺。

6、PMUT的应用

PMUT是一种超声波发射和接收的MEMS器件，所有PMUT的应用核心原理都一样，即发射和检测超声波。而检测超声波的回波时，既可以检测回波距离发射波的时间，也可以检测回波振幅的大小。

基于以上两种原理，超声波传感器的应用可以分为两大类：

（1）检测回波时间，专业一点的说法叫飞行时间（Time of flight），即检测超声波从发射到接收所间隔的时间，从而判断距离。该原理的常见应用有汽车倒车雷达、水下声呐设备、超声烟雾报警器等。

（2）检测回波的强度，超声波发射后遇到反射面就有一部分声波反射回来，距离反射面越近，回波的强度就越大。该原理可以对发射区域进行扫描和检测，形成二维或三维的结构成像。该原理常见的应用有B超成像、无损检测等。

这里也需要提一句，复杂的超声应用系统常常是以上两种检测方法都使用，以提高检测效果。此外，还有还有只负责发射超声波，或者只负责接收超声波的单向的应用。

下面具体介绍一些常见的应用。

6.1 距离传感器

测距离是超声器件的最重要的应用，高频超声波抗干扰能力强，传播距离远，非常适合测距应用。现有的安装于汽车上的倒车雷达，一般就是前后各四颗。但是这四颗倒车雷达都是肉眼可见的大，而且成本也不低。

而PMUT的封装后尺寸都不会超过10mm，设想一种场景，如果使用PMUT阵列来做距离检测，小尺寸高密度的排布，不仅可以做到在不超过现有倒车雷达成本的条件下全车无盲区检测，甚至可以完整建立环绕全车的超声成像以辅助智能驾驶系统。

图6.1 PMUT测距原理

超声波距离传感器的另一个典型应用就是最近特别火的扫地机器人，扫地机器人的避障检测就是以超声传感器和红外光电传感器相结合来完成的。但现目前，超声传感器和红外光电传感器在性能和成本上，都没有太大落差，二者共同完成扫地机器人的防碰撞、防跌落、边缘检测等任务。

由于成本的问题，现在主流扫地机器人的超声雷达数量都在个位数。因此，扫地机器人的避障检测和寻迹问题依然突出，被卡住、错误判断等问题都是超声雷达检测精度不够高造成的。

图6.2 PMUT二维距离传感器测试效果

得益于低成本和小体积，使得在扫地机器人上的使用成为PMUT商业化应用的一个非常有价值的切入点。小体积和高精度使得PMUT可以满足扫地机器人这类需要进一步提高检测分辨率的应用场景，使用户的使用体验得到可以感受到的提升。

6.2 B超成像

B超成像技术其实已经非常成熟了，医疗领域的手持式B超检测仪可以快速地完成医疗检测。但是其缺点也很明显，被检查者身上需要涂一层很厚的油脂状物质，且诊断时需要B超检测仪来回反复扫，被检查者的体验很差。

这些问题的原因在于传统B超检测是扫描成像，由于探头较大，超声检测精度低，传播损耗大，因此需要在皮肤上涂一层声阻抗匹配层，使B超探头和皮肤之间没有空气干扰，减小超声波的能量耗散。而探头来回扫描是因为B超检测仪的探头数量少，无法一次性完成成像，需要多次检测来提高成像分辨率。

图6.3 体内超声成像

如果采用PMUT阵列来对皮肤进行超声成像，采用大阵列全聚焦相控阵成像，PMUT阵列和皮肤之间只需隔一张纸，并且PMUT阵列固定不动，吸气呼气的功夫就完成检测了。

其原理就在于PMUT阵列密度大，假如一个8×8的PMUT阵列，每一个振元都单独发射一次超声波，然后每次都由所有64个振元一起接收。这样一次检测就有不同位置不同信号强弱的64张成像图片，再经过图形算法的处理，即可获得一张高精度的B超图像。

6.3血管内超声成像

血管内超声成像（IVUS）为心血管疾病的诊断搭了一条新路，该技术搭载超声探头和微电机，钻进血管内部，成像出血管侧壁的图像，对于因钙化、纤维化等造成的血栓等病变进行诊断。

由于是血管内成像，体积是IVUS的最大限制，因此微机械超声换能器是当前唯一的选择。IVUS有机械旋转成像和相控阵成像，其原理和区别也和类似于扫描式和静态式成像。它们的核心都在于体积小，振元密度大，这是只有PMUT才能完成的任务。

图6.4 血管超声成像诊断仪

当然，客观地说，相比于汽车和消费电子，医疗领域的产品，技术换代相对缓一些，由于需要安全第一，医疗厂商往往并不会追寻最新的技术应用到当下的产品中。因此，PMUT在医疗领域的应用，可能会迟缓一些，目前来说还不是成熟的商业化推广领域。

6.4 指纹传感器

超声指纹传感器是超声传感器的一个非常前沿的应用，它的主要优点在于它可以检测到手指真皮层的指纹。这意味着超声指纹传感器可以识别树脂做的假指纹，也可以使那些因为机械磨损造成表皮指纹损伤的人可以顺利读取指纹。

图6.5 不同技术路线的指纹传感器对比

伯克利和戴维斯的团队已经将超声指纹传感器做到了ASIC MEMS 先进封装的集成，系统级的器件和检测效果看起来非常炫酷。

图6.6 超声指纹传感器的基本原理

然而，超声指纹传感器的最大缺点在于成本太高，它可以应用在安全要求较高的场合。但消费电子领域，超声指纹传感器入场得太晚了。国内某厂商的光学指纹识别技术，已经做到可以仅靠手机屏幕的亮光完成指纹识别了。

6.5 固体探伤

固体无损探伤是PMUT在工业领域的一个典型应用，在电网、轨道和化工等领域有着非常广泛而且迫切的需求。广泛就不说了，迫切就在于现有的检测手段，对细微损伤无能为力，很多时候只知道有裂纹，但无法准确知道具体位置、形状尺寸，甚至很多时候检测不到微小损伤。

PMUT的优势在工业无损探伤领域是完全可以超越现有技术的，PMUT阵列全聚焦成像还具有实现3D成像的潜力，包括便携和低功耗在内的需求也都完全可以满足工业领域对无损探伤的要求。

图6.7 PMUT无损探伤和缺陷检测

而缺点嘛，工业领域定制化程度较高，市场规模不大，商业化潜力有限。不过甲方单位有钱，利润肯定也是有的。

6.6加湿器

加湿器算是超声应用里一个另类吧，加湿器是靠内部的超声振动片，把水打成雾状喷射出去。这跟超声波的发射和接收都没关系，完全是当做一个机械部件。不过，传统加湿器的振动片频率上不去，无法把水颗粒打得更小、发射得更远，造成加湿器附近全是水，靠近加湿器呼吸时有不适感。

图6.8 超声振动液体雾化

PMUT应用于加湿器的振动片，虽然有些大材小用，但还是比较精准定位需求的。中高频的PMUT而已实现水雾的更小颗粒化，加湿范围更大，效果更好，同时噪声可以降到50db以下。而且近年来打着环保无铅旗号的加湿器已经开始投向市场，这也是无铅压电材料市场化的一个重要标志。

6.7扫地机器人

扫地机器人使用超声传感器主要就是探路，而且这在6.1超声波测距已经提过了，为什么这里还要再单独说扫地机器人呢。

随着智能家居概念的热潮，相关产品不断涌现，相关企业也在智能家居领域不断发力，石头科技靠着扫地机器人都上市了。这里要说的，就是超声传感器在高端扫地机器人上的应用，而且是除了测距避障以外的应用。

高端扫地机器人，怎么高端，天猫京东上搜一搜，高端扫地机器人已经将很多功能一体化了。扫地机器人可以通过超声检测识别水箱里的水位，根据用水量和水中的颗粒物杂志来判断地面的清洁程度。高端扫地机器人甚至可以识别地面的材质，地砖、木地板还是地毯，从而切换不同的清洁方式。

图6.9 某款超声传感器的材质识别测试

而完成这些功能的就是PMUT，通过不同材料对定频等幅超声波的吸收和反射程度不同，从而达到识别地面材质的目的。而短距离、高精度、低功耗正好都是PMUT的核心优势。

随着未来扫地机器人的普及化和发展趋势，今后每个扫地机器人上配备10颗以上的超声传感器是可以预见的，机器人上的高端超声传感器将会是PMUT将会有一个非常有潜力的舞台。

6.8 扬声器/麦克风

扬声器/麦克风准确的说不属于超声波器件，但是由于PMUT的结构可塑性强，产生可听声音的原理也是振膜振动挤压空气。因此，PMUT的应用可以延伸到人耳可听的范围。

由于扬声器只作发射端，麦克风只作接收端，当PMUT被用于扬声器/麦克风时，对单向性能的要求就非常高了。因此，当PMUT的工作频率降低到可听声音的范围时，其对信噪比、带宽等性能的要求开始凸显。

MEMS扬声器/麦克风具有巨大的商业前景，无论是当下热门的TWS无线耳机，还是智能音箱、智能手机和手环，堆物料的循环又开始了。特别是高端耳机，由于主动降噪、环绕声等功能的需要，一副耳机里所需的扬声器和麦克风数量也在呈几何数量的增长，MEMS扬声器/麦克风的出货量未来会有一个暴增的阶段。敏芯股份正是趁着这个东风上的市，后续MEMS扬声器/麦克风也会单独有一篇文章来详细分析。

图6.10 TWS耳机的主动降噪技术

以上这些应用很多都非常常见，但其中的超声传感器大多数还没有采用的PMUT技术。PMUT技术由于刚处于走出实验室到商业化的阶段，因此有着非常大的潜力。作为超声波发射和接收器件的下一代技术，PMUT有着广阔的商业前景和市场规模，一旦出现PMUT对现有技术进行原位替代的商业化实例后，超声波领域的技术迭代就会很快到来。