一、简介
超声换能器(Ultrasonic Transducer,UT)是指在超声波频率范围内实现声能与电能相互转换的器件,根据换能工作状态主要分为三种类型:发射型、接收型、收发一体型。21世纪以来,MEMS为超声技术发展注入新的动力,促进超声换能器的微型化和集成化,并可以有效降低大批量生产的成本,从而为打开广阔的消费类应用大门奠定基础。
近些年,基于MEMS技术的压电式微机械超声换能器(PMUT)和电容式微机械超声换能器(CMUT)产品接连面世并成功应用于智能手机、平板电脑、汽车、无人机、机器人、智能家居、医疗器械等。预计未来五年MUT市场的复合年增长率(CAGR)超过25%,到2028年将接近20亿美元。
超声换能器横截面结构示意图:(a)块体型压电超声换能器;(b)CMUT;(c)PMUT(来源:DOI: 10.3390/s150408020)
2018~2030年超声传感技术路线图(来源:Yole)
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(Qualcomm)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。
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。
为了把握新一轮的发展机遇并开辟高附加值的蓝海市场,众多厂商投资布局MUT及配套电路技术,并希望将ASIC与PMUT或CMUT实现单片集成。由此可见,整个MUT产业链进入“生机勃勃”的活跃状态,未来可期!