本文件是一篇发表于期刊 *IEEE Access*（2024年第12卷）的学术综述论文，题为“PMUT and CMUT Devices for Biomedical Applications: A Review”。主要作者包括 Elisabetta Moisello (意大利帕维亚大学)、Lara Novaresi (意大利帕维亚大学)、Eshani Sarkar (荷兰代尔夫特理工大学)、Piero Malcovati (意大利帕维亚大学)、Tiago L. Costa (荷兰代尔夫特理工大学) 和 Edoardo Bonizzoni (意大利帕维亚大学)。该综述系统性地回顾了近年来在生物医学超声领域，特别是两种关键的微机械超声换能器——压电式微机械超声换能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer， PMUT）和电容式微机械超声换能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer， CMUT）——在技术发展、性能提升及应用拓展方面的最新进展。
本文的核心论点在于，尽管传统的块体型压电换能器在生物医学超声领域占据长期主导地位，但PMUT和CMUT凭借其与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor， CMOS）工艺的兼容性、设计灵活性、低成本批量制造潜力以及能够突破传统换能器在频率范围和声阻抗匹配方面的限制等显著优势，正在成为下一代生物医学超声应用的关键技术。综述旨在为研究人员和从业者提供一个清晰的视角，对比这两种MUT技术的工作原理、制造工艺、性能优劣以及在不同生物医学场景中的应用现状，并展望未来的发展趋势。
CMUT与PMUT的工作原理对比分析 论文首先从物理学原理层面深入剖析了PMUT和CMUT的工作机制，这是理解其性能差异和应用选择的基础。对于PMUT，其核心是利用压电效应，即施加电场使压电薄膜（如PZT、AlN）产生机械形变，从而驱动薄膜振动产生超声波，反之亦然。其性能关键指标是机电耦合系数（Electromechanical Coupling Coefficient， EMCC）。论文详细介绍了描述其弯曲振动的质量-弹簧-阻尼器模型以及用于电路设计的梅森等效电路模型。对于CMUT，其核心则是静电驱动原理，将换能器视为一个可动极板的平行板电容器。通过在上下电极间施加电压（尤其是直流偏置电压），产生的静电力使薄膜振动发声；在接收模式下，声压引起的薄膜振动会改变电容，从而在偏置下产生可检测的电信号。CMUT一个关键特征是存在“吸合电压”（Pull-in Voltage），超过此电压薄膜会塌陷到基底上，形成塌陷模式操作，虽然会引入非线性，但能获得更高的输出压力和耦合效率。两者都依赖于微机械加工的薄膜和空腔结构来实现特定频率的共振。总结来说，PMUT驱动电压相对较低，但材料选择和工艺对性能影响大；CMUT则具有更宽带宽的潜力，但通常需要较高的直流偏置电压，且其性能与偏置电压和操作模式密切相关。
PMUT与CMUT的制造工艺与材料 制造工艺是决定MUT性能、成本及与CMOS集成能力的关键环节。综述对此进行了详细梳理。对于PMUT，压电材料主要分为含铅（如PZT）和无铅（如AlN）两大类。PZT具有高压电常数，是高性能PMUT的首选，常通过溶胶-凝胶法沉积，但涉及高温工艺和铅处理问题。AlN则具有出色的CMOS兼容性和较低的工艺温度，尽管压电常数较低，但通过掺钪（ScAlN）等手段可显著提升其性能。空腔的形成工艺主要有正面蚀刻、背面蚀刻和牺牲层释放三种，各有优劣。论文还特别介绍了柔性PMUT、用于扩展带宽的双频/多频PMUT阵列等创新结构的设计与制造。对于CMUT，其主流制造工艺分为牺牲层释放法和晶圆键合法。牺牲层释放法基于表面微加工技术，通过蚀刻牺牲层形成空腔，工艺相对简单，但与CMOS后集成兼容性好，缺点是膜内应力和空腔高度控制存在挑战。晶圆键合法则将薄膜和空腔分别在两个晶圆上制作后键合，能实现对膜厚和空腔高度的精确、独立控制，从而获得更优、更一致的性能，但键合步骤本身对表面质量要求极高，且传统高温键合不利于CMOS集成。文中也提及了低温键合技术和基于聚合物的柔性CMUT制造等新兴方向。此外，通过设计不同尺寸的膜元交织排列或利用偏置电压调谐共振频率，可以实现CMUT的多频操作。
PMUT和CMUT在生物医学成像领域的应用 超声成像是生物医学超声最传统和主要的应用领域。本文指出，在这一领域，CMUT近年来获得了更多关注。这主要得益于其更宽的带宽（有助于提升成像分辨率）、易于制造高密度二维阵列（实现三维成像）、以及与专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit， ASIC）通过倒装焊等技术实现单片集成的能力，这能极大减少寄生效应，推动系统小型化。综述列举了多种旨在提升CMUT成像性能的创新设计，如增加中间柔性膜以提升位移和输出功率的非均匀膜结构、采用行-列寻址方案以减少大型阵列互连数量等。具体应用案例包括用于血管内超声（Intravascular Ultrasound， IVUS）和心腔内超声（Intracardiac Echocardiography， ICE）的固态相控阵CMUT导管。这些应用面临微型化、集成化和减少连接线的巨大挑战，CMUT因其更好的微型化潜力而更受青睐。尽管PMUT在成像领域并非主流，但论文也介绍了一些有前景的工作，例如用于便携式/可植入成像的微型化AlN PMUT二维阵列、用于乳腺监测的多视角旋转PMUT线性阵列等，这些研究展示了PMUT在特定场景下的应用价值。
PMUT和CMUT在光声成像与超声治疗中的应用 在光声成像（Photoacoustic Imaging， PAI）这一结合了光学对比度和超声深度的新兴模态中，CMUT和PMUT都得到了广泛研究。CMUT因其更宽的带宽和更灵活的设计（如实现透明换能器以优化光路）而被认为更具优势，特别是在需要宽频带检测以同时获取高分辨率和深部信息的应用中。然而，基于成熟压电技术的PMUT也在不断改进，相关研究展示了采用双频或多频PMUT阵列以获得更全面图像质量的成果。在超声治疗方面，论文涵盖了神经调控（低强度聚焦超声， Low-Intensity Focused Ultrasound， LIFU）和热消融（高强度聚焦超声， High-Intensity Focused Ultrasound， HIFU）两大方向。MUT技术，特别是CMUT，在此领域的优势在于其易于与CMOS集成实现微型化相控阵，从而精确控制焦点形态和位置，并且其材料与磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging， MRI）兼容，便于图像引导治疗。综述列举了多个案例，包括用于导管内HIFU的CMUT环形阵列、与ASIC集成的二维CMUT神经刺激阵列，以及能够弯曲包裹在神经周围的柔性CMUT阵列，用于实现高空间选择性的外周神经调控。这些案例凸显了MUT在开发新型、精准、可植入治疗设备方面的潜力。
PMUT和CMUT在可植入设备及其他医疗应用中的角色 除了直接的成像和治疗，MUT在可植入医疗设备的无线供电和通信方面也展现出独特价值。与射频（Radio Frequency， RF）能量相比，超声波在组织中的衰减更小，允许的安全功率限值更高，且能更精确地聚焦，适合为深部植入体供电。CMUT和AlN PMUT因其良好的CMOS集成性而备受关注。文中讨论了通过电荷陷阱层为CMUT构建内置偏置以消除外部高压需求的技术，以及用于术后动脉瘤监测的超声供电植入式传感器等具体应用。挑战在于需要开发高效的束追踪算法，以应对植入体随身体移动的问题。在其他医疗应用方面，PMUT因其无需高偏压、尺寸小、能耗低等特点，在可穿戴连续监测设备中显示出巨大潜力，例如用于肌肉活动监测、心肺声学信号采集、可穿戴多普勒血流计以及肠鸣音监测等。此外，MUT还可用于吸入治疗中的振动筛雾化器、腹腔镜超声以及用于评估肝纤维化的振动控制瞬态弹性成像等。
总结与未来展望 本文的结论部分对PMUT和CMUT进行了系统性比较，并指出了当前生物医学领域的偏好及未来发展方向。总体而言，CMUT凭借其更宽的带宽、更高的分辨率、更简便的制造工艺（尤其对于大型阵列）、与ASIC的易集成性以及在高频操作的有效性，在当前提供了更广泛的应用可能性，特别是在高端成像和治疗领域。然而，PMUT也拥有其不可替代的优势：最主要的是其通常不需要高直流偏置电压，这使得它们非常适合由电池供电的可穿戴和植入式传感器应用；此外，PMUT对寄生效应相对不敏感。PMUT的主要限制在于带宽和分辨率，但论文指出，通过制造和设计工艺的进步（如新型压电材料、创新膜结构设计），这些限制有望被突破。未来，两种技术可能会根据具体应用场景的需求（如对电压、带宽、集成度或成本的不同要求）而各自发展，共同推动下一代生物医学超声设备的创新。这篇综述的价值在于它为读者提供了一个全面、深入且最新的技术全景图，梳理了从基本原理到最前沿应用的研究脉络，并对两种关键技术的优劣和适用场景进行了清晰的辨析，对从事生物医学工程、微机电系统（Micro-Electromechanical Systems， MEMS）和超声技术研究的学者和工程师具有重要的参考价值。