电容式微机械超声换能器(CMUT),是基于电容式传感原理与微机械(MEMS)技术制造而成的进行超声波检测的一种装置。
CMUT是一种多层结构,组成结构中包括基底、振动薄膜、电容器等。CMUT的工作原理是,发射状态下,施加直流电压产生电场,使振动薄膜发生简谐振动产生超声波;接收状态下,振动薄膜接收超声波,受声压作用产生振动,引起电容器电容值发生改变,通过检测电容值变化情况实现超声波检测,并将声能转换为电信号进行输出。
超声换能器的功能是将电能与声能相互转化。传统超声换能器利用压电陶瓷制造而成,存在一致性较低、难以形成阵列等问题。根据新思界产业研究中心发布的《2024-2029年中国电容式微机械超声换能器(CMUT)行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示,CMUT是一种新型超声换能器,具有频带宽、能量转换效率高、接收灵敏度高、探测精度高、易于形成阵列(可制造高密度、小尺寸阵列)、可与CMOS集成、可实现微型化、大批量生产成本低等特点,在国际上获得了广泛研究。
超声诊断是医学成像技术的重要组成部分,具有无创、结果直观、适用范围广、成本低等优点,市场普及率高。随着医疗技术不断进步,精准医疗成为发展趋势,医学成像高清晰度要求日益攀升,在此背景下,基于CMUT的超声成像探头,凭借可实现阵列化、可与电子产品集成、灵敏度高等优点,能够替代传统超声探头,在医学成像领域发展空间巨大。
另外,基于CMUT还可实现高强度聚焦超声(HIFU),可以用于肿瘤治疗领域,利用高强度超声产生的热量使肿瘤组织坏死。除医学领域外,CMUT还可以应用在生物传感、生物识别、化学传感、水下超声等方面,广泛应用于电子电器、仪器仪表、工业无损检测、军工国防等领域。
新思界行业分析人士表示,我国政府对CMUT的重视程度正在不断提高。2023年度国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项中提出,开发电容式微机械超声波换能阵列,突破MEMS超声换能器芯片、超声换能器线性阵列、全硅振膜高精度低应力加工等关键技术。
我国CMUT相关研究成果正在不断增多,发表的CMUT相关期刊文献数量快速增加,主要研究机构是中北大学、天津大学。2023年,中北大学与中国工程物理研究院电子工程研究所合作,设计了一款宽频带CMUT,可用于主动探测与其自身相距20cm以上的物体,相关研究成果发表在《微纳电子技术》期刊上。
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