PMUT技术的主要应用领域都有哪些？体现何种优势？

压电微机械超声换能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，简称PMUT）是一种利用压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或接收超声波信号的MEMS器件。当PMUT用于发射超声波时，它是一个执行器；当用于接收超声波时，它是一个传感器。PMUT的一个特别之处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），这使得它在商业化产品中具有双重功能，例如汽车的超声波倒车雷达。

PMUT的基本结构通常包括顶电极、压电层、底电极、结构层（弹性层）和基底。中间的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。PMUT的工作模态是整个振膜的均匀上下振动，称为B01模态。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。

PMUT的应用领域

PMUT可以应用在指纹识别、飞行时间测距、医学成像等技术领域，广泛应用于消费电子、智能家居、智能汽车、无人机、医疗设备、工业机器人等行业。例如，在智能汽车方面，PMUT可以用作倒车雷达来进行距离检测，满足智能驾驶安全要求。

PMUT的发展趋势

随着压电材料与MEMS技术的不断进步，PMUT的潜力正在被进一步发掘，尤其是材料的均匀性带来了器件性能的极高一致性。PMUT的设计和制造工艺正在向着更低成本、更高集成度和更广泛的应用领域发展。

PMUT在指纹识别系统中的优势

压电微机械超声换能器（PMUT）在指纹识别系统中展现出显著的优势，使其成为先进指纹识别技术的首选方案之一。下面将从多个角度详细解析PMUT在指纹识别领域的优越性，并辅以具体数据和实例进行说明。

小尺寸与高集成度

PMUT的一个核心优势在于其微小的尺寸和高集成度。由于采用了MEMS（微机电系统）技术，PMUT能够在微小的结构中实现高效的超声波发射和接收功能。例如，高通公司发布的第二代超声波屏下指纹识别传感器就利用了PMUT技术，通过更大的阵列面积和更快的处理速度，将指纹解锁速度提高了50%，并且支持同时读取两个指纹。这种高密度集成的PMUT阵列允许在有限空间内布置更多的传感单元，从而提高指纹识别的分辨率和准确性。

低功耗与低成本

与传统的块体压电陶瓷超声换能器相比，PMUT具有更低的功耗和成本。传统的压电陶瓷换能器需要高精度机械切割，制造成本高昂且难以大规模生产。而PMUT采用MEMS制造工艺，类似于半导体芯片的大规模生产方式，极大地降低了单位成本并提高了生产效率。此外，低功耗特性使得PMUT更适合应用于移动设备和便携式电子产品中，延长电池使用寿命，提高用户体验。

 高灵敏度与强穿透能力

PMUT在设计上可以实现较高的灵敏度和强穿透能力，这是其在指纹识别中尤为重要的优势。高灵敏度意味着PMUT能够更准确地捕捉到细微的超声波信号反射，从而提高指纹图像的质量。例如，一项研究表明，特定设计的PMUT在水和FC-70液体环境中分别达到了388 Pa和360 Pa的峰值压力，在3.1 MHz和2.4 MHz的共振频率下，传输灵敏度分别为6.9 kPa/V和3.2 kPa/V。这种高灵敏度有助于在复杂的环境下（如湿手指或脏手指）依然能够准确识别指纹。
强穿透能力使得PMUT能够获取表皮乃至真皮层的指纹信息，提供3D指纹图像，大大增强了识别的安全性和防伪能力。与仅依赖表层指纹信息的传统电容式或光学传感器相比，PMUT的超声波技术能够穿透皮肤表层，获取更为丰富和深层次的信息，从而显著提高识别的可靠性和准确性。

容易与CMOS工艺兼容

PMUT的另一个显著优势在于其与CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺的高度兼容性。这意味着PMUT可以直接与现有的集成电路技术结合，实现高度一体化的系统设计。通过单片集成，PMUT不仅可以大幅减少系统的复杂性和体积，还可以提高系统的稳定性和可靠性。例如，某些设计实现了PMUT与CMOS电路的单片集成，提供了高达30 V/MPa的接收灵敏度，这在已知报道中处于领先水平。这种集成能力使得PMUT在实际应用中更容易实现大规模生产和商业化推广。

 宽带宽与高分辨率

PMUT的设计可以实现较宽的工作带宽，这对于提高指纹识别的速度和准确性至关重要。宽带宽意味着PMUT可以在更宽的频率范围内有效地工作，从而提高系统的响应速度和成像质量。具体来说，PIN-PMN-PT单晶基微尺寸超声传感器实现了77.01%的宽带宽和高灵敏度（-42.55 dB），以及优秀的空间分辨率（横向：112.48 μm，轴向：45.06 μm）。这种宽带宽和高分辨率的组合使得PMUT在指纹识别中能够快速、精准地获取高质量的指纹图像。

适用多种环境条件

PMUT的超声波技术使其在多种环境条件下都能保持良好的识别性能。无论是干燥、潮湿还是油污环境，PMUT都能够有效穿透并获取指纹信息。这一点对于实际应用尤为重要，因为在现实生活中，用户的指纹可能会因为各种原因变得不那么理想（如手指湿润或脏污）。PMUT的这一特性确保了在不同使用场景下的可靠性和一致性。

PMUT相比传统超声波传感器的优势

PMUT（压电微米机械超声换能器）相比传统超声波传感器，具有以下几个显著优势：

无直流偏置电压工作：PMUT能够在无直流偏置电压的情况下工作，这使得它们特别适合于电压和功率受限的应用，如可穿戴设备和植入式设备。

改进的灵敏度和性能：通过对压电层进行图案化，可以降低薄膜蚀刻区域的刚度，提高位移灵敏度，并改善PMUT的发射和接收性能。

材料选择多样性：PMUT可以使用多种压电材料，如锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN）。PZT PMUT具有良好的发射性能，而AlN PMUT则具有较好的接收性能和与CMOS工艺的兼容性。

集成Helmholtz谐振腔的声压增强型PMUT：集成Helmholtz谐振腔的声压增强型PMUT可以提高轴上声压，最远测距可达2.62米，相比传统结构的PMUT提升了27%。

体积小、功耗低：MEMS超声波换能器芯片PMUT的体积仅为传统压电陶瓷超声波传感器的1/4，功耗也大幅降低。

适用性广：PMUT不仅可以用于医疗应用，还可以用于ToF（Time of Flight）测距、高精度超声成像、指纹识别等多个领域。

这些优势使得PMUT在现代传感器技术中具有广阔的应用前景，尤其是在那些对体积、功耗和灵敏度要求极高的应用场景中。

PMUT在医疗设备领域的优势

压电式微机械超声换能器（PMUT）在医疗设备领域展现出了显著的优势，特别是在医学超声成像应用中。下面将详细解析PMUT的技术特点及其相对于传统换能器的优势，并结合最新的研究成果进行深入探讨。

1、批量生产和成本效益

批量生产能力：PMUT采用半导体微纳工艺制造，这意味着它们可以通过类似于集成电路的生产工艺进行批量生产。这种生产方式不仅提高了产量，还大大提升了良品率，从而使得大规模生产成为可能。与传统手工制作的压电陶瓷换能器相比，PMUT的制造过程更加高效且可控，这直接降低了每个器件的成本，使其更具经济效益。

成本低廉：由于批量生产的特性，PMUT的单位成本远低于传统换能器。低成本不仅使得高端医疗设备更为普及，还开拓了消费级市场的可能性，例如家用健康监测设备。

2、设计灵活性和兼容性

设计多样性:PMUT的设计极为灵活，可以根据不同的应用需求定制。无论是形状、大小还是工作频率，都可以轻松调整以适应特定的医疗场景。这种灵活性使得PMUT能够在多种医疗应用中发挥出色表现，包括介入式、手持式和穿戴式设备。
与ASIC电路无缝衔接:PMUT可以与专用集成电路（ASIC）无缝衔接，这对于开发小型化和二维阵列换能器尤为重要。这种集成能力使得PMUT非常适合现代医学中超声内血管成像（IVUS）、心腔内超声（ICE）以及三维成像的需求。

3. 驱动特性和能耗

低驱动电压和高灵敏度:PMUT所需的驱动电压较低，通常只需几伏特，同时保持高灵敏度。这使得PMUT特别适合便携式和电池供电的设备，因为它们不需要复杂的高压电源系统。低能耗也意味着更少的发热，提高了设备的安全性和可靠性。
线性驱动响应:PMUT表现出良好的线性驱动响应，这意味着输出与输入电压之间存在线性关系。这种特性简化了信号处理算法，提高了系统的整体稳定性和准确性。

4. 性能优化

宽带和高声压同步提升:尽管PMUT早期面临发射声压低和带宽窄的问题，最近的研究已经取得了重大进展。例如，天津大学庞慰教授团队提出的一种新型设计方案，通过调节PMUT单元的边界束缚和振膜纵向结构，在维持超声中心频率不变的情况下，大幅提升了PMUT的有效振动面积和声压，同时拓宽了带宽。这种改进使得PMUT能够实现高质量的大深度超声成像。
具体案例分析:在一项实验中，通过合理设计PMUT振膜开口和质量块，实现了在全部关注频率范围内，位移响应数值提高近两倍，脉冲回波带宽从原始的17%增加到近90%，大幅提升了图像质量和诊断准确性。

PMUT凭借其批量生产的能力、设计灵活性、低驱动电压、高灵敏度以及出色的性能优化，在各个领域展现了巨大的潜力和优势。这些特点共同推动了PMUT在各行各业中的广泛应用和深入研究。