摘要：Joshi, S.V., Sadeghpour, S., Kuznetsova, N.et al.Flexible micromachined ultrasound transducers (MUTs) for biomedical applications.

Joshi, S.V., Sadeghpour, S., Kuznetsova, N. et al.Flexible micromachined ultrasound transducers (MUTs) for biomedical applications.Microsyst Nanoeng11, 9 (2025). https://doi.org/10.1038/s41378-024-00783-5

医学成像中，体压电换能器阵列技术成熟，基于厚度模式压电振动。随着制造技术进步，出现了微机械替代品：压电微机械超声换能器（PMUT）和电容微机械超声换能器（CMUT），分别以压电薄膜和静电力弯曲模式运行。柔性超声换能器的开发为生物医学成像、传感和刺激带来新可能。本文综述了柔性微机械超声换能器（MUT）的需求、应用、规格、材料、制造和电子集成，比较了柔性PMUT和CMUT的性能规格。医疗保健和生物医学设备市场正转向持续监测，柔性传感器技术因其与皮肤或组织的保形接触而提升诊断质量，减少操作员可变性，并提供用户友好解决方案。个性化医疗的发展推动智能贴片普及，用于远程监测糖尿病和心脏病患者。这些设备由弹性体、塑料和水凝胶等柔性材料制成，具有可穿戴、保形、轻、薄等优点。研究和开发迅速发展，涉及概念、材料设计挑战和应用。

超声波技术在无损检测、结构监测、清洁处理、水下通信和生物医学等领域广泛应用，尤其适合低功耗消费应用。在医疗保健中，基于刚性探头的成像技术对诊断和预防疾病效果显著，但限制了移动监测和生物医学传感。柔性超声技术因其保形接触和紧凑设计，在连续成像、心脏评估、组织弹性成像等方面具有优势，还能实现机械聚焦，无需额外能量，并可用于神经调节、骨损伤治疗等。柔性换能器也适用于血管内和经尿道超声检查。超声换能器通过压电效应、静电致动、磁致伸缩和光声效应产生超声波。传统制造方法限制了其性能，如机械切割导致的间距问题，降低功耗和减小尺寸困难重重，设计灵活性有限。传统材料多为铅基，对环境有害。微加工技术对超声器件（MUT）制造至关重要，提升性能。MUT分为压电微机械超声换能器（PMUT）和电容式MUT（CMUT）。PMUT通过压电薄膜弯曲驱动，而CMUT基于静电原理，包含气隙电容器。压电换能器机电耦合系数较低，限制能量转换；CMUT则可实现超高带宽。柔性MUT基于微机械加工和MEMS技术制造，如在聚酰亚胺基板上组装有源压电体制造灵活PMUT。本文将研究更灵活的PMUT和CMUT的制造工艺、规格和应用。

从技术和设计制造方面到规格和目标应用

柔性超声在生物医学成像中具有潜力。超声成像依赖于超声波的反射和回波测量。优化换能器时需考虑：(1) 高带宽以减少脉冲持续时间，提高分辨率；(2)提高工作频率以缩短脉冲持续时间；(3)信噪比随传播距离增加而下降。换能器可安装在皮肤上或体内，但刚性换能器难以与非平面表面接触，导致成像伪影。柔性超声换能器通过保形接触解决此问题，如黄等人设计的4 MHz CMUT用于腹部成像。Omidvar等人开发的CMUT适用于肌肉骨骼成像，乔希等人报道的4 MHz PMUT贴片用于膝关节肌腱应变估计。这些柔性传感器作为保形贴片，提供无障碍连续监测的解决方案，实现实时数据采集和无线信息传输。大面积可穿戴超声换能器可减少对手动扫描的需求。

为了对难以成像的体内部位进行成像，可利用导管将换能器送入体内，如血管内超声成像（IVUS）。IVUS使用柔性换能器覆盖的导管，可放入动脉中，具有极小弯曲半径（约1毫米），能检测活体血管内壁和动脉粥样硬化斑块。柔性换能器相较于刚性探头，能以更大角度覆盖范围传输和检测信号，圆柱形传感器提供360°视图。庄等人展示了亚毫米弯曲半径的保形CMUT阵列，用于增强IVUS系统。Caronti等人研究了10.7 MHz柔性CMUT的脉冲回波特性，适用于高灵活性和曲率的凸面腔内探头。

柔性超声换能器可变曲率和焦距，降低电子聚焦功率，适用于触觉和非接触刺激。触觉技术通过超声波压力场创建虚拟压力物体，刺激纳米感受器。IMEC展示了与显示器兼容的大面积PMUT。结合触觉技术和手势识别可能影响远程手术。柔性换能器的机械聚焦超声波可用于神经调节，治疗运动障碍如帕金森病。柔性PMUT显示出适合神经调节的声压潜力。超声换能器性能依赖于其谐振特性，如频率、带宽和灵敏度。这些通过实验确定，例如水下脉冲回波实验用于组织成像。回波信号揭示谐振频率和带宽，组合灵敏度反映信号衰减对信噪比的影响。发射和接收灵敏度可通过LDV、空中麦克风或水下听音器测量，或用校准传感器测量接收灵敏度。电阻抗是关键规格，指示谐振频率并计算耦合系数，影响机电能量转换效率及电子仪器阻抗匹配。

性能指标受几何形状和材料影响，导致复杂的优化问题。换能器阻抗受电容影响，PMUT电容取决于薄膜厚度和介电常数，CMUT则取决于间隙。横向尺寸和阵列设计也影响阻抗。层尺寸、材料特性和节距（元件间距离）影响共振频率和声压，节距还需满足半波长条件以避免旁瓣。填充因子由节距和有效换能器面积定义，影响声压。灵活性是传感器设计的另一关键方面，需满足特定弯曲半径范围，取决于材料和组件。

MUT结构如图2d，包含膜、空腔和基材。基材厚度影响设备柔性，而活性和结构材料多为薄膜。根据基材和元件组装方式，MUT可分为柔性、超刚性和混合平台。图2e展示了柔性传感器设计，如基于PDMS或PET的可拉伸或可弯曲传感器，主要由低模量材料构成以保持局部柔性，高模量材料厚度有限以维持整体柔性。但这些设计存在谐振频率受限和材料阻尼高导致灵敏度降低的问题。硅MEMS技术表现出良好性能，如萨德普尔等人展示的利用刚性硅弹簧实现柔性超声换能器的方法，称为元刚性方法。该方法允许在硅晶圆上使用标准微加工技术加工完整器件，具有高性能、可靠性、成本效益和CMOS集成潜力，但制造过程复杂限制了填充因子和灵活性。柔性基板有利于电子集成，而刚性硅基板则提供更好的传感器性能指标。

a左侧是保形地附着在人体颈部的柔性超声换能器贴片18的图示，右侧是右侧 Gammex 403GS 体模的超声成像（经许可改编）49。b显示圆柱形超声换能器2的 360 °角覆盖的示意图。c使用柔性超声换能器57进行机械聚焦的概念物镜图。dMUT 示意图，可以是 PMUT 或 CMUT（两者均包含膜、空腔和构成层不同的基板）。柔性基板上的e MUT 3，45。fMUT通过弹簧连接，两者均由刚性基板64制成。g使用柔性基板 2、57 连接刚性MUT。示意图未按比例绘制

柔性基板技术与硅MEMS的权衡可通过混合方法部分解决，该方法制造出部分柔性、部分刚性的器件。在柔性超声技术中，这种方法日益流行，因为它结合了灵活性和高性能。具体来说，混合方法在超声换能器中通过柔性链接连接刚性换能器元件。例如，李等人制造了硅基传感器阵列，并将其粘合到PDMS矩阵上，然后切割阵列以分离每个PMUT元件。这种设计使得刚性硅基板上的换能器具有高声压，而低杨氏模量结构之间的连接则提供了整个阵列的灵活性。尽管如此，低填充因子和电子集成仍存在挑战。在基于柔性基板的方法中，互连和电子集成在设计中相对平坦和连续的形貌下变得更容易实现。

在讨论柔性传感器技术后，将深入分析引言中提及的技术。MUT制造包括在基板上形成薄膜和空腔，如图2d。空腔制造涉及：(1)侧壁材料减材加工，如干法蚀刻、RIE、DRIE或激光加工；(2)牺牲层蚀刻，先图案化牺牲层，再沉积膜和侧壁，最后蚀刻牺牲层形成腔体。柔性MUT制造还包括：(3)膜与侧壁或基板的粘合；(4)从临时载体释放柔性结构。这些步骤可以按顺序或反向执行，并涉及载体晶圆键合和释放。完整的柔性MUT制造工艺通常结合这些步骤，并在最后释放临时载体完成制造。

PMUT（图3a）由压电膜构成，以弯曲模式工作。膜由有源层（电极和压电材料）和无源层组成。激励电压在电极间产生横向应力，导致薄膜位移并产生压力波。共振频率受几何形状和材料影响，但制造过程中的应力也会影响频率，增加制造难度。本文讨论柔性PMUT的制造方法，相关图解见图2-5。

PMUT 38 的示意图。b粘合或层压工艺73．c用于PMUT中的腔体制造的模制，随后接合至柔性基板68。d PMUT 45的自顶向下制造。e SOI PMUT ，然后进行混合或超刚性处理57、64。原理图未按比例绘制

使用牺牲释放和传输过程66实现的PMUT的示意图。b使用激光微加工和 TRT 63实现的 PMUT 示意图。c柔性PMUT，膜通过热处理72弯曲。d使用 DRIE 硅模具和粘合剂粘合在云母基板上的 PMUT 68。e发布了在单个临时载体73上使用自下而上工艺制造的 PMUT 。f–h分别使用自上而下的工艺流程结合牺牲膜释放、DRIE 和机械释放来实现灵活的 PMUT 。ijSOI 晶圆上的混合和超刚性方法

转移到聚酰亚胺基板和释放器件（底部）66 上的柔性 PMUT 膜的光学显微镜图像。bPMUT 组装在各种柔性基板上（左上），图案化银顶部电极的视图（左下），以及缠绕在手腕上的设备（右下）63。c基于聚合物的 PMUT 在 IMEC 采用自下而上的工艺制造。环形阵列的图像（上）、使用光学显微镜观察的零件的放大图像（中）以及正在表征的柔性器件（下）53 , 73d使用自上而下的工艺在弯曲下在聚酰亚胺上发布基于 PZT 的器件（左）和 ACF 连接（右）76。e聚酰亚胺（左）、SU8（中）上完全解决的基于 PZT 的高频柔性 PMUT 器件45、77。f在左侧，RC 寻址使用 FFC 连接到 PCB 的柔性 PMUT。右上角是阵列一部分的光学显微镜图像，底部是在水中弯曲时阵列的特征83。g基于 SOI 的混合 PMUT 阵列的光学显微镜图像和灵活性（底部）57。h基于 SOI 的元刚性 PMUT 阵列被释放并沿立方体弯曲（插图）。

孙等报道了柔性AlN PMUT工艺，包括制造原理图、器件原理图和制造器件图像。底部电极层降低输入阻抗，影响谐振行为和设备灵活性。制造过程涉及在带氧化物牺牲层的临时硅载体上制造PMUT有源层，沉积聚酰亚胺并使用PMMA作为牺牲层，聚酰亚胺用作柔性基板和侧壁材料。通过PDMS印模将膜转移到侧壁结构上，去除牺牲层后对齐膜与侧壁结构，使柔性PMUT一侧附着于硅载体，另一侧附着于PDMS。刘等人引入热释放胶带（TRT）代替刚性载体上的牺牲层，简化转印过程。PMUT制造展示了单面镀银的商用聚偏二氟乙烯（PVDF）片以及涂银顶部电极作为厚PMUT膜。PVDF薄膜用作压电层，具有介电和压电特性、宽带宽、高灵敏度、光学透明性和机械灵活性。顶部Ag图案化使用激光图案化聚酰亚胺胶带（Kapton）作为荫罩。该制造工艺可扩展到使用替代材料如PET。最近的研究揭示了弯曲膜方法，提高性能一倍。多层薄膜放置在铜（Cu）铸模之间，在95°C下热压5分钟2巴压力。刘等人演示了基于柔性透明云母基板的PMUT，避免粘合过程中的对准并通过模制工艺实现。IMEC开发的柔性PMUT平台中，制造完全在单个临时载体上进行。他们在沉积在玻璃基板上的聚酰亚胺顶部涂上环氧树脂，并进行图案化以形成膜的侧壁。最后剥离第一聚酰亚胺箔以实现柔性。

彼得等人引入了倒置的灵活PMUT配置，换能器整体制造在厚聚酰亚胺基板的顶部。刘等人开发了一种转移工艺，可将大面积PZT薄膜从高温生长基板释放到几微米厚的柔性聚酰亚胺基板上。乔希等人报道了一种在聚酰亚胺基板上使用PZT薄膜制造柔性PMUT的方法，“最后衬底”处理允许在低温聚合物处理之前进行高温PZT沉积步骤。他们还添加了一个额外的聚酰亚胺无源层。2D阵列因其提供3D扫描的功能而受到追捧，但高密度二维阵列器件的电气互连设计更具挑战性。Joshi等人报道了基于PZT材料的30×12元件行列寻址PMUT阵列，并介绍了该设备的防水封装。对于柔性器件，不采用引线键合或倒装芯片键合，可以使用ACF或粘合剂将柔性扁平电缆（FFC）连接到设备。超声换能器中的电子器件是另一个广泛的主题。采用绝缘体上硅（SOI）制造工艺的混合和超刚性方法由于可以轻松实现具有内置无源硅器件层的薄膜，SOI技术正在成为一种成熟且方便的PMUT制造技术。李等人演示了使用SOI PMUT的灵活PMUT阵列混合方法。Sadehpour等人演示了具有PZT薄膜和硅弹簧结构。

CMUT元件(图6a )具有电容器结构。它由薄金属化悬浮膜组成，位于带有刚性金属化基板的空腔上方。通常，膜包含绝缘层以防止两个电极相互接触。在这些电极上施加直流电压后，膜通过静电力向基板弯曲。然而，膜固有的刚性会产生机械反作用力来抵抗这种吸引力。因此，可以利用交流电压输入通过膜的振荡来产生超声波。然而，邱等人。指出，在实践中，只有在崩溃电压附近的大直流偏置下才能实现高性能，这增加了器件故障的风险71。CMUT 可以在其谐振频率附近以发射模式和接收模式操作，这取决于它们的膜刚度和间隙31。静电 CMUT 技术的优点在于，由于没有特定于材料的限制，薄膜理论上可以将所有能量输入耦合到声域，并且与压电技术相反，压电技术的耦合受到压电材料特性的限制，例如压电系数、刚度和介电常数43 , 59。值得注意的是，CMUT 膜具有无源层和顶部电极，但底部电极附着在基板上，这使得必须使用单独的基板层，这与 PMUT 不同。CMUT 通常使用牺牲层释放或粘合技术制造。这也体现在灵活的 CMUT 技术开发中，如下所述。制造工艺流程示意性地示出在图6中，而图6中示出了制造工艺流程。图 7和图 8分别展示了已报道的柔性 CMUT 的设备原理图和图像。

aCMUT 39、40的示意图。b用于 CMUT 中空腔制造的牺牲层蚀刻3。c自上而下制造具有空腔牺牲层的 CMUT 91。d通过模制具有空腔侧壁62的基板来自上而下地制造CMUT 。e粘合或层压工艺93．fCMUT 采用晶圆键合，然后采用混合方法2。原理图未按比例绘制

全尺寸图像

a–c使用牺牲层蚀刻工艺实现的CMUT示意图3、87、88。d、e具有凹形底部电极62、91的CMUT。f使用辊压层压工艺的 CMUT 93。g–i混合方法2 , 51 , 95。

图 8：已报道的灵活 CMUT 设备概述。牺牲层蚀刻 CMUT。

具有减薄硅49的CMUT。b具有开孔的聚合物膜和释放的“声波纸”CMUT 阵列（底部）的 SEM 图像87。c包裹在弯曲半径为 2.5 mm 的圆柱形管上的基于聚酰亚胺的 CMUT（左）以及弯曲 CMUT 与测试装置的 7 个膜的光学图像，膜直径为 50μm 88。d聚酰亚胺基板上“polyCMUT”的显微镜（左上）和 SEM（左下）图像、从硅晶圆载体上释放的柔性基板（中）以及柔性 PCB 上释放器件的光学图像（右）3。e具有 SiN 结构层的聚酰亚胺上激光释放的 CMUT 以及 SEM 图像90。fSU8 CMUT 采用层压工艺实现 - 左侧为光学显微镜图像，中间显示透明度，右侧显示柔性93。gPDMS上的CMUT，具有液态金属电极和凹腔62。h通过用PDMS 2重新填充穿过晶圆的沟槽来实现柔性硅衬底。i柔性 CMUT 阵列原型通过混合逆向制造工艺实现，围绕半径为 8.5 毫米的圆柱杆弯曲51。j由 2 个键合 SOI 水94制成的行列 CMUT 。kCMUT 器件使用聚酰亚胺标签固定在硅框架中。2 毫米直径导管95尖端的前视和侧视混合 CMUT 。所有图片均已获得许可进行改编

制造弯曲CMUT的方法包括减薄晶圆以增加灵活性，但存在破裂风险。聚合物基CMUT避免了破裂，但击穿电场低。新设计通过封装电极在膜内降低工作电压，提高高频性能。柔性“polyCMUT”使用SU8膜和剥离抗蚀剂作为牺牲层，展示高级特性如脉冲回波和耐用性。另一种改进工艺使用ICP-CVD氮化硅结构层和激光剥离，提出可扩展的电气表征方法以评估良率和均匀性。凹形底部电极方案增加有效电容10倍，提高灵敏度。CMUT制造采用低温工艺，SiN层由硅晶圆提供。自上而下的处理方案使用热回流工艺形成球形轮廓。过镀技术形成凹球形镍底部电极，然后去除光刻胶。PDMS和聚对二甲苯涂层提供柔性基板和真空密封腔体。湿法蚀刻释放柔性CMUT结构，最后图案化顶部电极完成制造。高频应用首选SiN膜和电镀镍基板等硬材料，但SiN的残余应力较高可能导致故障。施等人用PDMS代替SiN膜并遵循粘合方法完成制造。液态金属合金电极实现拉伸性，PDMS层通过O2等离子连接。金等人开发了带有喷涂可拉伸电极的柔性传感器，Ag纳米线嵌入PDMS弹性体表面下方使电极可拉伸。波浪结构避免拉伸操作期间金属线破裂。庞等人展示了一种使用卷层压SU8结构作为膜的透明柔性CMUT的粘合方案。基于聚合物的CMUT包括ITO-PET基板、SU-8侧壁和振动膜以及银纳米线透明电极。CMUT通过低温辊压层压技术制造。在处理柔性器件时，柔性增加了电极和互连设计的复杂性。

庄等人报道了一种柔性CMUT阵列的制造方法，通过在硅衬底中形成聚合物填充的深沟槽。该CMUT采用高导电硅晶圆上的氧化物形成真空腔，并将SOI晶圆熔合到原始硅晶圆上。去除SOI晶圆背面的硅处理层和埋氧化层后，剩余的薄硅器件层作为可移动薄膜和顶部电极。DRIE蚀刻用于深沟槽，然后填充PDMS并从背面减薄晶圆。这种方法的主要限制是硅膜区域与沟槽重叠面积大，导致弯曲后出现裂纹。Chen等人的工作是上述想法的延伸，开发了一种双导电SOI晶圆键合工艺的弯曲行列CMUT阵列。该工艺使用湿法蚀刻工艺减薄晶圆，允许局部曲率半径小至10毫米。薄硅板用PDMS和环氧树脂封装，在SOI晶圆之一生长的氧化物中形成空腔，而DRIE用于蚀刻沟槽以隔离电极。另一种混合曲线CMUT阵列设计将CMUT芯片放置在尽可能靠近中性表面的位置，以减少芯片刚性部件上的应变。这种自上而下的制造工艺方便地允许蚀刻孔和电焊盘位于非辐射侧。该工艺使用氢氧化钾(KOH)蚀刻从低压化学气相沉积(LPCVD)SiN覆盖的硅载体上释放CMUT。LPCVD SiN用作膜材料，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SiN用作结构。空腔是通过蚀刻Cr牺牲层制成的。完成后，晶圆被切割并引线键合到柔性电路上，并使用Eco gel作为背衬材料。柔性到刚性(F2R)平台允许在刚性设备上制造聚合物链接，并承诺为微创医疗器械组装柔性传感器。作为一种基于“聚合物最后”方法的后处理技术，它可以应用于任何预处理的晶圆。在硅晶圆上制造的器件可以转移到聚酰亚胺上，并使用两步背面硅DRIE实现部分柔性化。尽管柔性聚酰亚胺链路可以改善弯曲半径，但这也涉及到薄型基板和相关挑战。

表1和表2概述了PMUT和CMUT，强调了进一步开发的必要性以满足特定应用。表3比较了传统换能器与新兴MUT，指出MUT在设计控制、声学匹配、尺寸和功耗方面的优势，但传统换能器因声压高而更适合成像和传感。为提升MUT竞争力，需提高其声压。

PMUT和CMUT在带宽、灵敏度、信噪比(SNR)和工作电压上有显著差异。CMUT带宽和机电耦合优于PMUT，后者受材料特性限制。材料创新对提升PMUT性能至关重要，需改进制造方法以实现经济高效的生产。压电技术具有高能量密度，与CMUT相比灵敏度高、工作电压低、SNR高。灵活MUT平衡灵活性和性能是挑战，需深入研究薄膜残余应力对特性的影响。混合方法如硅-PDMS基板设备性能优于全灵活方法，但灵活性受限。元刚性方法探索较少，但有高性能潜力。超刚性和混合方法尚未充分发展以集成超声阵列操作所需的互连和电子。二维阵列提供复杂数据，设计互连是挑战，行列寻址、多层结构或3D集成技术可促进发展。MUT的SNR较低，需增强声压并减少串扰以提高SNR。优化传感器电阻抗以匹配电气系统阻抗也可提高SNR。柔性超声换能器设计目标包括宽带宽、高灵敏度、经济高效制造、无缝集成电子设备及用户舒适度。通过优化研究，灵活的PMUT和CMUT有望实现这些目标，尽管存在挑战，创新技术和研究人员推动该领域发展，为未来应用和商业化提供机会。

来源：医学镜界