"怀长期主义，聊医工科技"
不错过医工超人文章三部曲：1. 关注公众号 2. 经常点击“在看” 3. 点击公众号右上方设置“星标” 每篇文章都会按时推送不错过
| 今天的文章中，超哥为大家介绍基于电容式微加工超声换能器（CMUT）的高灵敏度相控阵探头为超声成像和无损检测提供了新的解决方案。相比传统的压电换能器，CMUT具有更高的接收灵敏度、更宽的带宽，特别是在接收模式下表现突出。Fraunhofer IPMS开发的CMUT探头集成了前置放大器和偏压电路，能够直接与商用超声设备兼容应用。实验表明，CMUT在相同条件下的信噪比比压电探头高出约15dB，展示了其在高灵敏度成像中的优势。CMUT在医学超声诊断和无损检测中的前景广阔，尤其适用于透射和TOFD技术。未来，CMUT将通过增强发射功率和扩展频率范围进一步提升性能，并通过集成技术实现更高的应用灵活性和材料适应性。 |
超灵敏透明换能器TUT：用于活体内超声和光声成像应用的新型超声换能器
创新应用 | 腔内微型Histotripsy组织损毁换能器设计与应用
技术入门 | 治疗超声关键技术剖析：换能器Transducer与疗效监测Monitoring
“透气又灵活”的纺织物超声探头TBSC Probe - 新型柔性超声换能器实现无感监测
CMUT（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，电容式微加工超声换能器）是一种基于微机电系统（MEMS）技术制造的超声换能器，与传统的压电超声换能器相比，具有独特的工作原理和显著优势。
CMUT的工作原理：CMUT的基本单元结构类似于一个电容器，主要由一层薄膜和电极组成。当用于发射超声波时，薄膜在电场作用下振动，产生声波；在接收模式下，声波引起薄膜的振动，进而改变电容，从而将声信号转换为电信号。CMUT的薄膜可以由空气或真空隔离层支撑，具有灵活的设计与高频率操作能力。
CMUT的优点：
高灵敏度和宽带宽：CMUT在接收模式下表现出比压电换能器更高的灵敏度，同时在宽频范围内工作，能够获得更清晰的成像结果。
与空气或水的自然匹配：由于CMUT的材料特性和结构设计，它能够很好地与空气或水类介质匹配，使其在医学成像（特别是水介质中）和无损检测中具有明显优势。
小型化和集成性：CMUT使用基于硅的微加工技术制造，允许与CMOS电路集成，易于制作小型、复杂的阵列结构，并能够实现高集成度和批量生产。
环保性：CMUT无需使用有害物质进行制造，符合RoHS环保指令，适用于现代电子器件的制造标准。
CMUT的应用领域：
医学超声诊断：CMUT技术能够提升成像灵敏度，广泛应用于超声成像，尤其是在需要高分辨率的诊断领域，如心血管成像和腹部超声。
无损检测（NDT）：CMUT的高灵敏度和宽频率响应，使其在工业无损检测中成为压电换能器的替代方案，尤其适用于检测复杂结构和材料。
电容式微加工超声换能器（CMUT）因其物理特性，相较于传统的压电换能器，在接收方面具有更高的灵敏度和更宽的带宽。随着技术的发展，CMUT逐渐被应用于超声相控阵技术，并在医学诊断和无损检测（NDT）领域展现了巨大的潜力。Fraunhofer IPMS的研究团队开发了基于CMUT的相控阵探头，具有集成前置放大器和偏压电路的优势，可作为压电相控阵探头的替代方案。
CMUT的原理与特性
CMUT的工作原理类似于电容麦克风在接收模式下的表现和静电扬声器在发射模式下的作用。CMUT单元通常由空气或真空作为介电介质，由多个小尺寸的电容单元组成，可以任意排列成阵列结构，适用于多种平面形状和尺寸。与压电换能器相比，CMUT在接收灵敏度、自然匹配性（与空气和水的声学特性匹配）及宽带宽方面有显著优势。
Fraunhofer IPMS的CMUT阵列芯片，右上角：放大的圆形CMUT单元
CMUT在超声成像中的应用
Fraunhofer IPMS开发的CMUT相控阵探头不仅能集成到标准的USB-A接口上，还可直接应用于现有的超声设备。探头内部集成多达64个前置放大器，每个元件都有独立的前置放大电路，能够提高信噪比。研究团队通过水下透射实验，比较了CMUT相控阵和传统压电相控阵在水下超声成像中的表现。实验结果表明，CMUT探头在相同的活跃区域下具有显著更高的信噪比（SNR），这表明CMUT探头在接收信号时表现出更高的灵敏度。
集成前置放大器电子元件的CMUT阵列应用于医学人体模型
CMUT相较于压电探头的优势
在CMUT与压电探头的对比实验中，CMUT展现了良好的频率范围匹配，同时通过水中回波实验进一步验证了其信号接收能力。与传统压电探头相比，CMUT的信噪比提升了将近15dB，突显出其在高灵敏度成像中的显著优势。
CMUT在医学和无损检测中的前景
CMUT不仅在医学超声诊断中展现了广阔的应用前景，也在无损检测领域具备独特的优势。尤其在双探头技术（如透射、TOFD技术）中，CMUT因其高接收灵敏度成为最佳的接收探头。此外，研究团队正在进一步提升CMUT的发射功率，并扩展其频率范围，以适应更多材料和应用场景。未来，Fraunhofer IPMS计划将CMUT结构和前置放大器集成到单片硅芯片中，实现更高的集成度和应用灵活性。
用于比较CMUT和压电换能器在浸没条件下表现的测量装置配置图
结论
CMUT技术已经取得了显著的进展，尤其是在超声成像和无损检测中表现突出。其高灵敏度、宽带宽和与水、空气自然匹配的特性使其成为现有压电相控阵探头的有力替代品。未来的发展将进一步扩展CMUT的应用场景，尤其是通过增强其发射功率和材料适应性，使其能够胜任更多的工业和医学检测任务。
参考文献
VOELZ, U., M. KIRCHER, SG KOCH, and M. KRENKEL. "Highly Sensitive Phased Array Probes based on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers."
"怀长期主义，聊医工科技"
我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
*医工超人·招聘求职群：定期发布超声招聘，求职信息
*免责声明*
本公众号注明原创的内容权利属于本服务或本服务权利人所有，未经本服务或本服务权利人授权，任何人不得擅自使用（包括但不限于复制、传播、展示、镜像、上载、下载、转载、摘编等）或许可他人使用上述知识产权的。已经本服务或本服务权利人授权使用作品的，应在授权范围内使用，并注明作者来源。否则，将依法追究其法律责任。
