综述：CMUT在医学成像领域的研究进展与挑战
2026-11-01 08:18:43   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超声技术凭借无创、无电离辐射、实时成像和软组织对比度高等优势，已广泛应用于疾病诊断、治疗和神经调控等领域。超声换能器是超声系统的核心器件，用于实现声能与电能的相互转换。近年来，基于微机电系统（MEMS）技术的微机械超声换能器（MUT）不断发展，其中电容式微机械超声换能器（CMUT）凭借宽带宽、高频性能、微型化及集成优势，成为医学超声和光声成像领域的重要研究方向。

据麦姆斯咨询报道，近期，内江师范学院、西北民族大学的研究团队在Micromachines期刊上发表了题为“Advances and Challenges of Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers in Medical Imaging”的综述文章，系统梳理了CMUT的工作原理与制造工艺，重点分析了其在医学超声和光声成像领域的研究进展，以及输出声压较低、介质充电效应和高偏置电压需求三项主要挑战，并探讨了潜在的综合解决方案，旨在提升CMUT性能并推动其临床应用。

CMUT工作原理与制造工艺

常规CMUT的基本单元由可动振膜、固定底电极及二者之间的真空腔构成，可看作一个间隙可变的微型平行板电容器。在上下电极之间施加直流偏置电压后，振膜在静电力作用下产生挠曲；发射时，在偏置上叠加交流信号驱动振膜振动，产生超声波；接收时，入射声波引起电容变化，再经读出电路转化为电信号。振膜的材料、厚度和尺寸，是决定CMUT性能的关键参数。

图1 CMUT的发射与接收工作原理

CMUT的制造工艺主要分为表面微加工和晶圆键合两类。表面微加工依次沉积绝缘层、牺牲层和振膜，经刻蚀释放后密封真空腔，成本相对较低，也易于与CMOS制造工艺兼容；但受振膜应力、间隙控制精度，以及释放孔占用有效面积等因素制约。晶圆键合则在不同晶圆上分别加工空腔和振膜，再将二者键合，可独立控制几何尺寸、省去牺牲层释放步骤，振膜厚度和腔体间隙的均匀性更好，阵列填充率和真空密封可靠性更高，适合高性能成像器件；缺点是对设备、材料和工艺控制的要求更高，成本也相应增加。

图2 CMUT表面微加工工艺流程

图3 CMUT晶圆键合工艺流程

CMUT在医学超声成像领域的应用

血管内超声（IVUS）是评估冠状动脉最常用的介入成像技术。CMUT兼具宽带、高频和小型化特点，有助于实现微型化血管内探头和高分辨率血管壁成像，也适用于超声心动图和血流成像。例如，已有研究人员提出CMUT相控阵、双环阵列等方案，可用于实时血管内超声及心腔内超声心动图（ICE）成像。

图4 基于CMUT-on-CMOS双环阵列的器件、实验装置及超声成像结果

在常规医学超声成像领域，CMUT已实现商业化应用。例如，日立医疗（Hitachi Medical）推出采用第四代CMUT技术的SML44探头，可支持组织谐波成像、彩色多普勒血流成像和组织弹性成像。Butterfly Network推出手持式超声影像系统Butterfly iQ系列，便携且一机多用，可用于心血管、肺部、腹部盆腔及神经肌肉骨骼等检查。珂纳医疗（Kolo Medical）推出基于CMUT的线阵和矩阵探头，可用于浅表成像。

图5 Butterfly iQ手持式超声影像系统获取的肺部通气异常图像

CMUT在光声成像领域的应用

光声成像基于光声效应，是一种快速发展的无创生物医学成像技术，可呈现生物组织内部的结构信息，兼具光学成像的高对比度和超声成像的深穿透能力。CMUT具有较宽的频率带宽、灵活的阵列设计和较大的接收角度，在光声计算机断层成像（PACT）和光声显微成像（PAM）中具有应用优势。此外，CMUT还可通过多频设计和透明化结构进一步拓展其在生物医学光声成像中的应用潜力。

图6 光声成像原理

光声/超声双模态成像是一种新兴的生物医学成像技术，结合了光声成像的高对比度，以及超声成像的高分辨率和深穿透能力，可提供组织在功能、结构和血管尺寸方面的全面信息。光声成像将光能转换为超声信号，既突破了纯光学方法的深度限制，又弥补了常规超声在软组织中对比度不足的问题，两种模态优势互补。

图7 可同时获取乳腺光声/超声双模态成像的光声乳腺X线成像系统

CMUT用于医学成像的关键挑战

尽管CMUT在带宽、CMOS工艺兼容和设计灵活性方面优势显著，但其更广泛的临床应用仍面临输出声压偏低、介质充电效应和高直流偏置电压需求三项主要挑战。三者不仅影响成像深度、信噪比、长期稳定性和安全性，在结构优化过程中还会彼此牵制。

（1）输出声压偏低

输出声压较低是CMUT的主要缺点之一，会限制超声穿透深度和回波信噪比，尤其不利于深部组织成像。为提高输出声压，研究人员提出了塌陷模式运行、非均匀振膜设计和双电极结构等改进方案，以提高输出声压，并在部分方案中改善接收灵敏度。在此基础上，研究进一步拓展至T形腔体、双层CMUT结构，以及塌陷模式与非均匀振膜相结合等方案，以改善器件的发射与接收性能。不过，这些改进仍需综合考虑接收灵敏度、结构复杂度和制造可行性等因素。

图8 CMUT不同工作模式示意图

（2）介质充电效应

在静电驱动的MEMS器件中，介质充电效应是一个普遍问题：高电场会将电荷驱入绝缘介质，可能引起电容-电压迟滞、工作点随时间漂移，并降低可靠性。为降低CMUT的充电效应，可以从材料、结构、制造工艺和驱动方式等多个方面进行优化，以有效减少或缓解电荷积累。

（3）高直流偏置电压

与压电换能器不同，CMUT工作时通常需要数十至数百伏的直流偏置电压。但高偏置会增加便携、介入和植入式系统的电路与安全负担，为此可采用降低吸合电压的结构设计、驱动优化和预充电等方案降低外部偏置需求，同时需兼顾充电效应、输出声压和系统复杂度。

研究结论与未来展望

综上所述，输出声压较低、介质充电效应和高偏置电压需求这三项挑战并非彼此孤立，而是紧密关联。因此，需要采用综合性解决方案。将预充电塌陷模式与特殊腔体、非均匀振膜等结构优化相结合，有望在降低外部偏置电压需求、缓解介质充电问题的同时，进一步改善输出声压、接收灵敏度和带宽。不过，该综合方案也会增加器件设计和制造复杂度，其制造一致性、良率和成本仍需进一步评估。

展望未来，预充电塌陷模式CMUT仍需进一步提升注入电荷的长期稳定性，以及振膜的机械强度和形变稳定性。同时，高输出声压、无需外部直流偏置的CMUT有望与低压CMOS电路集成，降低寄生电容和系统功耗，实现片上信号处理与器件小型化，并适用于血管内超声及导管式超声/光声双模态成像等介入应用。如果上述性能和可靠性问题得到有效解决，CMUT有望进一步拓展至植入式超声监测、内窥镜光声成像及可穿戴超声等领域，推动下一代无铅高性能超声换能器的临床转化与商业化应用。

论文信息：DOI: 10.3390/MI17040486

延伸阅读：

《掌上超声成像系统iQ3中CMUT传感器产品分析》

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》