超聲傳感器利用超聲波在空氣、水等介質中的傳播特性實現物理量的感知，例如通過超聲波飛行時間（ToF）測量距離、通過多普勒原理測量速度、通過超聲波衰減程度判斷材質等，目前廣泛應用于汽車倒車雷達、工業自動化、指紋識別、人體成像等領域。伴隨著超聲傳感技術的不斷發展演進，人體存在檢測、電池包檢測、材質識別、手勢識別、液位測量、流量測量等新式傳感以及汽車智能座艙、汽車ADAS系統、智能儀表、智能門鎖、智慧家電、可穿戴設備、機器人（無人機和掃地機等）等新式使用場景也逐漸進入人們的生活。
全球超聲傳感市場規模分析（來源：Yole）
新興的超聲傳感應用場景（來源：TDK）
超聲傳感器通過核心元件——超聲換能器（也稱超聲探頭）發射和接收超聲波，實現電學信號和超聲信號的相互轉換。傳統的塊體型壓電陶瓷超聲換能器已經統治超聲傳感領域近八十年，其笨重、低集成度、一致性較差的固有缺陷愈發限制了超聲傳感技術在新應用場景的發展進程。壓電MEMS超聲換能器（PMUT）作為替換傳統技術的最有力競爭者之一，從上世紀90年代到今天一直得到人們的廣泛關注。前人開發的壓電MEMS超聲換能器雖然尺寸較小，但最關鍵的靈敏度指標還未達到傳統的超聲探頭水平，且并未展示出高良率和一致性（頻率、聲壓等）的優勢，因此一直沒有達到人們期待的發展高度，嚴重阻礙了MEMS技術對傳統塊體型壓電陶瓷技術的替代步伐和超聲傳感技術的應用深度、廣度。
據麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學精密測試技術及儀器全國重點實驗室龐慰課題組在MEMS超聲換能器研發上取得突破性進展。課題組人員成功開發出基于薄膜AlN材料的超高靈敏度壓電MEMS超聲換能器，同時大幅提升了基于8英寸晶圓的MEMS超聲換能器的良率和頻率一致性。相關研究成果以“Ultrahigh-Sensitivity Coupled Cantilever and Dual-Cavity Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers”為題于2024年5月在行業頂尖期刊IEEE Electron Device Letters（EDL）上發表，并入選封面Highlight論文。
EDL封面Highlight論文
Table I?超聲探頭的靈敏度對比
據該論文通訊作者張孟倫和龐慰教授介紹，高度集成化的系統對超聲傳感模塊以及超聲換能器尺寸提出越來越苛刻的要求，但系統的智能化和數字化同時要求超聲換能器性能不隨尺寸減小而打折扣，該論文提出的壓電MEMS換能器展現出全面的優越性能，在保持小尺寸的前提下，其靈敏度超越行業標桿村田壓電陶瓷探頭一個數量級以上（Table I）。高性能、小尺寸、低成本的壓電MEMS超聲換能器將在智能家居、智能汽車、智能終端、智慧城市、智慧安防、能源環境、工業生產、醫療健康等領域大放異彩，成為推動超聲傳感行業全面洗牌和快速革新的“寶藏”技術，而這項突破性工作取得的創新成果便是開啟該寶藏的密鑰。
論文信息：
DOI：10.1109/LED.2024.3375956
