第84期“见微知著”培训课程：超声换能器技术及传感与成像应用

麦姆斯咨询　｜　2026-11-27至2026-11-29　｜　无锡市锡山区

五、课程内容

课程一：高性能MEMS超声芯片关键技术及新一代超声传感与成像应用

老师：西安交通大学 教授 李支康（点此查看老师简介）

MEMS超声芯片是指基于MEMS微纳加工技术，在芯片尺度上制造超声换能结构的微型器件，它是集成化超声传感与成像系统的核心组件，主要包括压电式和电容式两种技术路线。压电式MEMS超声芯片利用压电薄膜材料的逆压电/正压电效应实现超声信号的发射与接收；电容式MEMS超声芯片利用可动薄膜电极与固定电极构成的微型电容器结构，通过静电力驱动和电容变化检测实现超声信号的发射与接收。从产业化角度看，MEMS超声芯片需要突破的不仅是性能瓶颈，还包括工艺成熟度、ASIC集成、封装与测试、成本控制、系统验证及应用适配等环节。只有将芯片设计与具体应用场景紧密结合，才能推动MEMS超声技术从实验室研究向规模化产品和商业应用发展。本课程从MEMS超声传感器技术现状及产业背景出发，详解高性能MEMS超声芯片关键技术及典型应用，同时会讲授新型刚柔融合MEMS超声芯片及可穿戴传感应用，最后介绍新一代MEMS超声传感与成像技术的产业化情况。

课程提纲：

1. MEMS超声传感器技术现状及产业背景；

2. 高性能压电式MEMS超声芯片设计、制备与封装技术；

3. 高性能电容式MEMS超声芯片设计、制备与封装技术；

4. 基于MEMS超声芯片的集成化无损检测应用；

5. 基于MEMS超声芯片的便携式超声成像应用；

6. 刚柔融合MEMS超声芯片及可穿戴传感应用；

7. 新一代MEMS超声传感与成像技术的产业化。

课程二：薄膜型超声换能器技术进展、挑战与展望

老师：上海科技大学 副教授 吴涛（点此查看老师简介）

薄膜型超声换能器（Thin-Film Ultrasonic Transducer）是指通过半导体微加工技术（例如MEMS工艺）制备薄膜功能层及微机械振动结构，并利用正压电/逆压电效应或电容/静电效应，实现超声波（机械能）与电信号（电能）之间能量转换的器件。相比传统的压电块体型超声换能器，薄膜型超声换能器具有结构微型化、频率范围宽、器件一致性好，以及易于实现阵列化等优势，并具备与CMOS电路集成的潜力，可实现超声信号的片上发射、接收与处理。凭借上述优势，薄膜型超声换能器有望满足高分辨率超声成像应用对微型化、高密度阵列及系统集成的需求，在消费电子、生物医疗及工业监测等领域展现出广阔的应用前景。本课程首先分析超声换能器整体市场与应用，然后讲解薄膜型超声换能器关键技术及典型应用，最后指出薄膜型超声换能器技术挑战与展望。

课程提纲：

1. 超声换能器市场与应用分析；

2. 薄膜型超声换能器类型与技术概述；

3. 压电式微机械超声换能器设计与制造；

4. 压电式微机械超声换能器应用；

5. 薄膜型超声换能器技术挑战与展望。

课程三：电容式微机械超声换能器（CMUT）及乳腺超声CT应用

老师：中北大学 教授 张国军（点此查看老师简介）

乳腺癌是发生于乳腺组织的恶性肿瘤，目前已成为威胁女性健康的常见肿瘤。早期的准确诊断对于提高乳腺癌的检出率和改善患者预后具有重要意义。临床乳腺影像检查主要包括乳腺X线摄影、磁共振成像和超声成像等技术。其中，超声成像具有无电离辐射、操作便捷、成本较低及可重复动态检查等优势，在乳腺疾病筛查、诊断和随访中发挥着重要作用。然而，传统乳腺超声检查通常需要将超声探头贴近乳房表面进行扫描，由于乳腺软组织具有较强的柔顺性，探头施加的接触压力及扫描过程中的位置变化可能引起组织形变，进而影响成像结果的稳定性与准确性。此外，压电块体材料的声阻抗通常与人体软组织存在一定差异，可能导致声能传输损失，影响超声信号的发射与接收性能。解决上述问题的一种方案是，采用电容式微机械超声换能器（CMUT）替代块体型超声换能器，通过优化振膜结构、材料参数及封装设计，实现与工作介质相适配的声学性能，并可通过CMUT阵列设计及ASIC集成助力高分辨率乳腺超声CT应用。本课程详细讲解CMUT阵列芯片关键技术，以及基于CMUT的乳腺超声CT成像系统及临床验证。

课程提纲：

1. 超声换能器研究现状；

2. CMUT阵列芯片设计、仿真与制备；

3. 基于CMUT的乳腺超声CT成像系统集成；

4. 面向乳腺检测的多模态融合成像方法；

5. 乳腺超声CT成像系统临床初步验证。

课程四：压电式微机械超声换能器（PMUT）及其阵列设计、制造与应用

老师：鲁汶大学 高级研究员 王晨（点此查看老师简介）

随着MEMS技术及压电薄膜材料的不断发展，压电式微机械超声换能器（PMUT）正成为新一代超声传感与成像技术的重要发展方向。目前，PMUT采用的压电薄膜材料主要有锆钛酸铅（PZT）、氮化铝（AlN）和掺钪氮化铝（ScAlN），因为这些材料有着较为成熟的制造方法，包括磁控溅射法、溶胶-凝胶法、原子层沉积法等。其中，AlN/ScAlN PMUT凭借良好的半导体工艺兼容性、较低的介电损耗及较好的热稳定性，为CMOS-MEMS集成和高密度超声阵列的实现提供了重要技术基础，典型应用包括超声指纹识别、医疗超声成像、工业无损检测、距离测量和流量传感等。此外，基于柔性PMUT阵列的超声传感器能够适应人体表面及复杂曲面，为可穿戴医疗、运动监测、软体机器人和柔性工业检测提供新的技术方案。本课程阐述PMUT工作原理与关键技术，详解PMUT阵列设计、制造与系统集成，并介绍PMUT超声成像应用案例。

课程提纲：

1. PMUT工作原理与技术概述；

2. PMUT结构设计与关键性能优化；

3. PMUT压电薄膜材料与MEMS制造技术；

4. PMUT阵列设计、声学测试与系统集成；

5. 柔性PMUT阵列设计与制造；

6. 基于PMUT阵列的超声成像应用案例及发展展望。

课程五：压电式微机械超声换能器（PMUT）多物理场仿真与优化技术

老师：上海师范大学 副教授 张巧珍（点此查看老师简介）

PMUT的工作过程涉及电场、固体力学场、流体声场等多个物理场的高度耦合。在高性能PMUT设计中，仅依靠单一物理场分析往往难以准确预测器件在实际工作条件下的表现，需要建立多物理场耦合模型。其中，压电耦合模型是PMUT仿真的核心，在线性压电理论框架下，材料的应力、应变、电场与电位移之间可通过压电本构方程建立联系。在结构力学层面，多物理场仿真需精细构建包含振动膜、压电层、电极层和支撑层的三维有限元模型。对于结构规则、材料分布对称且边界条件明确的器件，可以先采用轴对称模型降低计算量；对于非对称电极、矩形振动膜、复杂支撑结构及阵列耦合问题，则需要采用完整的二维或三维模型进行分析。目前，基于有限元分析（FEA）的多物理场建模是PMUT设计的核心手段，主流仿真平台包括COMSOL Multiphysics和Ansys。本课程从PMUT工作原理出发，全面介绍PMUT多物理场耦合建模与分析方法，深入讲解PMUT性能调控与优化技术。

课程提纲：

1. PMUT工作原理及技术概述；

2. PMUT多物理场耦合建模与分析方法；

3. PMUT性能调控与优化技术；

4. PMUT典型应用与未来展望。

课程六：基于ScAlN薄膜的压电MEMS超声换能器及应用

老师：武汉大学 副教授 刘文娟（点此查看老师简介）

压电薄膜是决定压电MEMS超声换能器（PMUT）机电转换效率、工作频率、发射声压及接收灵敏度的核心功能材料。在众多候选材料中，氮化铝（AlN）压电薄膜凭借较高的声波传播速度、优异的热稳定性、较低的介电损耗、良好的CMOS工艺兼容性，已在射频滤波器、微纳谐振器及超声换能器等领域得到了广泛应用。掺钪氮化铝（ScAlN）则是在AlN晶格中引入钪（Sc）元素，进行晶格结构与弹性特性的调控，从而增强压电响应。与纯AlN相比，ScAlN展现出更高的压电系数和更强的机电耦合能力。通过对Sc掺杂浓度、薄膜厚度、晶体取向及器件结构的协同设计，可有效平衡PMUT的机械位移、发射声压、接收灵敏度与工作带宽等核心关键指标。然而，ScAlN的性能提升存在物理极限，并非与Sc含量呈线性正相关；过高的Sc掺杂往往会诱发非理想晶相、加剧晶体缺陷，并大幅增加残余应力调控的工艺难度。本课程介绍压电薄膜材料及制造平台，详解基于ScAlN压电薄膜的PMUT设计、制造、应用。

课程提纲：

1. 压电MEMS超声换能器概述；

2. 压电薄膜材料及制造平台；

3. 基于ScAlN薄膜的压电MEMS超声换能器设计与制造；

4. 基于ScAlN薄膜的压电MEMS超声换能器应用；

5. 压电MEMS声学传感器系统展望。

课程七：微型压电超声换能器及其指纹识别与医疗应用

老师：上海科技大学 研究员 彭畅（点此查看老师简介）

微型压电超声换能器以压电陶瓷、压电单晶或压电薄膜为核心功能材料，利用逆压电/正压电效应实现超声波发射与接收。面向不同应用场景，超声换能器在工作频率、阵列构型、器件尺寸、声学耦合和封装方式等方面呈现出差异化的设计需求。例如，屏下超声指纹识别需要兼顾超声波在屏幕多层结构中的传播特性、指纹回波的分辨能力及换能器阵列的集成度；血管内超声（IVUS）需要在微型导管有限的空间内实现高频超声发射与接收，以满足血管壁及其内部结构的高分辨率成像需求；柔性可穿戴超声则需要通过柔性基底、互连结构与封装设计，实现器件与人体表面的可靠声学耦合，满足长期生理监测、超声成像及特定治疗应用的需求。本课程将从压电材料与超声换能原理出发，介绍微型超声换能器的结构设计、制造技术、系统集成及典型应用，并讨论其性能权衡方法及技术发展趋势。

课程提纲：

1. 微型压电超声换能器概述；

2. 微型压电超声换能器的工作原理与设计；

3. 屏下超声指纹识别与成像；

4. 血管内超声（IVUS）换能器与成像；

5. 柔性可穿戴超声：监测、成像与治疗应用；

6. 微型压电超声换能器的制造、可靠性与技术展望。

课程八：压电超声换能器技术及传感应用

老师：四川大学 特聘副研究员 夏园林（点此查看老师简介）

压电超声换能器按结构和材料形态，通常可以划分为块体型（Bulk）和薄膜型（Thin-Film）两大类型。块体型压电超声换能器通常采用压电陶瓷、压电单晶等块体材料，通过切割、研磨、电极制备及封装等工艺形成具有特定几何尺寸的压电振动元件。薄膜型压电超声换能器则主要采用MEMS微纳加工技术，在硅、玻璃或其它衬底上制备压电薄膜、电极及微机械振动结构，以形成PMUT单元及其阵列。针对不同应用领域，压电超声换能器设计需要在工作频率、带宽、发射声压、接收灵敏度、声场指向性、聚焦能力及环境适应性等方面实现综合优化。块体型和薄膜型两类技术路线当前正在各自的优势领域持续演进，并为超声传感与成像系统提供多样化的器件解决方案。本课程讲解两类压电超声换能器设计方法及声场测试平台，展示压电超声换能器在汽车及工业领域的多种传感应用。

课程提纲：

1. 压电超声换能器设计；

2. 超声换能器的声场测试平台；

3. 弧形聚焦超声换能器及传感应用；

4. 超声车门防夹、损伤定位应用；

5. 超声流量计、风速仪、材质检测应用。

课程九：压电式微机械超声换能器（PMUT）及创新传感应用

老师：中北大学 副教授 刘涛（点此查看老师简介）

压电式微机械超声换能器（PMUT）代表了MEMS技术与压电声学器件深度融合的发展方向。通过将压电薄膜、微机械结构及电子读出电路集成于单芯片平台，PMUT为超声传感系统的微型化、阵列化和智能化提供了新的技术基础。基于PMUT的传感应用包括“被动接收与主动发射”两大类型。被动接收是指PMUT主要接收外部自然产生或由其他设备产生的声学信号，而不依赖自身主动发射超声波完成探测。与主动发射相比，被动接收更强调弱信号检测、低噪声读出、频谱特征提取和声源识别。主动发射通过PMUT发射超声信号，并分析其传播、反射、衰减、相位或频率变化，获取目标距离、位置、运动状态或材料特征。与被动接收相比，主动发射能够主动控制激励信号，在测距与定位、材质识别及流量测量等任务中具有独特优势。本课程将围绕“微纳声学传感的前沿突破与创新探索”，系统梳理MEMS超声换能器发展历程，重点讲授PMUT芯片设计与制备技术，深度剖析其在被动接收与主动发射领域的创新传感应用。

课程提纲：

1. MEMS超声换能器发展历程与核心机理；

2. 压电薄膜材料特性分析与PMUT芯片设计与制备；

3. PMUT在被动接收领域的创新传感应用：固体域感知（工业设备监测）、液体域感知（海洋目标监测）、气体域感知（声源定位）、人体域感知（智慧医疗）；

4. PMUT在主动发射领域的创新传感应用：超声测距与空间定位、目标材质智能识别、高精度气体流量测量；

5. 微纳声学传感技术总结与未来展望：从新型压电薄膜材料到新兴人工智能技术。

课程十：基于PMUT的测距传感器关键技术与长距离感知应用

老师：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 研究员 李加东（点此查看老师简介）

相比传统块体型超声换能器，压电式微机械超声换能器（PMUT）具有体积小、功耗低、易于阵列化和CMOS电路集成等优势，是实现下一代微型化、低成本超声测距与感知系统的核心器件，在机器人避障、智能终端交互、水声感知和医学成像等领域展现出广阔的应用前景。然而，输出声压低、探测距离短、阵列一致性差等问题长期制约着PMUT的实用化发展。从国内外研究与产业化进展来看，国际上PMUT商业化起步较早，基于PMUT的测距传感器和超声指纹识别传感器等产品已实现量产应用，但在长距离测距方面仍面临技术挑战，相关产品的测距能力总体以米级为主；国内PMUT研究近年来发展迅速，在掺钪氮化铝（ScAlN）压电薄膜制备、器件结构创新和阵列化设计方面不断取得突破，尤其在长距离测距方面已达到国际领先水平。例如，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李加东研究团队从压电材料、振动结构和阵列构成等方面系统开展了PMUT测距性能增强研究：采用ScAlN压电薄膜提升机电转换效率，提出亥姆霍兹谐振背腔、双环振动结构和弯曲悬挂膜等创新构型，将单器件收发一体测距范围从2.6米逐步提升至11.2米，刷新了PMUT测距的世界纪录。本课程在梳理PMUT国内外研究现状与技术发展的基础上，系统地讲解PMUT测距性能增强方法、器件设计与制造、阵列化技术及长距离感知应用。

课程提纲：

1. PMUT感知需求背景与测距性能瓶颈分析；

2. PMUT国内外研究现状与关键技术分析；

3. ScAlN压电薄膜材料制备与PMUT器件制造工艺；

4. 基于PMUT的测距传感器性能提升方法；

5. 基于PMUT的长距离感知应用展示与发展前景。

课程十一：超声贴片革命：PMUT阵列助力可穿戴成像新时代

老师：天津大学 副教授 牛鹏飞（点此查看老师简介）

随着MEMS、柔性电子及人工智能（AI）技术的快速发展，超声成像正从“手持式、间歇性检查”向“穿戴式、连续化监测”方向演进。超声成像技术革新不仅依赖超声换能器的小型化，还需要实现材料、微机械结构、阵列设计、柔性封装、电子系统和图像处理算法的协同优化。近期，天津大学牛鹏飞与北京化工大学王茁晨研究团队，成功开发出一种超大规模压电式微机械超声换能器（PMUT）阵列，展现了其在可穿戴超声成像应用中的巨大潜力。PMUT阵列的优势在于小型化和低功耗，并且易于与CMOS电路集成，可助力构建轻量化、高集成度的可穿戴超声成像系统。然而，传统的PMUT阵列往往面临成像性能不足的问题，限制了其广泛应用。为了突破这一瓶颈，研究团队提出一种互辐射阻抗数学模型，能够有效预测PMUT阵列中每个单元的振动幅度，从而优化单元排列，提高灵敏度、带宽及声学均匀性。本课程深入讲解基于PMUT阵列的可穿戴成像技术路线、系统方案、应用场景、临床价值及前沿探索。

课程提纲：

1. 可穿戴超声成像应用场景与临床价值解析；

2. 可穿戴超声成像系统的链路迭代与方案遴选；

3. 面向贴附成像的超声换能器技术横向对比；

4. PMUT阵列赋能穿戴超声成像的前沿探索；

5. PMUT阵列成像技术瓶颈与下一代技术路线。

课程十二：柔性可穿戴超声技术及医学领域应用实践

老师：中国科学院空天信息创新研究院 研究员 方震（点此查看老师简介）

现有可穿戴设备在人体深层生理参数监测方面仍存在局限，而传统超声设备通常体积较大、便携性不足，并且依赖专业人员操作，难以满足长期、连续的生理监测需求。近期，中国科学院空天信息创新研究院方震团队及其合作单位突破以往仅关注超声换能器材料的局限，重点研究了硬件与软件的协同方法，开发了具有临床级性能的柔性可穿戴超声技术，实现了连续、非侵入式深层组织监测。研究团队还阐述了柔性可穿戴超声系统的三大支柱：（1）平衡声学性能与柔韧性的适形换能器；（2）解决处理能力与能效之间的冲突的小型化硬件；（3）用于运动伪影补偿及参数自动提取的智能算法。通过在动脉血流动力学、心脏成像及脑部监测中的应用，研究团队展示了柔性可穿戴超声技术提供实时、高保真生理数据的能力，为急症护理和慢性病管理提供深层生理动态的变革性视角。本课程系统地解构柔性可穿戴超声的核心技术，并详细介绍其在心血管监测中的临床应用，强调其通过持续、无创和实时的深层组织生理监测来改变医疗保健的潜力。

课程提纲：

1. 柔性可穿戴超声换能器发展和研究现状；

2. 柔性可穿戴超声系统集成；

3. 超声信号处理与成像算法；

4. 柔性可穿戴超声技术挑战与未来方向；

5. 柔性可穿戴超声技术在医学领域的应用实践与临床转化；

6. 超声脑机接口技术与应用。

课程十三：基于声学超材料的高频颅脑超声成像系统

老师：浙江大学 教授 郑音飞（点此查看老师简介）

在“创新驱动发展”时代战略引领下，国家将临床精准医疗的高端医疗器械作为“全面推进健康中国建设”的重点战略发展方向。颅脑超声成像具有实时、无创、便捷等优势，但颅骨对超声具有极强的衰减和畸变效应，使得颅脑超声成像至今仍为世界级难题。浙江大学郑音飞教授团队致力于解决这一世界级难题，依托“十三五”、“十四五”国家重点研发计划，在国际上首创将高频声学超材料与微纳超声传感器技术相结合，成功研制颅脑共形32×32电容式微机械超声换能器（CMUT）阵列，实现人类颅脑实时、无损、无创的组织及血流成像。这一突破为探索人类大脑运行机理提供了一双新的“智慧眼”，这也是继计算机断层扫描（CT）与磁共振成像（MRI）之后又一颠覆性的颅脑成像方法。本课程从颅脑超声成像研究背景与发展现状出发，深入讲解声学超材料穿颅技术、颅脑共形CMUT面阵及成像技术，最后展示颅脑超声成像系统性能评价与实验验证。

课程提纲：

1. 颅脑超声成像研究背景与发展现状；

2. 基于多极共振米氏效应的双负声学超材料穿颅技术；

3. 高频宽带颅脑共形CMUT面阵设计及制备技术；

4. 全颅脑三维声场建模与高分辨、高灵敏成像技术；

5. 高频颅脑超声成像系统性能评价与实验验证。

六、培训报名及培训赞助咨询

报名咨询：请发送电子邮件至[email protected]，邮件题目格式为：报名+超声换能器技术及传感与成像应用+单位简称+人数。

培训赞助：请致电联系毕女士（18921125675），或麦姆斯咨询固话（0510-83481111）。

麦姆斯咨询
联系人：毕女士
电话：18921125675
E-mail：[email protected]