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飞利浦电容式MEMS超声波换能技术就绪,欲在医疗成像和工业领域大展拳脚

  • 编辑时间: 2019-08-14
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微访谈:Philips Innovation Services业务开发经理Paul Bekkers


据麦姆斯咨询介绍,过去十年里,MUT(MEMS超声波换能器)技术的发展令市场高度兴奋。如今,使用电容特性的CMUT(电容式MEMS超声波换能器)已经成为体压电模组的卓越替代者,可以使产品更小、集成度更高、成本更低,实现了从工业手持式无损检测到医学成像的诸多应用。

根据Yole最新发布的《医疗、工业和消费类应用的超声波传感技术》报告,成像应用为超声波产品带来了巨大市场,并为CMUT的市场渗透提供了机遇。医疗、工业和消费类应用的超声波传感市场总规模,预计将在2023年增长至约60亿美元。

2017~2023年超声波模组市场预测
数据来源:《医疗、工业和消费类应用的超声波传感技术》

据麦姆斯咨询报道,Philips Innovation Services(飞利浦创新服务公司)是CMUT器件开发和制造主要厂商。该公司花了十多年的时间开发CMUT技术,解决了各种技术挑战。Yole专注于研究喷墨和生物MEMS传感器微技术的高级技术与市场分析师Jerome Mouly,最近有幸会见了飞利浦创新服务公司业务开发经理Paul Bekkers,请他与我们分享了他的“超声波”经历。

Jerome Mouly(以下简称JM):请您概述一下飞利浦创新服务公司及其产品和服务。

Paul Bekkers(以下简称PB):在飞利浦创新服务公司,我们希望能够帮助客户成功地将他们的创新市场化,在这里他们对客户和整个社会都很重要。我们的使命很简单:加速从初创公司到大型跨国公司的创新。我们针对MEMS和微型器件,提供原型设计、工艺开发和生产制造服务。

我们的MEMS代工厂专注于6英寸和8英寸晶圆的中小批量的定制MEMS制造服务。这座最先进的纯MEMS代工厂占地2650平方米,位于荷兰埃因霍温的高科技园区。我们可以灵活地提供硅、SOI、GaAs、玻璃、石英和CMOS晶圆等衬底材料,并且我们符合ISO13485和ISO9001质量体系。

我们的Micro Devices工厂适用于原型设计和批量生产。我们的服务包括工业PCBA(Printed Circuit Board Assembly)原型设计,高端PCBA组装,以及互连架构和原型设计。

除了这些服务,我们还提供一些与Philips Research(飞利浦研究院)共同开发的技术。CMUT就是其中之一。2017年初,我们开始对CMUT技术进行出样。从那时起,我们与客户合作的应用数量开始快速增长。

JM:飞利浦创新服务公司正在开发一种CMUT技术,所使用的关键工艺和材料有哪些?

PB:我总是喜欢开玩笑说我们的CMUT技术只是在硅晶圆上多叠了几层。我们投入大量精力使我们的工艺变得更简单,只使用标准化的材料。利用我们在应力控制(用于膜)和高品质介电材料方面的优势,我们在CMUT平台中实现了一个很重要的特性,即所谓的“collapse mode”。我们简练的工艺可实现高度集成和定制化。例如,我们可以直接在CMOS-ASIC晶圆上进行处理,甚至可以制作弯曲或柔性芯片。根据我的经验,这种结合高性能、批量生产和集成水平的能力,是独一无二的。这使我们的CMUT技术对于各种广泛的应用都非常有吸引力。并且很显然,它是无铅的。

JM:采用MUT技术的首批产品用了数年时间才上市,在传感器级和电子集成方面的主要发展挑战是什么?

PB:自从Haller和Khuri Yakub首次发布MUT技术以来,有许多障碍需要克服。MUT技术的公认挑战是漂移、寿命、压力输出、声学接口和可靠性/再现性。这些也是我们发展初期所面临的主要挑战。此外,我们投入了大量工作,实现了单晶圆工艺和多功能技术平台。

我们换能器的电子集成是非常标准化的:换能器不需要特殊的信号调制。我们的主要客户在它们的设置中,可以轻松地连接并运行我们的换能器。这种便利性使我们的客户能够制造出针对其市场优化的突破性产品。

JM:飞利浦创新服务公司如何从众多竞争对手中脱颖而出?

PB:单晶圆工艺是一项独一无二的特性,对3D成像和高频应用至关重要。此外,我们的“collapse mode”将CMUT换能器的压力输出和灵敏度提升到了极高的水平,这有利于所有应用。最后,我们强大的建模专业技术,有助于为我们的客户优化换能器设计,以适应它们的应用和商业案例。

JM:目前的超声波模组市场几乎完全基于体压电技术,但得益于新的应用和技术的完备,我们看到未来五年向MUT技术转移的明显趋势。您是否认为MUT技术将开辟新的市场,或者说MUT将成为体压电技术的替代技术?

三种主要超声波换能器技术


PB:我们认为体压电换能器技术和MUT换能器技术都将拥有各自的一席之地。在MUT技术市场化的早期,受益最多的应用将是竞争中的领先者,尤其是需要大批量、低成本制造的产品。通常,这些产品可用于工业和医疗监测应用,以及家庭护理。

当MUT技术得到广泛应用时,它将开始取代许多小批量的体压电换能器应用,利用可靠的半导体工艺取代手动装配。

JM:随着诸如Butterfly Network等新产品的到来,手持式医用超声波探头似乎是大众市场上的首批CMUT应用。你们的CMUT技术的目标应用是什么?

Butterfly iQ超声波探头

PB:对于飞利浦,CMUT技术最初是为医学成像开发的。你可以想象这个应用领域吸引力很大。除此之外,我们还与领先的厂商针对市场上的大批量应用展开合作,例如工业监控和汽车等。

JM:PMUT是CMUT的直接竞争技术,这两种技术在性能方面有何不同?这些差异是否意味着不同的应用?

超声波传感产品和技术路线图(CMUT和PMUT)

PB:对于PMUT,单晶圆方案几乎是不可能的。在性能方面,因为这些技术种类繁多,很难进行直接比较。

JM:人工智能(AI)在医学成像诊断领域发挥着越来越大的作用,目前人工智能与超声成像普及之间的融合度有多大?您对未来怎么看?

PB:这个问题最应该由我们的CMUT客户来回答。总的来说,我们看到了硬件和软件真正逐渐融合的趋势。您无需在硬件中解决所有的技术问题;您也无法通过软件或应用程序解决所有的技术问题。聪明的数据处理或人工智能,可以为传感器测量增加很多附加价值,甚至可以让每个人更容易地理解数据。我认为这将是一个持续的挑战。

延伸阅读:
《医疗、工业和消费类应用的超声波传感技术》
《博世车用超声波传感器》
《声学MEMS和音频解决方案-2017版》

推荐培训:
2018年12月13日至12月15日,麦姆斯咨询主办的《声学MEMS和传感器培训课程》将在苏州举行,培训内容包含:(1)声学MEMS设计工具Tanner软件及应用;(2)声学MEMS和传感器有限元设计软件COMSOL Multiphysics及其应用;(3)电容式MEMS麦克风设计;(4)电容式MEMS麦克风制造工艺,及参观学习MEMS制造产线;(5)MEMS麦克风封装和测试;(6)MEMS麦克风ASIC技术;(7)MEMS水听器(水下麦克风)设计、制造及封测;(8)MEMS麦克风专利分析,及典型诉讼案例。

详情及报名请联系:
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联系人:彭琳
电话:17368357393
E-mail:PengLin@MEMSConsulting.com