CN107172553A - 一种超宽频带mems换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声领域的换能装置，具体涉及一种超宽频带MEMS换能器，包括封装外壳，封装外壳底部设置有PCB板基座，PCB板基座上设置有CMUT阵列，CMUT阵列包括依次设置的多个CMUT阵元，CMUT阵元与封装外壳之间设置有用于密封的硅油，CMUT阵元上设置有至少2组大小不同的振动微元，每个CMUT阵元均包括由下到上依次设置的基座层，绝缘层和振动薄膜层，振动薄膜层上设置有多个图形化的上电极，基座层上与多个上电极对应位置设置有下电极，绝缘层上与上电极对应位置设置有空腔，每一个上电极及与其对应的振动薄膜层、绝缘层、空腔、基座层、下电极和基座构成一个振动微元，不同组的振动微元交错设置在CMUT阵元上。本发明可拓宽MEMS换能器的特征频率，可应用于水声换能领域。

Description

一种超宽频带MEMS换能器

技术领域

本发明主要涉及水声领域的换能装置，具体涉及一种超宽频带MEMS换能器。

背景技术

由于海水本身的物理特性，光信号和电信号在水中被极大的哀减，而声波是唯一能够在水中远距离传播的媒质。作为近代成像方法的重要分支，水声成像是第二次世界大战发展起来的综合性尖端技术，由于其在军事上的特殊性，得到世界各国科学家的关注。经过几十㡿的发展，水声成像技术广泛应用于医学、军事、工业、农业等众多领域。声波可以携带水中目标的信息，因此通过声波可以实现对水下目标的探测、定位、跟踪、识别，以及利用水下声波进行通信、导航、制导、武器的射击指挥和对抗等等，因此声纳技术在国防和海洋资源开发等相关领域都起到非常重要的作用。

水声成像技术作为声纳技术的一个分支有着广泛的应用，如海底矿物资源开发需要进行工程勘测和水下监视，在海洋权益划界谈判中，需要海底地形地貌资料的支持，航道疏浚工程也需要地形地貌测量和工程量评估，重要水上活动区域、基地、水下设施和船只等需要防范小型潜器（如微型潜艇）和蛙人的恐怖袭击，水声成像技术还可用于鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下工程（护岸工程、水下管线等）探查、沉物打捞、水下作业监视、水下考古、水文测量等；在军事方面，水声成像技术可以用于水雷等水下爆炸物的探测与识别、基地和舰艇的安全防范、地形匹配导航探测等方面。特别是在一些浑浊水域以及水文条件比较差的环境下，光学仪器的成像范围便十分有限，一般只有十几厘米到几米，而声学方法却可对十几米到几百米的区域成像，且不受水文条件的限制。在军事方利用成像声纳对沉底雷和掩埋雷的高分辨率探测和识别得到了广泛的应用。

而换能器阵列是实现水声成像的关键部件之一，在众多换能器应用领域，压电换能器是应用最为广泛的一种，是利用压电材料的压电效应制作而成的一种换能器，压电陶瓷是现今最常用的压电材料。由于受到压电材料、结构形式、加工工艺等因素的影响，使得传统的压电换能器存在声阻抗不匹配、工作频率受限、温度范围较小、制作工艺复杂、成品率较低、阵元一致性较差等许多不足之处，带宽较窄约为30%-50%，机电转换效率较低，仅为18%。随着集成电路制造技术和微加工技术的快速发展，换能器的设计、制造和加工技术也在不断地更新和发展，不断涌现出各种新型制造和加工技术。基于MEMS技术的电容式微机械换能器（CMUT）具有传统压电换能器所不具备的显著优势，由于CMUT的振动薄膜为几微米，等效质量很小。工作于水中时，其等效阻尼系数相对较大，使得其Q值很低，相对带宽可以超过100%，使其具有电容式超宽频带和高接收灵敏度的优势，也充分利用了MEMS微加工技术适合制作微型高密度阵列，实现阵元的高一致性批量化生产，有利于换能器与信号处理电路集成，因此有望替代传统压电换能器成为市场的主流产品。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有超宽频带、低噪声、一致性好的MEMS换能器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超宽频带MEMS换能器，包括封装外壳，所述封装外壳底部设置有PCB板基座，所述PCB板基座上设置有CMUT阵列，所述CMUT阵列包括依次设置的多个CMUT阵元，多个CMUT阵元与所述封装外壳之间设置有用于密封的硅油，所述CMUT阵元上设置有至少2组大小不同的多个振动微元，每个CMUT阵元均包括由下到上依次设置的基座层，绝缘层和振动薄膜层，所述振动薄膜层上设置有多个图形化的上电极，所述基座层上与所述多个上电极对应位置设置有下电极，所述绝缘层上与所述上电极对应位置设置有空腔，每一个上电极及与其对应的振动薄膜层、绝缘层、空腔、基座层、下电极和基座构成一个振动微元，大小相同的振动微元构成同一组振动微元，不同组的振动微元交错设置在所述CMUT阵元上，所述基座层和振动薄膜层为硅材料制成，所述绝缘层为二氧化硅材料制成，所述上电极和下电极为金属Al材料。

所述CMUT阵元包括2组振动微元，所述2组振动微元的上电极、下电极、和空腔均为圆柱形，N个半径较小的振动微元和M个半径较大的振动微元各自均匀排列后，均匀交错设置在所述CMUT阵元上，所述M和N均为正整数。

所述CMUT阵元上同一组振动微元的上电极之间均设置有引线，所述CMUT阵元上同一组振动微元的下电极之间也分别设置有引线，CMUT阵元内部所述上电极之间的引线和下电极之间的引线呈十字交错设置。

所述CMUT阵元上设置有与每一组振动微元分别对应的上电极引出点，所述PCB板基座上设置有矩形下电极区和与上电极导线引出孔，所述CMUT阵元通过导电胶固定在所述矩形下电极区域，CMUT阵元上的上电极引出点通过金线键合技术与所述PCB板基座上的上电极导线引出孔分别一一连接。

所述CMUT阵元的制作工艺包括以下步骤：在SIO衬底硅层的基座上通过磁控溅射制备好下电极后，在下电极表面通过PECVD方法生长SiO₂层，在SiO₂刻蚀得到空腔；采用硅-硅键合工艺将基座与SOI衬底硅层键合，得到SOI-硅键合片，然后去除SOI衬底硅层，得到确定厚度的悬空硅薄膜，最后图形化刻蚀硅膜，并制备上电极，最后即得到了所述的CMUT阵元。

所述封装外壳为聚氯乙烯材料制成，所述封装外壳外形为圆形、方形或多边形平面。

所述CMUT阵元上设置有通孔，所述通孔内设置有用于将CMUT阵元上的焊盘与ASIC集成电路上的焊盘连接的金属柱。

所述CMUT阵列包括16个CMUT阵元，每个CMUT阵元之间的间距小于0.5倍波长。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的换能器包括PCB板基座，所述PCB板基座上设置有多个CMUT阵元，由于每个CMUT阵元上设置有至少2组频率不同的振动微元，不同频率的振动微元交错设置在CMUT阵元上，可以大大拓宽MEMS换能器的特征频率，换能器采用表面微加工工艺，实现了CMUT小体积，易集成、高度一致性的特点；此外，本发明中，CMUT阵元中的上电极和下电极之间的引线交错十字设置，可以减小导体的正对面积，减小了杂散电容；CMUT阵元的上电极引出点与PCB板基座上的上电极导线引出孔通过金线键合技术实现，其可靠性高，具有较高导电性能，可以减小寄生电容；而且，CMUT阵元上设置有通孔，通过金属柱将位于上层CMUT阵元上的焊盘与下层ASCI集成电路上的焊盘连接，可以实现CMUT阵列与前端电路的集成，有效降低信号的噪声，实现高信噪比微弱信号的检测。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种超宽频带MEMS换能器的结构示意图；

图2为本发明实施例中CMUT阵列在PCB板基座上排列的结构示意图；

图3为本发明实施例中CMUT阵元的结构示意图；

图4为本发明实施例中CMUT阵元的剖视图；

图5为本发明实施例中振动微元的俯视图；

图6为本发明实施例中振动微元的剖面图；

图7为本发明实施例中上下电极引线交错式结构版图；

图8为本发明实施例中换能器与前端电路的集成图；

图9为本发明实施例中用于裸芯片封装的PCB版图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，为本发明实施例提出的一种超宽频带MEMS换能器，包括封装外壳1，所述封装外壳1底部设置有PCB板基座2，所述PCB板基座2上设置有CMUT阵列3，所述CMUT阵列包括依次设置的多个CMUT阵元4，所述CMUT阵列3与所述封装外壳1之间设置有用于密封的硅油5；如图3和图4所示，每个所述CMUT阵元均包括由下到上依次设置的基座层41，绝缘层42和振动薄膜层43，所述振动薄膜层43上设置有多个图形化的上电极44，所述基座层上与所述上电极44对应位置设置有下电极45，所述绝缘层42上与所述上电极44对应位置设置有空腔46，每一个上电极44及与其对应的振动薄膜层43、基座层41、下电极45、绝缘层和空腔46构成一个振动微元6，如图5和图6所示，为振动微元6的结构示意图。所述振动薄膜层43上设置有至少2组大小不同的振动微元，大小相同的构成同一组振动微元，不同组的振动微元交错设置在所述CMUT阵元上，所述基座层和振动薄膜层为硅材料制成，所述绝缘层为二氧化硅材料制成，所述上电极和下电极为金属Al材料。

本实施例中，为了实现制作工艺的简便，不同组振动微元之间具有形同的薄膜厚度和空腔高度，则尺寸较大的振动微元具有较低的特征频率，尺寸较小的振动微元具有较高的特征频率；而不同组振动微元的具体尺寸可以随不同设计要求进行改变。振动微元的组数也可以根据需求进行设置，可以设置为2组，3组或者更多组不同的振动微元；由于不同组振动微元间频率不同，多组频率不同的振动微元在CMUT阵元上交错设置，可以大大拓宽CMUT阵列的频率宽度。

本实施例中，CMUT阵元的制作工艺如图7所示，具体可以包括以下步骤：在SIO衬底硅层的基座上通过磁控溅射制备好下电极后，在下电极表面通过PECVD方法生长SiO₂层，在SiO₂刻蚀得到空腔；采用硅-硅键合工艺将基座与SOI衬底硅层键合，得到SOI-硅键合片，然后去除SOI衬底硅层，得到确定厚度的悬空硅薄膜，最后图形化刻蚀硅膜，并制备上电极，最后即得到了所述的CMUT阵元。本实施例应用表面微加工工艺，采用降低刻蚀速率和淀积速率的方式，在制作过程中实现材料沉积、刻蚀等工艺的精度，提高所制作同组CMUT微元腔高、膜厚、微元间距一致，以及CMUT阵列长、宽、阵列间距高度一致，并将单步工艺拆分为多次工艺的策略，降低平均工艺误差，实现CMUT的频率一致和形廓一致以及提高器件批量制造的一致性。

进一步地，如图2和图3所示，作为实施例的一种改进，所述CMUT阵元可以包括2组大小不同的振动微元，所述2组振动微元的上电极、下电极和空腔均为圆形，第一组振动微元的半径比第二组振动微元的小，4个第一组振动微元呈正方排列后与所述第二组振动微元均匀交错设置在所述CMUT阵元上。虽然图2和图3仅示出了两组振动微元进行交错设置的一种方式，但是本领域的技术人员可以根据本发明的技术核心，可以不付出创造性劳动地设想到2组振动微元以其他方式进行交错设置的实施方式，例如，2组振动微元中，9半径较小的振动微元和4个半径较大的振动微元分别均匀排列形成振动微元团后，包括半径较大的振动微元的振动微元团和包括半径较小的振动微元的微元团彼此交错设置在CMUT阵元上。或者，在3组甚至更多组振动微元的情况下，以均匀分布的交错式设置方式来布置图形化的电极。

进一步地，所述CMUT阵元上同一组振动微元的上电极之间均设置有上电极引线47，所述CMUT阵元上同一组振动微元的下电极之间也分别设置有下电极引线48，作为实施例的一个改进，CMUT阵元内部所述上电极引线47和下电极引线48呈十字交错设置，如图8所示，图中虚线表示下电极及下电极引线，实线表示上电极及上电极引线。由于上下电极之间的引线交错设置减小了导体的正对面积，则本实施例的CMUT阵元具有的图形化的上电极避免了与下电极金属互联部分形成不必要的杂散电容，可以减少换能器的杂散电容。此外，CMUT阵元的边缘处需要设置有引线和跳线，用于将同组振动微元的电极进行全部连接。

进一步地，所述CMUT阵元上设置有与每一组振动微元分别对应的上电极引出点，所述PCB板基座上设置有矩形下电极区21和与上电极导线引出孔22，所述CMUT阵元通过导电胶固定在所述矩形下电极区域21，CMUT阵元上的上电极引出点49通过金线键合技术与所述PCB板基座上的上电极导线引出孔22分别一一连接。假设每个CMUT阵元包括两组频率的振动微元，由于不同频率的CMUT在上下级之间加载的电压不同，因此，每个CMUT设置有2个上电极引出点，CMUT上的2个上电极引出点可以分别位于CMUT的两端，此时，需要在PCB板基座上预留两组上电极导线引出孔22，如图9所示，为PCB板基座上的上电极导线引出孔与16个CMUT阵元的上电极引出点的连接示意图。

进一步地，本发明的MEMS换能器的封装外壳可以为聚氯乙烯材料制成，所述封装外壳外形为圆形、方形或多边形平面。

进一步地，为了能够最大限度地减小寄生电容，降低系统噪声干扰，本发明采用基于硅通孔技术CMUT阵列器件与集成电路集成方法和工艺，利用金属柱通过位于上层的CMUT器件阵列上的通孔将上层CMUT器件阵列上的焊盘与下层ASIC集成电路上的焊盘相连接，实现CMUT阵列与前端电路的集成，有效降低信号的噪声，实现高信噪比微弱信号的检测。具体方法为在所述CMUT阵元上设置通孔，所述通孔内设置用于将CMUT阵元上的焊盘与ASIC集成电路上的焊盘连接的金属柱，如图9所示。

进一步地，本发明实施例中，每个CMUT阵元之间的间隙小于一个声波波长，以400kHz频率为例，声波波长约为3.85mm，每个CMUT阵元之间的间距很容易做到小于0.5个声波波长，则本实施例的MEMS换能器不仅能够增加换能器的带宽，而且还会减少甚至消除换能器栅瓣、抑制换能器主瓣。。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，包括封装外壳，所述封装外壳底部设置有PCB板基座，所述PCB板基座上设置有CMUT阵列，所述CMUT阵列包括依次设置的多个CMUT阵元，多个CMUT阵元与所述封装外壳之间设置有用于密封的硅油，所述CMUT阵元上设置有至少2组大小不同的多个振动微元，每个CMUT阵元均包括由下到上依次设置的基座层，绝缘层和振动薄膜层，所述振动薄膜层上设置有多个图形化的上电极，所述基座层上与所述多个上电极对应位置设置有下电极，所述绝缘层上与所述上电极对应位置设置有空腔，每一个上电极及与其对应的振动薄膜层、绝缘层、空腔、基座层、下电极和基座构成一个振动微元，大小相同的振动微元构成同一组振动微元，不同组的振动微元交错设置在所述CMUT阵元上，所述基座层和振动薄膜层为硅材料制成，所述绝缘层为二氧化硅材料制成，所述上电极和下电极为金属Al材料。

2.根据权利要求1所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述CMUT阵元包括2组振动微元，所述2组振动微元的上电极、下电极、和空腔均为圆柱形，N个半径较小的振动微元和M个半径较大的振动微元各自均匀排列后，均匀交错设置在所述CMUT阵元上，所述M和N均为正整数。

3.根据权利要求1~2所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述CMUT阵元上同一组振动微元的上电极之间均设置有引线，所述CMUT阵元上同一组振动微元的下电极之间也分别设置有引线，CMUT阵元内部所述上电极之间的引线和下电极之间的引线呈十字交错设置。

4.根据权利要求2所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述CMUT阵元上设置有与每一组振动微元分别对应的上电极引出点，所述PCB板基座上设置有矩形下电极区和与上电极导线引出孔，所述CMUT阵元通过导电胶固定在所述矩形下电极区域，CMUT阵元上的上电极引出点通过金线键合技术与所述PCB板基座上的上电极导线引出孔分别一一连接。

5.根据权利要求1所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述CMUT阵元的制作工艺包括以下步骤：在SIO衬底硅层的基座上通过磁控溅射制备好下电极后，在下电极表面通过PECVD方法生长SiO₂层，在SiO₂刻蚀得到空腔；采用硅-硅键合工艺将基座与SOI衬底硅层键合，得到SOI-硅键合片，然后去除SOI衬底硅层，得到确定厚度的悬空硅薄膜，最后图形化刻蚀硅膜，并制备上电极，最后即得到了所述的CMUT阵元。

6.根据权利要求1所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述封装外壳为聚氯乙烯材料制成，所述封装外壳外形为圆形、方形或多边形平面。

7.根据权利要求1所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述CMUT阵元上设置有通孔，所述通孔内设置有用于将CMUT阵元上的焊盘与ASIC集成电路上的焊盘连接的金属柱。

8.根据权利要求1所述的一种超宽频带MEMS换能器，其特征在于，所述CMUT阵列包括16个CMUT阵元，每个CMUT阵元之间的间距小于0.5倍波长。