一種超寬頻帶MEMS換能器的制作方法

本發明主要涉及水聲領域的換能裝置，具體涉及一種超寬頻帶mems換能器。

背景技術：

由于海水本身的物理特性，光信號和電信號在水中被極大的哀減，而聲波是唯一能夠在水中遠距離傳播的媒質。作為近代成像方法的重要分支，水聲成像是第二次世界大戰發展起來的綜合性尖端技術，由于其在軍事上的特殊性，得到世界各國科學家的關注。經過幾十?的發展，水聲成像技術廣泛應用于醫學、軍事、工業、農業等眾多領域。聲波可以攜帶水中目標的信息，因此通過聲波可以實現對水下目標的探測、定位、跟蹤、識別，以及利用水下聲波進行通信、導航、制導、武器的射擊指揮和對抗等等，因此聲納技術在國防和海洋資源開發等相關領域都起到非常重要的作用。

水聲成像技術作為聲納技術的一個分支有著廣泛的應用，如海底礦物資源開發需要進行工程勘測和水下監視，在海洋權益劃界談判中，需要海底地形地貌資料的支持，航道疏浚工程也需要地形地貌測量和工程量評估，重要水上活動區域、基地、水下設施和船只等需要防范小型潛器（如微型潛艇）和蛙人的恐怖襲擊，水聲成像技術還可用于魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下工程（護岸工程、水下管線等）探查、沉物打撈、水下作業監視、水下考古、水文測量等；在軍事方面，水聲成像技術可以用于水雷等水下爆炸物的探測與識別、基地和艦艇的安全防范、地形匹配導航探測等方面。特別是在一些渾濁水域以及水文條件比較差的環境下，光學儀器的成像范圍便十分有限，一般只有十幾厘米到幾米，而聲學方法卻可對十幾米到幾百米的區域成像，且不受水文條件的限制。在軍事方利用成像聲納對沉底雷和掩埋雷的高分辨率探測和識別得到了廣泛的應用。

而換能器陣列是實現水聲成像的關鍵部件之一，在眾多換能器應用領域，壓電換能器是應用最為廣泛的一種，是利用壓電材料的壓電效應制作而成的一種換能器，壓電陶瓷是現今最常用的壓電材料。由于受到壓電材料、結構形式、加工工藝等因素的影響，使得傳統的壓電換能器存在聲阻抗不匹配、工作頻率受限、溫度范圍較小、制作工藝復雜、成品率較低、陣元一致性較差等許多不足之處，帶寬較窄約為30%-50%，機電轉換效率較低，僅為18%。隨著集成電路制造技術和微加工技術的快速發展，換能器的設計、制造和加工技術也在不斷地更新和發展，不斷涌現出各種新型制造和加工技術。基于mems技術的電容式微機械換能器（cmut）具有傳統壓電換能器所不具備的顯著優勢，由于cmut的振動薄膜為幾微米，等效質量很小。工作于水中時，其等效阻尼系數相對較大，使得其q值很低，相對帶寬可以超過100%，使其具有電容式超寬頻帶和高接收靈敏度的優勢，也充分利用了mems微加工技術適合制作微型高密度陣列，實現陣元的高一致性批量化生產，有利于換能器與信號處理電路集成，因此有望替代傳統壓電換能器成為市場的主流產品。

技術實現要素：

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種具有超寬頻帶、低噪聲、一致性好的mems換能器。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種超寬頻帶mems換能器，包括封裝外殼，所述封裝外殼底部設置有pcb板基座，所述pcb板基座上設置有cmut陣列，所述cmut陣列包括依次設置的多個cmut陣元，多個cmut陣元與所述封裝外殼之間設置有用于密封的硅油，所述cmut陣元上設置有至少2組大小不同的多個振動微元，每個cmut陣元均包括由下到上依次設置的基座層，絕緣層和振動薄膜層，所述振動薄膜層上設置有多個圖形化的上電極，所述基座層上與所述多個上電極對應位置設置有下電極，所述絕緣層上與所述上電極對應位置設置有空腔，每一個上電極及與其對應的振動薄膜層、絕緣層、空腔、基座層、下電極和基座構成一個振動微元，大小相同的振動微元構成同一組振動微元，不同組的振動微元交錯設置在所述cmut陣元上，所述基座層和振動薄膜層為硅材料制成，所述絕緣層為二氧化硅材料制成，所述上電極和下電極為金屬al材料。

所述cmut陣元包括2組振動微元，所述2組振動微元的上電極、下電極、和空腔均為圓柱形，n個半徑較小的振動微元和m個半徑較大的振動微元各自均勻排列后，均勻交錯設置在所述cmut陣元上，所述m和n均為正整數。

所述cmut陣元上同一組振動微元的上電極之間均設置有引線，所述cmut陣元上同一組振動微元的下電極之間也分別設置有引線，cmut陣元內部所述上電極之間的引線和下電極之間的引線呈十字交錯設置。

所述cmut陣元上設置有與每一組振動微元分別對應的上電極引出點，所述pcb板基座上設置有矩形下電極區和與上電極導線引出孔，所述cmut陣元通過導電膠固定在所述矩形下電極區域，cmut陣元上的上電極引出點通過金線鍵合技術與所述pcb板基座上的上電極導線引出孔分別一一連接。

所述cmut陣元的制作工藝包括以下步驟：在sio襯底硅層的基座上通過磁控濺射制備好下電極后，在下電極表面通過pecvd方法生長sio2層，在sio2刻蝕得到空腔；采用硅-硅鍵合工藝將基座與soi襯底硅層鍵合，得到soi-硅鍵合片，然后去除soi襯底硅層，得到確定厚度的懸空硅薄膜，最后圖形化刻蝕硅膜，并制備上電極，最后即得到了所述的cmut陣元。

所述封裝外殼為聚氯乙烯材料制成，所述封裝外殼外形為圓形、方形或多邊形平面。

所述cmut陣元上設置有通孔，所述通孔內設置有用于將cmut陣元上的焊盤與asic集成電路上的焊盤連接的金屬柱。

所述cmut陣列包括16個cmut陣元，每個cmut陣元之間的間距小于0.5倍波長。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：本發明的換能器包括pcb板基座，所述pcb板基座上設置有多個cmut陣元，由于每個cmut陣元上設置有至少2組頻率不同的振動微元，不同頻率的振動微元交錯設置在cmut陣元上，可以大大拓寬mems換能器的特征頻率，換能器采用表面微加工工藝，實現了cmut小體積，易集成、高度一致性的特點；此外，本發明中，cmut陣元中的上電極和下電極之間的引線交錯十字設置，可以減小導體的正對面積，減小了雜散電容；cmut陣元的上電極引出點與pcb板基座上的上電極導線引出孔通過金線鍵合技術實現，其可靠性高，具有較高導電性能，可以減小寄生電容；而且，cmut陣元上設置有通孔，通過金屬柱將位于上層cmut陣元上的焊盤與下層asci集成電路上的焊盤連接，可以實現cmut陣列與前端電路的集成，有效降低信號的噪聲，實現高信噪比微弱信號的檢測。

附圖說明

圖1為本發明實施例提出的一種超寬頻帶mems換能器的結構示意圖；

圖2為本發明實施例中cmut陣列在pcb板基座上排列的結構示意圖；

圖3為本發明實施例中cmut陣元的結構示意圖；

圖4為本發明實施例中cmut陣元的剖視圖；

圖5為本發明實施例中振動微元的俯視圖；

圖6為本發明實施例中振動微元的剖面圖；

圖7為本發明實施例中上下電極引線交錯式結構版圖；

圖8為本發明實施例中換能器與前端電路的集成圖；

圖9為本發明實施例中用于裸芯片封裝的pcb版圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1和圖2所示，為本發明實施例提出的一種超寬頻帶mems換能器，包括封裝外殼1，所述封裝外殼1底部設置有pcb板基座2，所述pcb板基座2上設置有cmut陣列3，所述cmut陣列包括依次設置的多個cmut陣元4，所述cmut陣列3與所述封裝外殼1之間設置有用于密封的硅油5；如圖3和圖4所示，每個所述cmut陣元均包括由下到上依次設置的基座層41，絕緣層42和振動薄膜層43，所述振動薄膜層43上設置有多個圖形化的上電極44，所述基座層上與所述上電極44對應位置設置有下電極45，所述絕緣層42上與所述上電極44對應位置設置有空腔46，每一個上電極44及與其對應的振動薄膜層43、基座層41、下電極45、絕緣層和空腔46構成一個振動微元6，如圖5和圖6所示，為振動微元6的結構示意圖。所述振動薄膜層43上設置有至少2組大小不同的振動微元，大小相同的構成同一組振動微元，不同組的振動微元交錯設置在所述cmut陣元上，所述基座層和振動薄膜層為硅材料制成，所述絕緣層為二氧化硅材料制成，所述上電極和下電極為金屬al材料。

本實施例中，為了實現制作工藝的簡便，不同組振動微元之間具有形同的薄膜厚度和空腔高度，則尺寸較大的振動微元具有較低的特征頻率，尺寸較小的振動微元具有較高的特征頻率；而不同組振動微元的具體尺寸可以隨不同設計要求進行改變。振動微元的組數也可以根據需求進行設置，可以設置為2組，3組或者更多組不同的振動微元；由于不同組振動微元間頻率不同，多組頻率不同的振動微元在cmut陣元上交錯設置，可以大大拓寬cmut陣列的頻率寬度。

本實施例中，cmut陣元的制作工藝如圖7所示，具體可以包括以下步驟：在sio襯底硅層的基座上通過磁控濺射制備好下電極后，在下電極表面通過pecvd方法生長sio2層，在sio2刻蝕得到空腔；采用硅-硅鍵合工藝將基座與soi襯底硅層鍵合，得到soi-硅鍵合片，然后去除soi襯底硅層，得到確定厚度的懸空硅薄膜，最后圖形化刻蝕硅膜，并制備上電極，最后即得到了所述的cmut陣元。本實施例應用表面微加工工藝，采用降低刻蝕速率和淀積速率的方式，在制作過程中實現材料沉積、刻蝕等工藝的精度，提高所制作同組cmut微元腔高、膜厚、微元間距一致，以及cmut陣列長、寬、陣列間距高度一致，并將單步工藝拆分為多次工藝的策略，降低平均工藝誤差，實現cmut的頻率一致和形廓一致以及提高器件批量制造的一致性。

進一步地，如圖2和圖3所示，作為實施例的一種改進，所述cmut陣元可以包括2組大小不同的振動微元，所述2組振動微元的上電極、下電極和空腔均為圓形，第一組振動微元的半徑比第二組振動微元的小，4個第一組振動微元呈正方排列后與所述第二組振動微元均勻交錯設置在所述cmut陣元上。雖然圖2和圖3僅示出了兩組振動微元進行交錯設置的一種方式，但是本領域的技術人員可以根據本發明的技術核心，可以不付出創造性勞動地設想到2組振動微元以其他方式進行交錯設置的實施方式，例如，2組振動微元中，9半徑較小的振動微元和4個半徑較大的振動微元分別均勻排列形成振動微元團后，包括半徑較大的振動微元的振動微元團和包括半徑較小的振動微元的微元團彼此交錯設置在cmut陣元上。或者，在3組甚至更多組振動微元的情況下，以均勻分布的交錯式設置方式來布置圖形化的電極。

進一步地，所述cmut陣元上同一組振動微元的上電極之間均設置有上電極引線47，所述cmut陣元上同一組振動微元的下電極之間也分別設置有下電極引線48，作為實施例的一個改進，cmut陣元內部所述上電極引線47和下電極引線48呈十字交錯設置，如圖8所示，圖中虛線表示下電極及下電極引線，實線表示上電極及上電極引線。由于上下電極之間的引線交錯設置減小了導體的正對面積，則本實施例的cmut陣元具有的圖形化的上電極避免了與下電極金屬互聯部分形成不必要的雜散電容，可以減少換能器的雜散電容。此外，cmut陣元的邊緣處需要設置有引線和跳線，用于將同組振動微元的電極進行全部連接。

進一步地，所述cmut陣元上設置有與每一組振動微元分別對應的上電極引出點，所述pcb板基座上設置有矩形下電極區21和與上電極導線引出孔22，所述cmut陣元通過導電膠固定在所述矩形下電極區域21，cmut陣元上的上電極引出點49通過金線鍵合技術與所述pcb板基座上的上電極導線引出孔22分別一一連接。假設每個cmut陣元包括兩組頻率的振動微元，由于不同頻率的cmut在上下級之間加載的電壓不同，因此，每個cmut設置有2個上電極引出點，cmut上的2個上電極引出點可以分別位于cmut的兩端，此時，需要在pcb板基座上預留兩組上電極導線引出孔22，如圖9所示，為pcb板基座上的上電極導線引出孔與16個cmut陣元的上電極引出點的連接示意圖。

進一步地，本發明的mems換能器的封裝外殼可以為聚氯乙烯材料制成，所述封裝外殼外形為圓形、方形或多邊形平面。

進一步地，為了能夠最大限度地減小寄生電容，降低系統噪聲干擾，本發明采用基于硅通孔技術cmut陣列器件與集成電路集成方法和工藝，利用金屬柱通過位于上層的cmut器件陣列上的通孔將上層cmut器件陣列上的焊盤與下層asic集成電路上的焊盤相連接，實現cmut陣列與前端電路的集成，有效降低信號的噪聲，實現高信噪比微弱信號的檢測。具體方法為在所述cmut陣元上設置通孔，所述通孔內設置用于將cmut陣元上的焊盤與asic集成電路上的焊盤連接的金屬柱，如圖9所示。

進一步地，本發明實施例中，每個cmut陣元之間的間隙小于一個聲波波長，以400khz頻率為例，聲波波長約為3.85mm，每個cmut陣元之間的間距很容易做到小于0.5個聲波波長，則本實施例的mems換能器不僅能夠增加換能器的帶寬，而且還會減少甚至消除換能器柵瓣、抑制換能器主瓣。。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。