[发明专利]一种超宽频带MEMS换能器

说明书

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。

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。