一种基于PMUT的图像声呐接收阵及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于PMUT的图像声呐接收阵及其制造方法。所述的图像声呐接收阵包括承压壳体、PMUT模块、PCB转接板和电子仓；所述的PMUT模块在PCB转接板上均匀分布组成阵列，通过引脚焊盘和PCB转接板进行连接，所述的PCB转接板和电子仓通过信号传输接口进行连接，所述的承压壳体覆盖在PMUT模块上，并与PCB转接板粘接；所述PMUT模块包括管壳和封装于管壳中的PMUT芯片，PMUT芯片表面形成空腔，PMUT阵元裸露，空腔内填充耦合剂。本发明专利技术可实现图像声呐接收阵阵元高一致性制造以及阵元的全连接。呐接收阵阵元高一致性制造以及阵元的全连接。呐接收阵阵元高一致性制造以及阵元的全连接。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PMUT的图像声呐接收阵及其制造方法


[0001]本专利技术属于水声成像
，涉及一种图像声呐接收阵，具体涉及一种基于压电微机械超声换能器(PMUT，Piezoelectric micromachined ultrasound transducer)的图像声呐接收阵及其制造方法。

技术介绍

[0002]图像声呐是一种能够直观获取水下目标区域图像的一种探测成像设备。图像声呐通常由发射换能器阵、接收换能器阵以及信号采集处理与控制系统组成。
[0003]接收换能器阵作为图像声呐电声转换元件，其性能将直接影响成像质量。图像声呐接收阵通常由几百至数千个接收阵元组成，而阵元的接收灵敏度、带宽以及一致性等参数将最终决定图像声呐接收阵的性能。
[0004]常规接收换能器阵通常是将块体的压电陶瓷通过机械刻槽的方式形成接收阵阵元，然后再对各阵元正负电极进行引线。图像声呐接收阵对阵元的灵敏度、带宽，尤其是一致性有着较高的要求，因而传统制造工艺对高一致性制造，以及数千个阵元实现全连接的引线显得尤为困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的图像声呐接收阵及其制造方法，以解决现有图像声呐接收阵阵元高一致性制造以及阵元的全连接上存在的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供的一种基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，包括承压壳体、PMUT模块、PCB转接板和电子仓；所述的PMUT模块在PCB转接板上均匀分布组成阵列，且通过其引脚焊盘和PCB转接板进行连接，所述的PCB转接板和电子仓通过信号传输接口进行连接，所述的承压壳体覆盖在所述PMUT模块上，承压壳体通过灌封胶与PCB转接板粘接；所述PMUT模块包括管壳和封装于管壳中的PMUT芯片，所述的PMUT芯片包含均匀分布的PMUT阵元，封装后的PMUT模块在PMUT芯片表面形成空腔区域，PMUT阵元裸露，以实现声波信号的接收；所述PMUT模块与承压壳体之间的空腔由耦合剂填充。
[0007]进一步地，所述图像声呐接收阵中，PCB转接板上包含m
×
n个均匀分布的PMUT模块组成的阵列，即由m行n列个PMUT模块组成，其中m、n为正整数。所述PMUT芯片通常包含均匀分布的i
×
j PMUT阵元，即i行j列个阵元组成的阵列，其中i、j为正整数。每个阵元由一个或多个PMUT微元组成。因此，所述图像声呐接收阵中，包含m
·
i
×
n
·
j个PMUT阵元组成的PMUT接收阵列(其中m、n、i、j为正整数)。
[0008]具体地，若m
·
i和n
·
j均大于1，则组成的PMUT接收阵列为二维面阵，可用于3D图像声呐；若m
·
i和n
·
j其中之一等于1，另一个大于1，则组成的PMUT接收阵列为一维线阵，可用于2D图像声呐接收阵。
[0009]所述PMUT阵元尺寸是由图像声呐对单阵元在水平和竖直方向上的指向性要求所
决定的，所述PMUT阵元间距通常由波束形成后的波束图决定。
[0010]特殊地，若i、j均等于1，即每一个PMUT模块仅包含一个PMUT阵元，则组成的PMUT接收阵列为均匀阵，其中所有阵元间距相等，此接收阵在成像时适用直接波形束形成算法，也可以将所有阵元进行子阵划分后再用于成像；若i、j不同时等于1，则该PMUT接收阵列为非均匀阵，使用波束形成算法成像时则需将该接收阵列进行子阵划分，子阵的最小单元为一个PMUT模块。
[0011]进一步地，本专利技术的基于PMUT的图像声呐接收阵，可采用基于MEMS技术及与IC兼容的制造工艺或集成封装技术，大大简化后继处理电路。在所述的PMUT模块中，一种方式是在PMUT芯片上集成制造IC电路，另一种方式是采用较为成熟的三维堆叠封装方案，将IC芯片和PMUT芯片集成封装到PMUT模块中。所述的IC电路或IC芯片主要是用于对PMUT信号的放大和滤波等功能的电路或模块。
[0012]进一步地，所述的PMUT模块中，管壳的封装可采用DFN、QFN、LGA等多种小尺寸封装形式。为实现耐压的要求，管壳可采用金属或陶瓷等可承受较大压力的材质。
[0013]具体地，基于MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，MEMS)工艺，本专利技术中作为接收换能器的PMUT，其基本结构单元为PMUT微元。作为本领域通常的一种形式，所述PMUT微元包括衬底硅、顶层硅、下电极、上电极和压电层，其中下电极、上电极和压电层部分刻蚀后形成振动薄膜，衬底硅部分刻蚀后在顶层硅下方形成空腔结构，所述振动薄膜与其相对应的空腔结构构成一个PMUT微元。
[0014]可选地，所述的PMUT微元为圆形，亦可为长方形或其他多边形。所述PMUT微元的灵敏度、带宽、声阻抗等特性可通过结构设计和材料改进等进行优化。
[0015]作为PMUT芯片的基本功能单元，PMUT阵元包括一个PMUT微元或多个并联的PMUT微元。所述PMUT阵元内的PMUT微元之间通过引线将所有PMUT微元的上电极相连，且所有PMUT微元共用下电极，实现PMUT阵元内的所有PMUT微元并联。
[0016]所述的PMUT芯片中，所述PMUT阵元的上、下电极通过PMUT芯片引线引出至PMUT芯片焊盘。
[0017]所述的PMUT模块中，PMUT芯片与管壳粘接固化后，采用引线键合的方式将PMUT芯片焊盘与管壳上的引脚焊盘通过键合引线连接，键合引线由灌封胶进行密封保护；当采用与IC芯片集成封装时，首先将IC芯片与管壳粘接，再将PMUT芯片与IC芯片粘接，分别使用键合引线将IC芯片焊盘与管壳上的引脚焊盘，以及PMUT芯片焊盘与IC芯片焊盘连接，键合引线由灌封胶进行密封保护。
[0018]所述的PCB转接板可以根据PMUT模块选择采用。PMUT模块的引脚焊盘和PCB转接板的连接可以采用焊接方式，由PMUT模块的引脚方式所决定，常用回流焊，焊接时可采用夹具等装置提高对准及焊接精度。所述的PCB转接板背面设置信号传输接口，用于连接电子仓。
[0019]所述电子仓内包括放大、滤波、采集和存储电路、模块或芯片，实现对各PMUT阵元接收的信号进行放大、滤波、采集和存储等功能，并在其正面和背面提供相应的接口分别与PCB转接板和外部控制系统连接。
[0020]所述承压壳体背面有一空腔，空腔长宽大于PMUT模块阵列，空腔高度小于PMUT模块的高度。承压壳体与PCB转接板粘接后，PMUT模块的管壳与承压壳体硬接触，以传递深水工作时来自承压壳体的强大压力，从而避免PMUT芯片的损坏。承压壳体通常采用声阻抗与
水相近、声衰减较小且耐腐蚀的材料，具体包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、有机玻璃等材料。
[0021]所述耦合剂可根据声阻抗匹配、声衰减以及流动性等条件选择。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，包括承压壳体、PMUT模块、PCB转接板和电子仓；所述的PMUT模块在PCB转接板上均匀分布组成阵列，且通过其引脚焊盘和PCB转接板进行连接，所述的PCB转接板和电子仓通过信号传输接口进行连接，所述的承压壳体覆盖在所述PMUT模块上，并与PCB转接板粘接；所述PMUT模块包括管壳和封装于管壳中的PMUT芯片，所述的PMUT芯片包含均匀分布的PMUT阵元，封装后的PMUT模块在PMUT芯片表面形成空腔，PMUT阵元裸露；所述PMUT模块与承压壳体之间的空腔填充耦合剂。2.根据权利要求1所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，所述的PMUT模块组成m
×
n阵列，所述PMUT芯片包含组成i
×
j阵列的PMUT阵元，其中m、n、i、j为正整数；所述图像声呐接收阵为二维面阵，其中m
·
i和n
·
j均大于1；或者，所述图像声呐接收阵为一维线阵，其中m
·
i和n
·
j中有且只有一个等于1。3.根据权利要求1所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，所述的PMUT模块中，所述PMUT芯片上还包含IC电路；所述的IC电路为PMUT信号的放大和滤波电路或模块。4.根据权利要求1所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，所述的PMUT模块中还包含IC芯片；所述的IC芯片为PMUT信号的放大和滤波电路或模块。5.根据权利要求1所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，所述的PMUT模块中，管壳的封装采用DFN、QFN或LGA封装形式；管壳采用金属或陶瓷材质。6.根据权利要求1所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，所述PMUT芯片中，所述PMUT阵元包括一个PMUT微元或多个并联的PMUT微元，PMUT微元之间通过引线将所有PMUT微元的上电极相连，且所有PMUT微元共用下电极；所述PMUT阵元的上、下电极通过PMUT芯片引线引出至PMUT芯片焊盘。7.根据权利要求1、3或4任一所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，其特征在于，所述的PMUT模块中，PMUT芯片与管壳粘接固化后，采用引线键合的方式将...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐方良，何野，徐波，
申请(专利权)人：江苏英特神斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：