具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制，则是由权利要求书来确定。

根据本发明的一种基于PMUT的图像声呐接收阵，如图1至图3所示，从上至下依次包括叠合的承压壳体4、一组PMUT模块1、PCB转接板2以及电子仓3；所述PMUT模块1在PCB转接板2上均匀分布组成阵列，且通过其背面的引脚焊盘和PCB转接板2正面的对应焊盘进行焊接，PCB转接板2背面和电子仓3正面均设置有信号传输接口8，PCB转接板2和电子仓3通过信号传输接口8进行固定连接，承压壳体4覆盖在所述PMUT模块1上，PMUT模块1和承压壳体4之间的空腔由耦合剂5填充，承压壳体4通过环氧树脂等灌封胶6与PCB转接板2进行固定粘接。

具体地，所述图像声呐接收阵中，PCB转接板2上包含m×n个均匀分布的PMUT模块1组成的阵列，即该阵列由m行n列个PMUT模块1组成。PMUT模块1是由PMUT芯片10封装得到的一种模块化PMUT器件，所述PMUT芯片10通常由i×j个均匀分布的PMUT阵元组成，即i行j列PMUT阵元组成，每个PMUT阵元可以由一个或多个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(m、n、i、j为正整数)。

不难理解，若m·i和n·j均大于1，则该PMUT接收阵列为二维面阵，可用于3D图像声呐；若m·i等于1，n·j大于1，则该PMUT接收阵列为一维线阵，可用于2D图像声呐接收阵。

所述PMUT芯片10中，PMUT阵元尺寸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，所述PMUT阵元间距d通常由波束形成后的波束图决定。

特别地，若i、j均等于1，即PMUT模块1仅包含一个PMUT阵元，则组成的PMUT接收阵列为均匀阵，即该接收阵所有阵元间距相等，此接收阵在成像时适用直接波形形成算法，也可以将所有阵元进行子阵划分后再用于成像；若i、j不均等于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必需将该接收阵进行子阵划分，子阵的最小单元为一个PMUT模块10。

本发明的以下具体实施例中，将根据发明的构思和宗旨分别对PMUT芯片10和PMUT模块1、PCB转接板2、电子仓3以及承压壳体4进行设计与制造。

组成PMUT接收阵列的PMUT芯片10的基本功能单元为阵元，阵元包括一个或多个基本结构单位——微元。在微电子机械系统(MEMS)技术领域中，如图4所示，所述PMUT微元通常由衬底硅22、顶层硅18、下电极19、上电极20和压电层21等组成，其中下电极19、上电极20和压电层21部分刻蚀后形成所需形状和尺寸的振动薄膜，衬底硅22部分刻蚀后在顶层硅18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。所述的PMUT微元可为圆形，亦可为矩形以及其他多边形。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。

参照图4和图5，PMUT芯片10主要包含i×j均匀分布的PMUT阵元，PMUT阵元包含一个或多个PMUT微元。PMUT阵元内的微元之间通过引线将所有微元的上电极相连，且所有微元共用下电极，实现阵元内的所有PMUT微元并联。PMUT芯片10采用现有MEMS制程中光刻、刻蚀、沉积等工艺进行制造，主要经过以下工艺流程：首先在SOI材料上沉积下电极19、压电层21、上电极20，接着分别对下电极19、压电层21、上电极20图形化并通过PMUT芯片引线16将上、下电极分别引出至PMUT芯片10边框的PMUT芯片焊盘13，最后刻蚀衬底硅22形成空腔结构。

一个具体实例如图5所示，为一个3×3阵元的PMUT芯片10，即i＝3，j＝3，每个阵元由16个PMUT微元17组成，该类面阵PMUT芯片可组成面阵接收阵，主要用于3D图像声呐，该接收阵每个阵元在水平和竖直方向上是对称的，以保证阵元在水平和竖直方向上具有相同的指向性。

另一个具体实例如图6所示，为常规线阵PMUT芯片10阵元示意图，由于2D图像声呐对于接收阵阵元的水平和竖直方向上的指向性要求不同，所以该阵元在水平和竖直方向呈非对称结构。图7所示为根据本发明的线阵PMUT图像声呐接收阵结构示意图，主要用于2D图像声呐，制造工艺与上述3D图像声呐接收阵类似。

PMUT芯片10经过模块化PMUT封装得到PMUT模块1，由管壳9封装PMUT芯片10，PMUT芯片10表面有一空腔区域，使PMUT芯片10上的PMUT阵元裸露。

具体地，管壳9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9采用金属或陶瓷等可可承受较大压力的材质。

进一步地，本发明的基于PMUT的图像声呐接收阵，由于采用MEMS技术加工，所述PMUT可采用与IC兼容的制造工艺，实现与前端电路集成制造或集成封装，从而可大大简化后继处理电路。一种方式是在PMUT芯片10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芯片主要用于对PMUT信号的放大和滤波等功能。

具体地，一种PMUT模块1封装如图8所示，将PMUT芯片10与管壳9对准粘接，待其固化后采用引线键合的方式将PMUT芯片焊盘13与管壳焊盘12通过键合引线11连接；或者另一种PMUT模块1封装如图9所示，将IC芯片15和PMUT芯片10集成封装到PMUT模块1中，首先将IC芯片15与管壳9对准粘接，再将PMUT芯片10与IC芯片15对准粘接，接下来分别使用键合引线11将IC芯片焊盘14与管壳焊盘12以及PMUT芯片焊盘13与IC芯片14焊盘进行连接；最后使用耐高温灌封胶将键合引线11进行密封保护。最终形成的PMUT模块1表面有一空腔区域，以使PMUT芯片10上的PMUT阵元裸露，以实现声波信号的接收。

完成PMUT模块1的封装后，将进行PMUT模块1与PCB转接板2、电子仓3的连接，最后再进行承压壳体4的封装，实现本发明的基于PMUT的图像声呐接收阵。

PMUT模块1分布在PCB转接板2上形成阵列，通过其背面的管壳焊盘12和PCB转接板2正面的对应焊盘进行连接，将PMUT模块1与PCB转接板2进行对准焊接，焊接方式由PMUT模块1的引脚方式所决定，常用采用回流焊，焊接时可采用夹具等装置提高对准及焊接精度。

进一步地，将集成PMUT模块1阵列的PCB转接板2与电子仓3进行焊接，焊接方式可采用回流焊。电子仓3内部包含对每个PMUT阵元接收到的回波信号进行放大、滤波、采集和存储等芯片，将该系列芯片一体化封装至耐压壳体中，并在壳体上表面设置与PCB转接板2相对应的信号传输接口8，在壳体下表面设置与外界通信和数据传输的电子仓通信接口7。使用高温灌封胶对电子仓3进行灌封，以满足水下使用的耐压要求。

为完成所述的基于PMUT的图像声呐接收阵，最后将在其正面封装承压壳体4。承压壳体4采用防水、耐磨、耐压、声阻抗与水接近且声衰减小的材料，具体可由聚氯乙烯、聚苯乙烯、有机玻璃等材料使用模具浇筑而成，如图2所示，承压壳体4背面有一空腔，空腔长宽大于PMUT模块1阵列，空腔高度小于PMUT模块1的高度。

进行封装时，首先将上述PMUT模块1阵列中每个PMUT模块1的空腔中加入耦合剂5，耦合剂5材质通常采用润滑脂或其他膏状耦合剂。

具体地，先将上述PMUT模块1阵列置于可加热的点胶系统中，将耦合剂5和PMUT模块1阵列加热至耦合剂5的滴点以上并滴入每个PMUT模块1空腔的中心区域，所加入的耦合剂体积略小于空腔体积。进一步地，分别将上述PMUT模块1阵列和承压壳体4以水平角度固定在夹具上，并在接收阵的PCB转接板2外框区域涂覆灌封胶6，然后将PMUT模块1阵列和承压壳体4对准后进行粘接。

PMUT模块1空腔内的耦合剂在承压壳体4的压力作用下均匀的填充到阵元区域，该耦合剂在工作温度区间内基本不流动，从而保证PMUT芯片10与承压壳体4之间拥有良好的耦合效果，从而实现声传递。

在上述封装中，可实现PMUT模块1的管壳9与承压壳体4硬接触，以传递深水工作时来自承压壳体4的强大压力，从而避免PMUT芯片10损坏。