基于小型化CMUT封装单元的环阵测试装置及其制备方法

本发明属于传感器，特别涉及小型化传感器的封装及测试，具体是一种基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置及其制备方法。

背景技术：

1、随着超声医学检测技术的不断发展，传统的压电式微机械超声换能器（pmut）在检测中的问题逐渐凸显出来，由于压电换能器与介质阻抗不匹配，严重影响了换能器的收发性能与灵敏度，另外传统pmut的带宽较窄，横向分辨率不高，导致三维成像不够清晰，还存在着不易于集成，制作过程中工艺的局限性的诸多因素的影响，因此难以取得更大的突破。

2、基于mems技术制作的压电式微机械超声换能器（cmut）具有传统pmut不具备的优点，如：（1）具有较低的声阻抗，不需要复杂的阻抗匹配层，易于与空气、水、人体组织等介质的阻抗匹配；（2）易于实现高密度阵元集成制造，可以减小体积，实现微型化；（3）灵敏度更高，一致性更好，可重复性和精密性更高；（4）带宽更宽，横向分辨率更高，成像更清晰；（5）结构和制作工艺简单，易于制成换能器阵列和批量生产，可降低成本。基于上述cmut存在的众多优点，使得cmut在超声检测领域将会有更加重要的作用，并逐渐取代传统压电换能器。

3、电容式微机械超声换能器是利用薄膜振动产生或接收的超声进行能量的转换。当处于发射模式时，在cmut两端施加直流偏置电压与交流电压，直流偏置电压使薄膜在静电作用下产生弯曲，在交流电压的作用下，上下极板产生变化的静电吸引力，使薄膜振动，发出超声。当处于接收模式时，直流偏置电压使薄膜产生弯曲，入射超声波引起薄膜振动，从而导致电容变化，达到检测入射超声波的目的。通过以上步骤实现cmut的发射与接收超声波。由于目前cmut测试要在水中进行，为防止在施加电压时漏电损坏器件，所以要对cmut及其pcb板整体进行封装。而对于尺寸较小的cmut结构，如何保证cmut及其pcb板整体封装的完整性以及封装后cmut器件的稳定性，成为目前需要解决的首要问题。

4、另外由于目前cumt的指向性有待提高，发射声压较低等劣势，导致在测试cmut收发信号并对其进行成品筛选的过程中，对cmut的对准位置精度要求较高，尤其是对于尺寸较小且数量较多的环形阵列，要求更高，一旦对准位置有所误差，必将影响对cmut收发性能的判断。目前可以应用于cmut环阵信号测试的装置较少，大多采用人为贴片来进行测试，难以保证cmut对准时位置精确无误，其存在的误差将影响cmut发射与接收信号的大小。而且人为贴片费时费力，效率低下。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于小型化cmut的封装模具、通过该封装模具得到的小型化cmut封装单元以及基于该小型化cmut封装单元的环阵测试装置，它们配合使用以保证封装完整并精确实现多个传感器的定位和对准，使测试结果更加真实准确。

2、本发明的第一个目的是提供一种基于小型化cmut的封装模具，其是通过如下技术方案实现的：

3、一种基于小型化cmut的封装模具，包括夹具和槽具；夹具包括u型架体，u型架体的底板中间位置处设置有长方体支撑台，u型架体的两个侧板上分别开设有第一导线孔；槽具包括长方体基块，长方体基块的顶面开设有若干封装卡槽，封装卡槽由长方体基块的顶面向下开设形成，若干封装卡槽沿长方体基块的长度方向成排均布设置；长方体基块的前、后侧面上对应每个封装卡槽的位置分别开设有与封装卡槽相通的第一导线卡槽，第一导线卡槽的顶部槽口延通至长方体基块的顶面；封装卡槽的尺寸与u型架体的尺寸相匹配，第一导线卡槽的宽度与导线的直径相匹配。

4、优选的，槽具上的封装卡槽设置有10个。

5、本发明的第二个目的是提供一种通过上述封装模具得到的小型化cmut封装单元，其是通过如下技术方案实现的：

6、一种小型化cmut封装单元，包括小型化cmut单元，小型化cmut单元安装在上述封装模具中夹具的u型架体上，其中，小型化cmut单元的pcb板支撑在长方体支撑台上，小型化cmut单元的上下极导线分别穿过两个侧板上的第一导线孔后延伸至u型架体外侧；将安装小型化cmut单元的u型架体整体安装在上述封装模具中槽具的封装卡槽内，小型化cmut单元的上、下极导线分别穿过两侧的第一导线卡槽后延伸至长方体基块外侧；向封装卡槽注入封装胶体，静置加热后，封装胶体凝固，封装胶体将小型化cmut单元和夹具封装成一个整体，将该整体从槽具中取出，即得到所述的小型化cmut封装单元。

7、优选的，小型化cmut单元包括cmut芯片、pcb板、上极导线和下极导线；pcb板的正面中心处设置有方形芯片区域，pcb板的两端分别设置有上极pad点和下极pad点；cmut芯片通过导电银浆固定在pcb板上的方形芯片区域内，上极导线与pcb板上的上极pad点焊接固定，下极导线与pcb板上的下极pad点焊接固定。

8、优选的，封装胶体采用pdms胶。

9、本发明的第三个目的是提供一种基于上述小型化cmut封装单元的环阵测试装置，其是通过如下技术方案实现的：

10、一种基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置，包括圆环形柱体，圆环形柱体的内环面开设有若干安装卡槽，安装卡槽由圆环形柱体的内环面向外开设形成，若干安装卡槽沿圆环形柱体内环面一圈成排均布设置；圆环形柱体的内环面上对应每个安装卡槽顶端和底端的位置分别开设有与安装卡槽相通的第二导线卡槽，圆环形柱体的外环面上对应每个第二导线卡槽的位置分别开设有与第二导线卡槽相通的第二导线孔；将上述小型化cmut封装单元安装在圆环形柱体内环面上的各安装卡槽内，小型化cmut封装单元的上、下极导线分别从圆环形柱体外环面上对应的第二导线孔中穿出，即得到所述的基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置。

11、优选的，圆环形柱体上的安装卡槽设置有128个。

12、本发明的第四个目的是提供一种上述基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置的制备方法，其是通过如下技术方案实现的：

13、一种基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置的制备方法，包括如下步骤：

14、1）封装模具的制作

15、封装模具包括夹具和槽具；夹具包括u型架体，u型架体的底板中间位置处设置有长方体支撑台，u型架体的两个侧板上分别开设有第一导线孔；槽具包括长方体基块，长方体基块的顶面开设有若干封装卡槽，封装卡槽由长方体基块的顶面向下开设形成，若干封装卡槽沿长方体基块的长度方向成排均布设置；长方体基块的前、后侧面上对应每个封装卡槽的位置分别开设有与封装卡槽相通的第一导线卡槽，第一导线卡槽的顶部槽口延通至长方体基块的顶面；封装卡槽的尺寸与u型架体的尺寸相匹配，第一导线卡槽的宽度与导线的直径相匹配。

16、2）小型化cmut单元的制作

17、小型化cmut单元包括cmut芯片、pcb板、上极导线和下极导线，cmut芯片固定在pcb板的表面，上极导线和下极导线分别连接在pcb板的两端。

18、3）小型化cmut封装单元的制作

19、将小型化cmut单元安装在封装模具中夹具的u型架体上，其中，pcb板支撑在长方体支撑台上，cmut芯片朝上设置，上极导线和下极导线分别穿过两个侧板上的第一导线孔后延伸至u型架体外侧；将安装小型化cmut单元的u型架体整体安装在封装模具中槽具的封装卡槽内，上极导线和下极导线分别穿过两侧的第一导线卡槽后延伸至长方体基块外侧；向封装卡槽注入封装胶体，静置加热后，封装胶体凝固，封装胶体将小型化cmut单元和夹具封装成一个整体，将该整体从槽具中取出，即得到所述的小型化cmut封装单元。

20、4）基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置的制作

21、环阵测试装置包括圆环形柱体，圆环形柱体的内环面开设有若干安装卡槽，安装卡槽由圆环形柱体的内环面向外开设形成，若干安装卡槽沿圆环形柱体内环面一圈成排均布设置；圆环形柱体的内环面上对应每个安装卡槽顶端和底端的位置分别开设有与安装卡槽相通的第二导线卡槽，圆环形柱体的外环面上对应每个第二导线卡槽的位置分别开设有与第二导线卡槽相通的第二导线孔；将权利要求2得到的小型化cmut封装单元安装在圆环形柱体内环面上的各安装卡槽内，小型化cmut封装单元的上、下极导线分别从圆环形柱体外环面上对应的第二导线孔中穿出，即得到所述的基于小型化cmut封装单元的环阵测试装置。

22、优选的，步骤1）中，槽具上的封装卡槽设置有10个；步骤2）中，小型化cmut单元包括cmut芯片、pcb板、上极导线和下极导线，pcb板的正面中心处设置有方形芯片区域，pcb板的两端分别设置有上极pad点和下极pad点，cmut芯片通过导电银浆固定在pcb板上的方形芯片区域内，上极导线与pcb板上的上极pad点焊接固定，下极导线与pcb板上的下极pad点焊接固定；步骤3）中，封装胶体采用pdms胶；步骤4）中，圆环形柱体上的安装卡槽设置有128个。

23、首先，本发明设计了一套特殊结构的封装模具，通过该封装模具完成了对小型化cmut的完好封装，其具有操作简单、封装效率高、封装密封性强等优点；其次，本发明通过封装模具还得到了一种全新设计的小型化cmut封装单元，封装模具中的夹具直接被封装在了该封装单元中，与封装单元融为一体，因此该夹具既为封装工具，也为封装单元的组成部分，设计巧妙，同时得到的封装单元的密封性强，彻底杜绝了在水中施加电压时因漏电而损坏器件的情况，封装单元中由于夹具的存在，使得芯片支撑固定稳定，从而使其工作性能稳定可靠；最后通过得到的小型化cmut封装单元又得到了一种全新设计的环阵测试装置，通过该环阵测试装置，提高了cmut环形阵列位置的精确性，既保证了cmut收发距离（优选20mm），又保证了cmut的对准精度，从而避免了由于位置精度误差导致的信号大小不准确的问题；同时安装简单方便，节省了人为对准的时间，大大提高了测试的效率。另外，通过本发明环阵测试装置，还实现了若干cmut间的一发一收，一发多收等功能。

24、本发明中，封装模具与测试装置两部分配套使用。通过封装模具的封装，既保证了形状尺寸一致，又达到封装防水的目的，可应用于水下测试。测试装置保证了器件的对准位置精度，避免了位置误差对收发信号的影响。由于器件形状尺寸一致，此测试装置可拆卸后重复使用，减少了安装与对准时间，大大提高了测试效率。另外，本发明还适用于不同尺寸，不同收发距离，不同阵元数目的环阵测试当中。