一种基于PMUT的SIP电路结构超声测距系统及其封装结构的制作方法

一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统及其封装结构
技术领域
1.本实用新型属于超声测距技术领域，具体涉及一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统及其封装结构。


背景技术：

2.现有超声测距系统常以压电晶片组成的超声波传感器为发射探头和接收探头，配合驱动电路、信号处理电路、控制模块以及合适的计算方法即可实现超声测距，成本低廉、使用方便。但这类压电晶片超声波传感器装配复杂，依赖手工装配，产品无法实现良好的一致性和稳定性，同时由于其体积较大且大部分都是插针式封装无法进行自动化表贴装配，难以应用于大规模阵列当中。
3.目前pmut(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer)微型压电超声换能器仅以传感器形式出现，需单独匹配电路方可进行测距应用，因此本技术提出一种基于pmut 的sip电路结构超声测距系统，将pmut和电路集成封装于同一sip电路封装结构中，在大大减小超声测距传感器系统体积的同时，减小后端处理电路的设计难度。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于：提供一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统及其封装结构，解决现有结构装配复杂，依赖手工装配，产品无法实现良好的一致性和稳定性，同时由于其体积较大且大部分都是插针式封装无法进行自动化表贴装配，难以应用于大规模阵列的问题。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统，包括主控单元、模拟开关、pmut、放大模块、滤波模块、检波模块，所述模拟开关分别与pmut、主控单元、放大模块电连接，所述放大模块与滤波模块电连接，所述滤波模块与检波模块电连接，所述检波模块与主控单元电连接。
7.进一步地，所述pmut为pzt压电薄膜的mems超声测距传感器芯片。
8.进一步地，所述主控单元为mcu微控制单元。
9.进一步地，所述pmut的发射接收面为圆孔腔。
10.一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统的封装结构，包括上层基板、下层基板、连接板，所述连接板与上层基板和下层基板通过锡球连接，还包括基于pmut的sip电路结构超声测距系统，基于pmut的sip电路结构超声测距系统的pmut封装于上基层板上，所述主控单元、模拟开关、放大模块、滤波模块、检波模块设置于下基层板上。
11.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
12.1、本实用新型中，该测距系统通过sip电路封装形式将pmut与其驱动、信号处理模块封装在同一腔体封装结构上，具有极高的集成度。
13.2、本实用新型中，测距系统兼具多种工作模式，即能在自发自收模式下以测距模
式工作，也能在一发多收模式下以阵列形式实现更广的应用。
14.3、本实用新型中，测距系统完整度高，检测结果通过iic输出数字信号，降低了使用难度。
15.4、本实用新型中，测距系统sip结构以pmut为超声发射和接收部，主控单元、模拟开关、放大模块、滤波模块、检波模块集中封装于pmut下侧，大大减小了器件体积。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
17.图1为本实用新型的系统框架图；
18.图2为本实用新型的系统电路原理图；
19.图3为本实用新型的封装结构图。
20.图中标记：1-上层基板、2-下层基板、3-连接板。
具体实施方式
21.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
22.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
26.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间
接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统，包括主控单元、模拟开关、pmut、放大模块、滤波模块、检波模块，所述模拟开关分别与pmut、主控单元、放大模块电连接，所述放大模块与滤波模块电连接，所述滤波模块与检波模块电连接，所述检波模块与主控单元电连接。
28.进一步地，所述pmut为pzt压电薄膜的mems超声测距传感器芯片。
29.进一步地，所述主控单元为mcu微控制单元。
30.进一步地，所述pmut的发射接收面为圆孔腔。
31.一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统的封装结构，包括上层基板、下层基板、连接板，所述连接板与上层基板和下层基板通过锡球连接，还包括基于pmut的sip电路结构超声测距系统，基于pmut的sip电路结构超声测距系统的pmut封装于上基层板上，所述主控单元、模拟开关、放大模块、滤波模块、检波模块设置于下基层板上。
32.本实用新型在实施过程中，包括主控单元、模拟开关、pmut、放大模块、滤波模块、检波模块，所述模拟开关分别与pmut、主控单元、放大模块电连接，所述放大模块与滤波模块电连接，所述滤波模块与检波模块电连接，所述检波模块与主控单元电连接，检波模块最终将信号发送给主控模块的通道进行ad转换。
33.其通过tof(time of flight)飞行时间法进行超声波测距，依据公式(1)s＝c*t，其中c是超声波在介质中的传播速度，t是超声波发射到接收端所需的飞行时间,s为待测物与超声探头的间距。飞行时间t具体指的是回波信号的包络的起始点，但实际应用中，由于噪声干扰，该起始点难以获得，因此，本实用新型以阈值判断法进行飞行时间测算，降低系统复杂度。
34.参阅图1，本实用新型的工作原理为：主控单元产生驱动脉冲，经模拟开关后驱动pmut 发射超声波，驱动脉冲发送完成后切换模拟开关通道，将回波信号接入放大、滤波及检波通道，并将处理后的模拟信号输出给主控单元adc模块进行采集，经主控单元阈值判断和距离计算即可得到待测物距离，并通过i2c总线将检测结果发送给上位机。
35.参阅1和图2，本实用新型具有多种工作模式，可通过iic配置其主从运行模式，不配置时默认为主机，负责发送和接收超声波；配置为从机时，不发送超声波，仅接收回波信号。
36.如图1所示，进一步地，该pmut是一种基于pzt压电薄膜的mems工艺的超声测距传感器芯片。
37.如图1和图2所示，进一步地，图2中
①
放大模块是将回波信号放大的放大电路，将幅值为uv-mv级的回波信号放大至v级。
38.如图1和图2所示，进一步地，图2中
②
为滤波模块，是一个带通滤波电路，将pmut 工作频率以外的干扰信号滤除。
39.如图1和图2所示，进一步地，图2中
③
为检波模块，包含半波整流和滤波电路，将高频回波信号检波为低频包络信号，便于主控单元进行ad转换。
40.如图1和图2所示，进一步地，图2中
④
为模拟开关，是一个2:1型开关，即一端连接主控单元(驱动端)和放大模块(信号接收端)，另一端连接pmut，主控单元的控制信号可控
制该模拟开关切换至驱动端或是信号接收端，实现单个pmut的信号发射与接收切换。
41.如图1和图2所示，进一步地，图2中
⑤
为主控单元，是一款mcu(microcontroller unit) 微控制单元，可配置其gpio(general-purpose input/output)端口为推挽输出模式，并控制模拟开关接通驱动脉冲端口连接pmut，实现pmut驱动脉冲发送；驱动脉冲发送完毕后，控制模拟开关接通放大电路端口连接pmut，实现回波接收；经模拟信号处理电路后的回波信号，进入mcu的adc采集端口进行ad转换；mcu将对ad采集的数据进行实时阈值判断，到采样值超过预设阈值时即认为当前时刻的回波为待测物回波，通过声速计算公式(1)即可对待测物的距离进行解算，得到当前待测物间距。
42.如图3所示，进一步地，该sip电路除所述pmut封装于上基板外，其余器件在下基板平铺放置，muc裸芯、运算放大器裸芯、模拟开关裸芯通过键合方式与基板互连，电路必需的阻容、二极管器件采用绝缘胶粘方式与塑封管壳固定，进一步提高该触控电路装置的集成度，使单位面积内的超声阵元数量大大增加。
43.如图3所示，pmut发射接收面设计为圆孔腔，对pmut起到保护作用。
44.实施例1
45.一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统，包括主控单元、模拟开关、pmut、放大模块、滤波模块、检波模块，所述模拟开关分别与pmut、主控单元、放大模块电连接，所述放大模块与滤波模块电连接，所述滤波模块与检波模块电连接，所述检波模块与主控单元电连接。
46.实施例2
47.在实施例1的基础上，所述pmut为pzt压电薄膜的mems超声测距传感器芯片。
48.实施例3
49.在上述实施例的基础上，所述主控单元为mcu微控制单元。
50.实施例4
51.在上述实施例的基础上，所述pmut的发射接收面为圆孔腔。
52.实施例5
53.一种基于pmut的sip电路结构超声测距系统的封装结构，包括上层基板、下层基板、连接板，所述连接板与上层基板和下层基板通过锡球连接，还包括基于pmut的sip电路结构超声测距系统，基于pmut的sip电路结构超声测距系统的pmut封装于上基层板上，所述主控单元、模拟开关、放大模块、滤波模块、检波模块设置于下基层板上。
54.如上所述即为本实用新型的实施例。前文所述为本实用新型的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述实用新型的验证过程，并非用以限制本实用新型的专利保护范围，本实用新型的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。