基于ScAlN壓電微機(jī)械超聲換能器的小型化時(shí)差式超聲波流量計(jì)

時(shí)差式超聲波流量計(jì)（TTUF）是最廣泛使用的流量測(cè)量設(shè)備之一。然而，傳統(tǒng)的TTUF通?；趬K體型壓電換能器，這限制了其在小直徑通道中的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，上海大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于摻鈧氮化鋁（ScAlN）壓電微機(jī)械超聲換能器（PMUT）的小型化TTUF。所提出的TTUF包含兩個(gè)基于PMUT的收發(fā)器和一個(gè)π型通道。PMUT包含13? x ?13個(gè)方形單元，尺寸為2.8? mm x 2.8 mm。為了補(bǔ)償與液體的聲阻抗失配，在PMUT表面上添加一層聚氨酯（PU）作為匹配層?；赑MUT的收發(fā)器顯示出良好的發(fā)射靈敏度（表面壓力下為0.94? MPa/V）和接收靈敏度（1.79? mV/kPa），在水中的頻率為1? MHz。此外，π型通道的尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)82? ns/（m/s）的測(cè)量靈敏度和優(yōu)于15 dB的信噪比（SNR）。此外，研究人員將制備的PMUT集成到TDC-GP30平臺(tái)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的TTUF在直徑為4 mm的通道中實(shí)現(xiàn)了2～300 L/h大范圍內(nèi)流量測(cè)量，該通道小于大多數(shù)報(bào)道的通道。TTUF的準(zhǔn)確度和重復(fù)性分別在0.2%和1%以內(nèi)。所提出的TTUF在醫(yī)療和化學(xué)應(yīng)用等工業(yè)領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

在本研究工作中，所開(kāi)發(fā)的流量計(jì)由兩個(gè)基于PMUT的收發(fā)器和一個(gè)測(cè)量通道組成。收發(fā)器包含前匹配層、防水層、小型化外殼等。作為塊體型壓電換能器的小型化替代方案，PMUT以彎曲模式（flexural mode）工作。PMUT由夾在兩個(gè)鉬（Mo）電極和硅（Si）無(wú)源層之間的薄膜ScAlN壓電層組成。PMUT陣列的設(shè)計(jì)考慮了許多因素，例如填充因子、工作頻率、收發(fā)器靈敏度和方向性。最終，PMUT陣列的面積被設(shè)計(jì)為2.8 ?mm? x ?2.8 ?mm，PMUT單元間距約為200 ?μm，陣列數(shù)量為13? x ?13。根據(jù)仿真結(jié)果，13? x 13 PMUT陣列在水中的方向性系數(shù)約為26.6°。

用于小型化流量計(jì)的ScAlN基PMUT

在基于PMUT的收發(fā)器中，PMUT和印刷電路板（PCB）之間的連接是通過(guò)引線鍵合實(shí)現(xiàn)的。收發(fā)器的外徑約為6mm。PMUT的前側(cè)覆蓋有一層聲學(xué)匹配層，該匹配層也可用作防水層。為了補(bǔ)償聲阻抗失配，選擇聚氨酯作為收發(fā)器的匹配層，因?yàn)槠渎曌杩梗?.42 MRayl）接近于水的聲阻抗。經(jīng)過(guò)表征，收發(fā)器的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度分別為0.94 MPa/V（20 Vpp）和1.79 mV/kPa。

方形PMUT的外接圓直徑約為3.96 mm。在小于4 mm的測(cè)量通道中，由于通道的阻擋，接收信號(hào)的電壓幅度大大降低。為了提高檢測(cè)精度，接收信號(hào)的信噪比應(yīng)為15 dB或更高。綜合考慮，測(cè)量通道的尺寸應(yīng)選擇在下圖b中的綠色區(qū)域內(nèi)。在本研究中，研究人員選擇了內(nèi)徑為4 mm、長(zhǎng)度為90 mm的測(cè)量通道。制造的π型小直徑流量計(jì)的照片如下圖c所示。

測(cè)量通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了在實(shí)踐中獲得最佳性能，流量計(jì)應(yīng)該預(yù)先校準(zhǔn)。使用曲線擬合數(shù)據(jù)校準(zhǔn)流量計(jì)后，在2?～?300 L/h范圍內(nèi)，相對(duì)示值誤差的最大值小于±0.2%，最大重復(fù)性小于1%。注意，除2? L/h外，幾乎所有流量的重復(fù)性都不超過(guò)0.3%，這意味著當(dāng)流量超過(guò)6 L/h時(shí)，所開(kāi)發(fā)的流量計(jì)符合1.5級(jí)儀表的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

TTUF的測(cè)試和校準(zhǔn)

總的來(lái)說(shuō)，研究人員使用ScAlN基PMUT制作了一種π型小直徑流量計(jì)，用于測(cè)量液體流量。由于PMUT尺寸較小，封裝的收發(fā)器可以正確安裝在測(cè)量通道上。收發(fā)器的聲學(xué)特性表明其作為發(fā)射器（表面壓力下為0.94 MPa/V）和接收器（1.79 mV/kPa）具有所需的靈敏度。收發(fā)器在水中的諧振頻率約為1 MHz，表明該器件可以與商用硬件電路集成，用于開(kāi)發(fā)流量計(jì)。采用π型通道以降低小直徑流量計(jì)對(duì)時(shí)間分辨率的要求。研究人員還進(jìn)行了聲學(xué)實(shí)驗(yàn)以研究測(cè)量通道長(zhǎng)度和直徑對(duì)換能器接收聲壓的影響，其結(jié)果可為設(shè)計(jì)具有不同靈敏度并適用于不同測(cè)量通道直徑的流量計(jì)提供指導(dǎo)。流量測(cè)量是在通道直徑為4 mm的流量計(jì)中進(jìn)行的。基于固定閾值法，使用高精度定時(shí)芯片（TDC-GP30）檢測(cè)渡越時(shí)間差。結(jié)果表明，在2?～?300 L/h范圍內(nèi)，最大相對(duì)示值誤差小于±0.2%，重復(fù)性小于1%，顯示了測(cè)量小流量的潛力。所開(kāi)發(fā)的流量計(jì)適用于化學(xué)品混合、藥物分配和其他通道受到某些限制領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-023-00518-y

審核編輯 ：李倩