基于ScAlN压电微机械超声换能器的小型化时差式超声波流量计

时差式超声波流量计（TTUF）是最广泛使用的流量测量设备之一。然而，传统的TTUF通常基于块体型压电换能器，这限制了其在小直径通道中的应用。

据麦姆斯咨询报道，近日，上海大学的研究人员开发了一种基于掺钪氮化铝（ScAlN）压电微机械超声换能器（PMUT）的小型化TTUF。所提出的TTUF包含两个基于PMUT的收发器和一个π型通道。PMUT包含13  x  13个方形单元，尺寸为2.8  mm x 2.8 mm。为了补偿与液体的声阻抗失配，在PMUT表面上添加一层聚氨酯（PU）作为匹配层。基于PMUT的收发器显示出良好的发射灵敏度（表面压力下为0.94  MPa/V）和接收灵敏度（1.79  mV/kPa），在水中的频率为1  MHz。此外，π型通道的尺寸经过优化，可实现82  ns/（m/s）的测量灵敏度和优于15 dB的信噪比（SNR）。此外，研究人员将制备的PMUT集成到TDC-GP30平台中。实验结果表明，所开发的TTUF在直径为4 mm的通道中实现了2∼300 L/h大范围内流量测量，该通道小于大多数报道的通道。TTUF的准确度和重复性分别在0.2%和1%以内。所提出的TTUF在医疗和化学应用等工业领域中显示出巨大的应用潜力。

在本研究工作中，所开发的流量计由两个基于PMUT的收发器和一个测量通道组成。收发器包含前匹配层、防水层、小型化外壳等。作为块体型压电换能器的小型化替代方案，PMUT以弯曲模式（flexural mode）工作。PMUT由夹在两个钼（Mo）电极和硅（Si）无源层之间的薄膜ScAlN压电层组成。PMUT阵列的设计考虑了许多因素，例如填充因子、工作频率、收发器灵敏度和方向性。最终，PMUT阵列的面积被设计为2.8  mm  x  2.8  mm，PMUT单元间距约为200  μm，阵列数量为13  x  13。根据仿真结果，13  x 13 PMUT阵列在水中的方向性系数约为26.6°。

用于小型化流量计的ScAlN基PMUT

在基于PMUT的收发器中，PMUT和印刷电路板（PCB）之间的连接是通过引线键合实现的。收发器的外径约为6mm。PMUT的前侧覆盖有一层声学匹配层，该匹配层也可用作防水层。为了补偿声阻抗失配，选择聚氨酯作为收发器的匹配层，因为其声阻抗（1.42 MRayl）接近于水的声阻抗。经过表征，收发器的发射灵敏度和接收灵敏度分别为0.94 MPa/V（20 Vpp）和1.79 mV/kPa。

方形PMUT的外接圆直径约为3.96 mm。在小于4 mm的测量通道中，由于通道的阻挡，接收信号的电压幅度大大降低。为了提高检测精度，接收信号的信噪比应为15 dB或更高。综合考虑，测量通道的尺寸应选择在下图b中的绿色区域内。在本研究中，研究人员选择了内径为4 mm、长度为90 mm的测量通道。制造的π型小直径流量计的照片如下图c所示。

测量通道的优化设计

为了在实践中获得最佳性能，流量计应该预先校准。使用曲线拟合数据校准流量计后，在2 ∼ 300 L/h范围内，相对示值误差的最大值小于±0.2%，最大重复性小于1%。注意，除2  L/h外，几乎所有流量的重复性都不超过0.3%，这意味着当流量超过6 L/h时，所开发的流量计符合1.5级仪表的国际标准。

TTUF的测试和校准

总的来说，研究人员使用ScAlN基PMUT制作了一种π型小直径流量计，用于测量液体流量。由于PMUT尺寸较小，封装的收发器可以正确安装在测量通道上。收发器的声学特性表明其作为发射器（表面压力下为0.94 MPa/V）和接收器（1.79 mV/kPa）具有所需的灵敏度。收发器在水中的谐振频率约为1 MHz，表明该器件可以与商用硬件电路集成，用于开发流量计。采用π型通道以降低小直径流量计对时间分辨率的要求。研究人员还进行了声学实验以研究测量通道长度和直径对换能器接收声压的影响，其结果可为设计具有不同灵敏度并适用于不同测量通道直径的流量计提供指导。流量测量是在通道直径为4 mm的流量计中进行的。基于固定阈值法，使用高精度定时芯片（TDC-GP30）检测渡越时间差。结果表明，在2 ∼ 300 L/h范围内，最大相对示值误差小于±0.2%，重复性小于1%，显示了测量小流量的潜力。所开发的流量计适用于化学品混合、药物分配和其他通道受到某些限制领域的各种应用。

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

审核编辑 ：李倩