基于PMUT的液体密度测量传感器：体积小且功耗低

液体具有多种物理特性，例如密度、黏度和表面张力等，通过测量这些参数可以反映出液体的性质，其中密度是反映液体性质的重要指标之一。例如，在葡萄酒酿制过程中，通过监测葡萄酒发酵时浆液的密度可以判断出葡萄酒发酵的程度和葡萄酒的品质；在医疗领域中，血液中毒与肾功能衰竭会引起血液密度的紊乱，通过测量血液密度可以进行急症的初筛；在石油开采过程中，通过测量石油的密度可以分析计算油田的出产量并制定合理的开采方案。
据麦姆斯咨询报道，为了解决当前传统密度测量装置体积大、功耗高、不易在线测量的问题，长春理工大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究人员合作开发了一种基于压电式微机械超声换能器（PMUT）的液体密度测量传感器，其由两个PMUT（半径为500 μm，在空气中的谐振频率为136 kHz）组成，分别作为发射端与接收端。通过对该传感器在不同密度的介质中所产生的时域信号与频域信号的分析，可以得出液体的密度与PMUT谐振频率的关系，这为微型化可在线测量液体密度传感器的应用奠定了基础。相关研究成果以“基于压电微机械超声换能器的液体密度测量传感器”为题发表在《压电与声光》期刊上。
密度测量原理
1920年，Lamb提出了虚拟质量增加效应，即当一个机械结构在不同密度的介质中振动时，其固有频率会发生不同程度的变化。介质的密度越大，机械结构的谐振频率变化越大。这项研究所开发的液体密度测量传感器即是通过测量PMUT谐振频率的变化来反映液体密度。
PMUT设计与仿真
这项研究采用掺钪元素比例为20%、厚度为1 μm的氮化铝（AlN）作为PMUT压电层，并且使用有限元分析软件和二维轴对称模型对PMUT结构进行建模与仿真。此外，通过添加水、空气等不同的介质域仿真出PMUT处于不同介质中的振动状态和谐振频率。

图1 PMUT二维轴对称模型

首先，使用半径为2000 μm的半球形作为介质域，并且分别导入空气和水等材料。在介质域外侧，建立厚度为50 μm的层结构，作为声波向外扩散的辐射域。在PMUT振膜与介质域接触的位置，介质与PMUT发生耦合作用，并将其定义为声结构边界。通过特征频率仿真得到在一阶谐振状态下PMUT的振型如图2所示，PMUT薄膜中心最大振幅约为1.2 μm。PMUT在真空、空气和水中的谐振频率分别为139.3 kHz、138.6 kHz和33.9 kHz。

图2 PMUT振型图

随后，对PMUT进行频域仿真，以50 kHz作为频域的仿真范围，在不同介质域下PMUT的振动幅值如图3所示。

图3 不同介质域下PMUT的振幅

PMUT制作与性能表征
如图4所示，PMUT采用MEMS工艺进行制作，所获得的PMUT实物图与光学显微镜图像如图5所示。图6为使用阻抗分析仪对该PMUT阻抗值与相位角度进行表征的结果，其谐振频率为136 kHz，与仿真结果相近。产生的误差主要是由背腔深硅刻蚀时，对硅片刻蚀的不均匀性所致。

图4 PMUT加工工艺流程

图5 PMUT实物图和光学显微镜图

图6 PMUT阻抗值和相位角度的表征

基于PMUT的液体密度测量传感器的性能
图7为液体密度测量传感器的实验装置图。在这项实验中，为了减少PMUT的背腔对于超声信号的发射和接收性能的影响，研究人员采用了具有通孔的印刷电路板（PCB）连接PMUT。当振动薄膜双侧均在液体介质中时，作用在PMUT膜上的阻尼效应变大，导致PMUT振动幅值减小，接收端超声信号难以提取，因此，研究人员在PCB背腔孔处粘附一层具有微孔结构的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，其具有防水透声的作用，同时可以有效地减小由声波在背腔内多次反射对薄膜振动状态及接收性能产生的影响。随后，研究人员使用环氧树脂将PMUT与PCB电路板进行封装，并通过超声波键合机将PMUT的上、下电极分别连接至PCB电路板上。接着，研究人员采用BNC屏蔽接口作为传感器的输入、输出端口，连接外部信号设备。最后，使用甘油和无水乙醇分别与去离子水以一定比例混合，制成不同密度的待测液体。

图7 实验装置图

实验结果表明，该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系，当液体密度为776 kg/m³ ~ 1150 kg/m³时，PMUT具有良好的响应，灵敏度为17 Hz/kg/m³。与传统的液体密度测量传感器相比，这项研究制作的传感器体积小、功耗低，而且可以用于液体密度的在线测量。此外，PMUT收发分置的工作方式还可以对超声波的能量耗散进行测量，从而为液体多参数测量的研究提供了新手段。
论文信息：
DOI：10.11977/j.issn.1004-2474.2023.03.011