時差式超聲波流量計（TTUF）是最廣泛使用的流量測量設備之一。然而，傳統的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用。

據麥姆斯咨詢報道，近日，上海大學的研究人員開發了一種基于摻鈧氮化鋁（ScAlN）壓電微機械超聲換能器（PMUT）的小型化TTUF。所提出的TTUF包含兩個基于PMUT的收發器和一個π型通道。PMUT包含13? x ?13個方形單元，尺寸為2.8? mm x 2.8 mm。為了補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的收發器顯示出良好的發射靈敏度（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型通道的尺寸經過優化，可實現82? ns/（m/s）的測量靈敏度和優于15 dB的信噪比（SNR）。此外，研究人員將制備的PMUT集成到TDC-GP30平臺中。實驗結果表明，所開發的TTUF在直徑為4 mm的通道中實現了2～300 L/h大范圍內流量測量，該通道小于大多數報道的通道。TTUF的準確度和重復性分別在0.2%和1%以內。所提出的TTUF在醫療和化學應用等工業領域中顯示出巨大的應用潛力。

在本研究工作中，所開發的流量計由兩個基于PMUT的收發器和一個測量通道組成。收發器包含前匹配層、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由夾在兩個鉬（Mo）電極和硅（Si）無源層之間的薄膜ScAlN壓電層組成。PMUT陣列的設計考慮了許多因素，例如填充因子、工作頻率、收發器靈敏度和方向性。最終，PMUT陣列的面積被設計為2.8 ?mm? x ?2.8 ?mm，PMUT單元間距約為200 ?μm，陣列數量為13? x ?13。根據仿真結果，13? x 13 PMUT陣列在水中的方向性系數約為26.6°。

用于小型化流量計的ScAlN基PMUT

在基于PMUT的收發器中，PMUT和印刷電路板（PCB）之間的連接是通過引線鍵合實現的。收發器的外徑約為6mm。PMUT的前側覆蓋有一層聲學匹配層，該匹配層也可用作防水層。為了補償聲阻抗失配，選擇聚氨酯作為收發器的匹配層，因為其聲阻抗（1.42 MRayl）接近于水的聲阻抗。經過表征，收發器的發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的測量通道中，由于通道的阻擋，接收信號的電壓幅度大大降低。為了提高檢測精度，接收信號的信噪比應為15 dB或更高。綜合考慮，測量通道的尺寸應選擇在下圖b中的綠色區域內。在本研究中，研究人員選擇了內徑為4 mm、長度為90 mm的測量通道。制造的π型小直徑流量計的照片如下圖c所示。

測量通道的優化設計

為了在實踐中獲得最佳性能，流量計應該預先校準。使用曲線擬合數據校準流量計后，在2?～?300 L/h范圍內，相對示值誤差的最大值小于±0.2%，最大重復性小于1%。注意，除2? L/h外，幾乎所有流量的重復性都不超過0.3%，這意味著當流量超過6 L/h時，所開發的流量計符合1.5級儀表的國際標準。

TTUF的測試和校準

總的來說，研究人員使用ScAlN基PMUT制作了一種π型小直徑流量計，用于測量液體流量。由于PMUT尺寸較小，封裝的收發器可以正確安裝在測量通道上。收發器的聲學特性表明其作為發射器（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，用于開發流量計。采用π型通道以降低小直徑流量計對時間分辨率的要求。研究人員還進行了聲學實驗以研究測量通道長度和直徑對換能器接收聲壓的影響，其結果可為設計具有不同靈敏度并適用于不同測量通道直徑的流量計提供指導。流量測量是在通道直徑為4 mm的流量計中進行的?；诠潭ㄩ撝捣ǎ褂?a target="_blank">高精度定時芯片（TDC-GP30）檢測渡越時間差。結果表明，在2?～?300 L/h范圍內，最大相對示值誤差小于±0.2%，重復性小于1%，顯示了測量小流量的潛力。所開發的流量計適用于化學品混合、藥物分配和其他通道受到某些限制領域的各種應用。

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

審核編輯 ：李倩