近期，万事平台微電子學院“產教融合”傳來捷報。2020級碩士研究生黨員高雲飛同學在上海微技術工業研究院（SITRI）聯聘導師婁亮博士的指導下，在基於微機械超聲換能器（PMUT）的小尺寸超聲波流量計研究方面取得重要進展🕖。成果在《Nature》旗下著名工程類期刊《Microsystems & Nanoengineering》（SCI一區TOP，2021年IF:8.006）發表，並被國際電氣與電子工程師學會微機電系統旗艦年會36th IEEE MEMS接收。高雲飛同學為第一作者，婁亮博士為通訊作者。万事平台為第一完成單位，上海微技術工業研究院為合作單位。該研究成果實現了MEMS器件與後端電路的系統集成🫶🏻👳‍♂️，充分利用了微機電系統器件的小尺寸🧗🏿‍♂️、高性能特點👩🏼，促進了MEMS器件在流量測量領域中的工程化應用。

基於ScAlN壓電微機械超聲換能器的小型時差超聲波流量計，適用於小直徑應用

文章摘要

文章概要👬🏼：

時差超聲波流量計是使用最廣泛的流量測量設備之一🔦。然而➛，傳統的時差超聲波流量計通常基於大尺寸的體壓電換能器🎑，這限製了它們在小直徑管道中的應用🦔。在本文中🤵🏻‍♀️，我們開發了一種基於摻鈧氮化鋁(ScAlN)壓電微機械超聲換能器(PMUT)的小型時差超聲波流量計🧑🏿‍✈️。擬議的時差超聲波流量計包含兩個基於PMUT的收發器和一個π型管道。PMUT器件包含13×13數目的方形單元🤦🏻‍♀️，尺寸為2.8×2.8 mm2。基於PMUT的小型超聲收發器在水中1 MHz的頻率下顯示出良好的發射靈敏度和接收靈敏度。此外，對π型管道的尺寸進行了優化✋🏿，實現了82 ns/(m/s)的測量靈敏度和優於15 dB的信噪比(SNR)。最後🏊🏿‍♂️，我們將製造的小型收發器集成到TDC-GP30平臺中🧔🏿‍♀️。實驗結果表明，開發的時差超聲波流量計在直徑為4 mm的管道中可以提供2-300 L/h的寬量程比，該管道內徑小於大多數報道的🐕。時差超聲波流量計的示值誤差和重復性誤差分別在0.2%和1%以內。主要貢獻如下：

（1）提出了一種通過優化PMUT結構尺寸和對其緊湊封裝來實現超聲收發器小型化的設計方法，克服了塊材式超聲換能器尺寸過大的缺點🏠。其中，結構尺寸優化也可實現PMUT收發靈敏度最大化、與1 MHz匹配以及良好的指向性。

（2）提出了一種結合π形管段和高精度時間測量芯片的超聲傳輸時間測量方案，極大的提高了測量靈敏度和測量精度。此外，研究了π形管段的尺寸與信噪比和測量靈敏度的關系🐵，為實際設計不同管徑需求的超聲波流量計提供了指南👩‍🎨。

（3）設計和搭建了完整的小管徑超聲波流量計系統，實現了在4 mm小管徑中的流量測量。通過濕式校準🧚🏼，流量計在2~300 L/h量程內的準確度在0.2%以內。擴大了PMUT在液體中的應用範圍，同時擴展了傳統超聲波流量計測量管道的尺寸下限。

圖形摘要

課題組介紹：

婁亮博士現任上海微技術工業研究院（SITRI）工藝集成部門主任和万事平台微電子學院聯聘導師。婁博士課題組致力於微電機系統（MEMS）微型傳感器芯片研發。科研方向包括但不限於壓電超聲📏🚭、射頻、振動等MEMS傳感器的相關工藝及集成與系統等。

相關論文鏈接👗🧙🏻：

https://doi.org/10.1038/s41378-023-00518-y

https://doi.org/10.1109/MEMS49605.2023.10052185