基于壓電微機械超聲換能器的液體密度測量傳感器

周紅宇,張玉超,苗 斌,李加東

(1.長春理工大學 機電工程學院,吉林 長春 130012;2.中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所 輕量化實驗室,江蘇 蘇州 215123)

0 引言

液體具有多種物理特性,如密度、黏度、表面張力等,通過檢測這些參數可以反映出液體的性質,其中密度是反映液體性質的重要指標之一。如葡萄酒釀制過程中,通過監測葡萄酒發酵時漿液的密度可以判斷出葡萄酒發酵的程度和葡萄酒的品質;在醫療領域中,血液中毒與腎功能衰竭會引起血液密度的紊亂,通過檢測血液密度可進行急癥的初篩;在石油開采過程中,通過檢測石油的密度可分析計算油田的出產量并制定合理的開采方案。

測量液體密度的方法包括電容式、射線式、超聲波式、諧振式等[1-4]。電容式液體密度傳感器是通過檢測極板間電容變化的方式實現密度測量,這種傳感器結構簡單,但分辨率較差,應用場景有限。射線式液體密度傳感器是通過檢測衰減后的射線強度完成密度測量,這種傳感器常用于高溫高壓環境,其輻射源產生的輻射會危害人體健康。超聲波式液體密度傳感器是通過測量超聲波在介質中傳播速度和時間的方式測量密度,這種傳感器常用于資源的管道運輸,可進行非接觸在線測量,但檢測速度較慢,對液體環境要求較高。諧振式液體密度傳感器是利用諧振子的振動特性進行密度測量,這種測量方式響應迅速,測量精度高,可在線測量,但是傳統諧振子結構復雜,不易加工。近年來,隨著檢測儀器微型化需求的增多以及微機電系統(MEMS)技術的發展,誕生了諸多微型液體密度檢測傳感器。與傳統液體密度傳感器相比,基于MEMS技術的傳感器具有體積小、低功耗、快速響應等優勢,其種類主要有懸臂梁式密度傳感器[5]、聲表面波(SAW)傳感器[6]及壓電超聲傳感器[7]。其中懸臂梁式密度傳感器的質量因子較低,故而共振的位移檢測較難。SAW傳感器的諧振頻率較高,導致后端檢測電路復雜。與上述傳感器相比,壓電超聲傳感器具有體積小、功耗低、信號易提取等優勢,近幾年在密度檢測領域中頗受關注。如2020年Baptiste Neff等[8]采用由PZT壓電陶瓷驅動器驅動的自由懸浮矩形振動板進行液體密度和黏度的測量,該傳感器在水中的諧振頻率為103 kHz,振動板的長度是40 mm,寬度是30 mm,其尺寸較大;2021年Kaustav Roy團隊[9]制作了靈敏度為26.3 Hz/kg/m3的圓形雙電極壓電超聲換能器(PMUT)傳感器,并將PMUT與微流道集成,形成流體液體密度測量系統,應用于微流控中液體密度的測量;2022年Eyglis Ledesma團隊[10]制作了可與CMOS集成的矩形雙電極PMUT傳感器,該傳感器靈敏度可達482 Hz/kg/m3,但其激勵電壓較大(達到32 V),且不能在線檢測。基于當前密度傳感器存在的問題,本文設計并制作了一種基于PMUT的液體密度測量傳感器,該傳感器由兩個PMUT組成,分別作為發射端與接收端。通過對傳感器在不同密度介質中時域信號與頻域信號的分析得出液體的密度與PMUT諧振頻率的關系,這為微型化可在線檢測液體密度傳感器的應用奠定了基礎。

1 密度檢測原理

1920年Lamb提出了虛擬質量增加效應[11],即當一個機械結構在不同密度的介質中振動時,其固有頻率會發生不同程度的變化。介質的密度越大,機械結構的諧振頻率變化越大。本傳感器測量密度原理即通過測量PMUT諧振頻率的變化反映出液體密度。2007年Ayela[12]完成了對Lamb模型在微尺度下的驗證且進一步完善了該理論模型,并指出在黏度為10 mPa·s以下的牛頓液體中,黏度不會對諧振頻率產生影響。

液體介質中的諧振頻率與真空中的諧振頻率關系為

(1)

式中:fvac為真空中PMUT的諧振頻率;fL為液體環境中PMUT的諧振頻率;β為虛擬質量附加因子。

(2)

式中:ρM為膜的密度;h為膜的厚度;R為膜的半徑。其靈敏度為

(3)

式中:χ為靈敏度值;ΔρL為液體密度變化的范圍;ΔfL為液體中PMUT諧振頻率變化量。根據PMUT的結構尺寸與在液體介質和真空中的諧振頻率可得出液體的密度。

2 壓電超聲換能器的設計與制作

2.1 壓電超聲換能器設計與仿真

為使PMUT在液體中的諧振頻率仍處于超聲頻段范圍內,取fL=30 kHz。采用摻鈧元素20%,厚度為1 μm 的AlN作為PMUT壓電層,振動薄膜厚度h約為7 μm,ρM=2.3 g/cm3。通過理論計算得出PMUT的半徑為499.28 μm。使用有限元分析軟件對PMUT結構進行建模與仿真,半徑設為500 μm,添加水、空氣等不同的介質域仿真出PMUT處于不同介質中的振動狀態和諧振頻率。建模采用二維軸對稱模型,模型如圖1所示。軟件中添加的常溫介質域的基本參數如表1所示。

圖1 PMUT二維軸對稱模型

表1 介質域基本參數

使用半徑為2 000 μm的半球形作為介質域,分別導入空氣和水等材料。在介質域外側,建立厚度50 μm的層結構,作為聲波向外擴散的輻射域。在PMUT振膜與介質域接觸的位置,介質與PMUT發生耦合作用,并將其定義為聲結構邊界。通過特征頻率仿真得到在一階諧振狀態下PMUT的振型如圖2所示,PMUT薄膜中心最大振幅約為1.2 μm。PMUT在真空、空氣和水中的諧振頻率分別為139.3 kHz、138.6 kHz、33.9 kHz。

圖2 PMUT振型圖

對PMUT進行頻域仿真,以50 kHz作為頻域的仿真范圍,在不同介質域下PMUT的振動幅值如圖3所示。

圖3 不同介質下PMUT的振幅

2.2 壓電換能器制作

圖4為傳感器加工的工藝流程,在初始基底SOI硅片上生長厚度為100 nm的Mo;通過磁控濺射方法在底電極上生長厚約1 μm的ScAlN壓電薄膜,使用STS刻蝕機對壓電層進行干法刻蝕,露出底電極;使用IBE離子束刻蝕機對底電極進行刻蝕,制作出電極引線區域;采用STS-HRM與NLD-570分別對頂層硅和氧化層進行刻蝕,為后道工藝激光劃片預留劃片區域;通過電子束蒸發,在壓電層與下電極上依次鍍鉻和金厚度分別為20 nm和150 nm;最后采用深硅刻蝕機進行背部刻蝕,刻蝕深度約為285 μm,釋放薄膜結構,振動層總厚度約為7 μm。經過微加工制作的PMUT實物圖與光學顯微鏡圖像如圖5所示。

圖4 PMUT加工工藝流程

圖5 PMUT實物圖和光學顯微鏡圖

3 結果與討論

3.1 PMUT性能表征

圖6為使用阻抗分析儀(Microtest 6632)對PMUT阻抗值與相位角度的表征結果,得到的諧振頻率為136 kHz。實際PMUT與仿真結果相近,產生誤差主要是背腔深硅刻蝕時,對硅片刻蝕的不均勻性所致。

3.2 實驗裝置

圖7為傳感器的實驗裝置圖。實驗中為了減少PMUT的背腔對于發射和接收性能的影響,采用具有通孔的PCB板連接PMUT。當振動薄膜雙側均在液體介質中時,作用在PMUT膜上的阻尼效應變大,導致PMUT振動幅值減小,接收端信號難以提取,因此,在PCB背腔孔處粘附一層具有微孔結構的聚四氟乙烯薄膜,該薄膜具有防水透聲的作用,同時可以有效地減小由聲波在背腔內多次反射對薄膜振動狀態及接收性能產生的影響。使用環氧樹脂將PMUT與PCB電路板進行封裝。通過超聲波鍵合機將PMUT的上、下電極分別連接至PCB電路板上。采用BNC屏蔽接口作為傳感器的輸入、輸出端口,連接外部信號設備。使用甘油和無水乙醇分別與去離子水以一定比例混合,構成不同密度的待測液體。

3.3 信號分析

測試過程中,將換能器浸沒于待測液體中,發射端與接收端相距2 cm。使用信號發生器(Tektronix AFG3022C)輸出脈沖方波信號激勵發射端PMUT,其頻率為20～40 kHz,電壓峰-峰值為3.3 V。圖8為示波器(Tektronix MSO54)顯示接收端PMUT的時域信號,其幅值為35 mV。將時域信號通過快速傅里葉變換(FFT)轉換成頻域信號,圖9為截取的低頻段頻域信號示意圖。根據頻域信號的峰值可得到器件的諧振頻率。

圖8 激勵信號與接收信號

圖9 頻域信號

3.4 諧振頻率與密度分析

圖10是密度為776～986 kg/m3時乙醇與去離子水混合液的諧振頻率測試結果。由圖可見,其線性擬合結果良好,R2=0.969。圖11是密度為986～1 220 kg/m3時甘油與去離子水混合液的諧振頻率測試結果,其中在密度為986～1 150 kg/m3時線性擬合的R2為0.978。由于在乙醇與去離子水混合液中,乙醇易揮發,測量過程中存在一定的損耗,然而在甘油與去離子水的混合物中,甘油不易揮發,測量過程中密度值相對穩定,因此,在甘油混合溶液中的測試結果更接近理論模型。當混合液體密度>1 150 kg/m3時,混合液的黏度迅速增加,黏度對于諧振頻率的影響逐漸變大,因此,當密度>1 150 kg/m3時諧振頻率值下降速度較快。

圖10 乙醇與去離子水混合液諧振頻率測量

圖11 甘油與去離子水混合液諧振頻率測量

根據實驗結果可得PMUT的實際靈敏度為17 Hz/kg/m3,依據式(3)及表1中介質域參數可計算出理論靈敏度為19.13 Hz/kg/m3。理論計算與實際結果較接近,但仍存在一定誤差,其原因是在實際測試中PMUT的振動存在能量耗散,故實際結果較理論值偏低。

4 結束語

本文設計并制造了基于PMUT的液體密度測量傳感器。該傳感器采用雙PMUT器件分置的工作方式,將采集的時域信號通過FFT轉換成頻域信號,得到PMUT的諧振頻率。通過測量PMUT諧振頻率的變化,得出傳感器諧振頻率與液體密度成線性關系。實驗結果表明,當密度為776～1 150 kg/m3時,PMUT具有良好的響應,靈敏度為17 Hz/kg/m3。與傳統傳感器相比,該傳感器體積小,功耗低,且可在線測量。PMUT收發分置的工作方式還可以對超聲波的能量耗散進行測量,這為液體多參數檢測的研究提供了新手段。