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(shù)可以反映出液體的性質(zhì),其中密度是反映液體性質(zhì)的重要指標之一。如葡萄酒釀制過程中,通過監(jiān)測葡萄酒發(fā)酵時漿液的密度可以判斷出葡萄酒發(fā)酵的程度和葡萄酒的品質(zhì);在醫(yī)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(chǎn)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(xiàn)密度測量,這種傳感器結(jié)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(huán)境,其輻射源產(chǎn)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(zhì)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(huán)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(tǒng)諧振子結(jié)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(tǒng)(MEMS)技術的發(fā)展,誕生了諸多微型液體密度檢測傳感器。與傳統(tǒng)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(yōu)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(zhì)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(yōu)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(qū)動器驅(qū)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(tǒng),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(fā)射端與接收端。通過對傳感器在不同密度介質(zhì)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(zhì)量增加效應[11],即當一個機械結(jié)構在不同密度的介質(zhì)中振動時,其固有頻率會發(fā)生不同程度的變化。介質(zhì)的密度越大,機械結(jié)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(chǎn)生影響。

液體介質(zhì)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(huán)境中PMUT的諧振頻率;β為虛擬質(zhì)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(jù)PMUT的結(jié)構尺寸與在液體介質(zhì)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(nèi),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(jié)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(zhì)域仿真出PMUT處于不同介質(zhì)中的振動狀態(tài)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(zhì)域的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 PMUT二維軸對稱模型

表1 介質(zhì)域基本參數(shù)

使用半徑為2 000 μm的半球形作為介質(zhì)域,分別導入空氣和水等材料。在介質(zhì)域外側(cè),建立厚度50 μm的層結(jié)構,作為聲波向外擴散的輻射域。在PMUT振膜與介質(zhì)域接觸的位置,介質(zhì)與PMUT發(fā)生耦合作用,并將其定義為聲結(jié)構邊界。通過特征頻率仿真得到在一階諧振狀態(tài)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(zhì)域下PMUT的振動幅值如圖3所示。

圖3 不同介質(zhì)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(qū)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(qū)域;通過電子束蒸發(fā),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(jié)構,振動層總厚度約為7 μm。經(jīng)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(jié)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(jié)果,得到的諧振頻率為136 kHz。實際PMUT與仿真結(jié)果相近,產(chǎn)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(fā)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(cè)均在液體介質(zhì)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(jié)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(nèi)多次反射對薄膜振動狀態(tài)及接收性能產(chǎn)生的影響。使用環(huán)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(fā)射端與接收端相距2 cm。使用信號發(fā)生器(Tektronix AFG3022C)輸出脈沖方波信號激勵發(fā)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(zhuǎn)換成頻域信號,圖9為截取的低頻段頻域信號示意圖。根據(jù)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(jié)果。由圖可見,其線性擬合結(jié)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(jié)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(fā),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(fā),測量過程中密度值相對穩(wěn)定,因此,在甘油混合溶液中的測試結(jié)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(jù)實驗結(jié)果可得PMUT的實際靈敏度為17 Hz/kg/m3,依據(jù)式(3)及表1中介質(zhì)域參數(shù)可計算出理論靈敏度為19.13 Hz/kg/m3。理論計算與實際結(jié)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(jié)果較理論值偏低。

4 結(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(tǒng)傳感器相比,該傳感器體積小,功耗低,且可在線測量。PMUT收發(fā)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(shù)檢測的研究提供了新手段。