液體具有多種物理特性，例如密度、黏度和表面張力等，通過測量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。例如，在葡萄酒釀制過程中，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，通過測量血液密度可以進行急癥的初篩；在石油開采過程中，通過測量石油的密度可以分析計算油田的出產量并制定合理的開采方案。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決當前傳統密度測量裝置體積大、功耗高、不易在線測量的問題，長春理工大學、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的研究人員合作開發了一種基于壓電式微機械超聲換能器（PMUT）的液體密度測量傳感器，其由兩個PMUT（半徑為500 μm，在空氣中的諧振頻率為136 kHz）組成，分別作為發射端與接收端。通過對該傳感器在不同密度的介質中所產生的時域信號與頻域信號的分析，可以得出液體的密度與PMUT諧振頻率的關系，這為微型化可在線測量液體密度傳感器的應用奠定了基礎。相關研究成果以“基于壓電微機械超聲換能器的液體密度測量傳感器”為題發表在《壓電與聲光》期刊上。

密度測量原理

1920年，Lamb提出了虛擬質量增加效應，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。這項研究所開發的液體密度測量傳感器即是通過測量PMUT諧振頻率的變化來反映液體密度。

PMUT設計與仿真

這項研究采用摻鈧元素比例為20%、厚度為1 μm的氮化鋁（AlN）作為PMUT壓電層，并且使用有限元分析軟件和二維軸對稱模型對PMUT結構進行建模與仿真。此外，通過添加水、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。

圖1 PMUT二維軸對稱模型

首先，使用半徑為2000 μm的半球形作為介質域，并且分別導入空氣和水等材料。在介質域外側，建立厚度為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和33.9 kHz。

圖2 PMUT振型圖

隨后，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 不同介質域下PMUT的振幅

PMUT制作與性能表征

如圖4所示，PMUT采用MEMS工藝進行制作，所獲得的PMUT實物圖與光學顯微鏡圖像如圖5所示。圖6為使用阻抗分析儀對該PMUT阻抗值與相位角度進行表征的結果，其諧振頻率為136 kHz，與仿真結果相近。產生的誤差主要是由背腔深硅刻蝕時，對硅片刻蝕的不均勻性所致。

圖4 PMUT加工工藝流程

圖5 PMUT實物圖和光學顯微鏡圖

圖6 PMUT阻抗值和相位角度的表征

基于PMUT的液體密度測量傳感器的性能

圖7為液體密度測量傳感器的實驗裝置圖。在這項實驗中，為了減少PMUT的背腔對于超聲信號的發射和接收性能的影響，研究人員采用了具有通孔的印刷電路板（PCB）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，接收端超聲信號難以提取，因此，研究人員在PCB背腔孔處粘附一層具有微孔結構的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，其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。

隨后，研究人員使用環氧樹脂將PMUT與PCB電路板進行封裝，并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。接著，研究人員采用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。最后，使用甘油和無水乙醇分別與去離子水以一定比例混合，制成不同密度的待測液體。

實驗結果表明，該傳感器的諧振頻率與液體密度成線性關系，當液體密度為776 kg/m3 ~ 1150 kg/m3時，PMUT具有良好的響應，靈敏度為17 Hz/kg/m3。與傳統的液體密度測量傳感器相比，這項研究制作的傳感器體積小、功耗低，而且可以用于液體密度的在線測量。此外，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，從而為液體多參數測量的研究提供了新手段。

審核編輯：劉清