北京大学开发基于PMUT阵列的超声波流量计，实现高帧率流量测量
2025-12-13 11:03:31 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
北京大学创新性地利用PMUT相控阵产生的栅瓣，形成具有对称双向V形波束的新型声场模式，实现了上下游ToF的同步读出，从而能够一步完成高帧率流量测量。
从“航空航天控制、半导体制造等尖端技术”到“家用燃气表等普通应用”，流量计在诸多领域都与人们的生产和生活密切相关。在蓬勃发展的流量监测市场中，已研发出多种基于不同原理的流量计，以满足各种应用场景的需求。与科里奥利力流量计、电磁流量计等具有被测介质压力损失的侵入式方法不同，超声波流量计因其非侵入性、易于安装的特点，以及对各种管道尺寸和流体类型的适应性而备受关注。
其中，基于飞行时间（ToF）的超声波流量计具有更高的灵敏度和精度，凭借其高灵活性及不受纯度或颗粒的限制，应用领域更为广泛。在ToF流量计中，传统上利用两个成对的超声波换能器相对放置在管道两侧，交替作为发射器（Tx）和接收器（Rx），分阶段测量超声波信号在上下游传播时间，从而获得计算体积流量所需的流体差异信息。然而，这种两步式流量监测方案存在固有的帧率限制，并且对两个成对换能器的发射和接收性能平衡有较高要求，制约了超声波流量监测系统的进一步优化。
微型MEMS超声换能器具有小型化和易于实现阵列结构的特点，为超声发射波束模式的设计提供了更大的灵活性，有助于开发新型的流量监测机制。与传统体声波换能器不同，微机械超声换能器（MUT）以弯曲模式工作，这使其具有更高的声耦合效率。其中，压电式微机械超声换能器（PMUT）不存在间隙距离的问题，也无需直流偏置电压，这种灵活性使PMUT能够应用于各种要求低功耗和大规模系统集成的场景，包括ToF测距、指纹传感、3D成像、神经调制以及超声波流量计等。
据麦姆斯咨询介绍，为解决传统ToF超声波流量计的帧率限制，北京大学的研究团队创新性地利用五通道锆钛酸铅（PZT）PMUT相控阵产生的栅瓣，形成具有对称双向V形波束的新型声场模式，实现了上下游ToF的同步读出，从而能够一步完成流量测量。相关研究成果已经以“High frame rate ultrasonic flowmeter based on PMUT array with bidirectional acoustic beams”为题发表于近期的Microsystems & Nanoengineering期刊。
本文所提出的创新方法打破了因栅瓣负面刻板印象而形成的λ/2间距设计原则，并且无需使用传统两步流量监测方案中相关的收发（T/R）开关及其他任何信号处理单元。此外，与以往要求相同配对超声换能器具备强单轴指向性的方法不同，该方法支持发射/接收换能器的差异化优化，采用了V形双向发射换能器和全向接收换能器，可实现平面安装。
图1 基于新型V形波束模式PMUT相控阵实现的上下游同步超声流量监测原理
PMUT结构与制造
该研究采用基于PZT薄膜的紧凑型圆形PMUT，以实现同步双向超声发射和全向接收。下图展示了这款3.6 mm × 3.6 mm PMUT器件的制造流程。该结构包含0.1 μm厚的顶部铂层、2 μm厚的PZT层和0.12 μm厚的底部铂层，所有这些都在SOI衬底上图案化，衬底包含0.5 μm厚SiO₂层、4 μm厚外延多晶硅层以及另一层1 μm厚的SiO₂。此外，在0.04 μm厚的Al₂O₃和0.4 μm厚的USG钝化层上方，在各个PMUT之间构建了0.7 μm厚的图案化铝-铜金属互连，以最大限度地减少寄生效应。图案化的底部电极和通孔连接，以进一步降低这些寄生效应。为了提高PMUT器件的坚固性，沉积了0.3 μm厚的Si₃N₄覆盖层。最后，通过背面深反应离子刻蚀（DRIE）工艺确定振动膜，该工艺包括穿过多晶硅层的沟槽隔离，以减轻PMUT元件之间的机械串扰。所制造PMUT中五个相邻通道构成发射相控阵，每个通道由三个PMUT单元组成。相应结构的扫描电子显微镜（SEM）图像清晰地展示了详细的层特性和背面蚀刻孔。
图2 PMUT器件结构及制造工艺：a）PMUT制造工艺；b）PMUT显微镜照片；c）PMUT的层特性；d）PMUT的扫描电子显微镜（SEM）图像。五个相邻的通道构成发射（Tx）PMUT相控阵，每个通道由三个PMUT单元组成。采用多层保护层、过孔连接、图案化底部电极和蚀刻隔离技术，以减少机械和声学串扰。
图3 PMUT特性表征
图4 同步双向超声波发射PMUT的解析模拟与实验验证
图5 整体流量测量系统及管道安装的几何优化
结论
该研究提出了一种同步双向超声波发射PMUT阵列，该换能器采用优化的锯齿形管道安装结构，可实现一步超声流量测量，并且，该PMUT具有极高的帧率（1秒内测量1000次）、较宽的监测范围（0.5–35 L·min⁻¹或0.045–3.177 m·s⁻¹，气流）、高分辨率（185 ns/(L·min⁻¹)或2032 ns/(m·s⁻¹)）和良好的线性度（0.997）。研究团队通过阻抗分析、振动特性表征以及V形波束生成的实验验证，分别对所制备PMUT的电学、机械和声学性能进行了深入研究，证明该PMUT具有更强的机械稳健性和更低的串扰。利用这种新型PMUT阵列（其双向波束角度分别为27°和153°）的灵活性和可靠性，研究团队成功演示了基于所提出方法的超声流量监测，展现了紧凑型、高性能MUT在要求极高响应速度和工作范围应用中的潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01096-x
延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
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