近期，上海大学微电子学院“产教融合”传来捷报。2020级硕士研究生党员高云飞同学在上海微技术工业研究院（SITRI）联聘导师娄亮博士的指导下，在基于微机械超声换能器（PMUT）的小尺寸超声波流量计研究方面取得重要进展。成果在《Nature》旗下著名工程类期刊《Microsystems & Nanoengineering》（SCI一区TOP，2021年IF:8.006）发表，并被国际电气与电子工程师学会微机电系统旗舰年会36th IEEE MEMS接收。高云飞同学为第一作者，娄亮博士为通讯作者。上海大学为第一完成单位，上海微技术工业研究院为合作单位。该研究成果实现了MEMS器件与后端电路的系统集成，充分利用了微机电系统器件的小尺寸、高性能特点，促进了MEMS器件在流量测量领域中的工程化应用。

基于ScAlN压电微机械超声换能器的小型时差超声波流量计，适用于小直径应用

文章摘要

文章概要：

时差超声波流量计是使用最广泛的流量测量设备之一。然而，传统的时差超声波流量计通常基于大尺寸的体压电换能器，这限制了它们在小直径管道中的应用。在本文中，我们开发了一种基于掺钪氮化铝(ScAlN)压电微机械超声换能器(PMUT)的小型时差超声波流量计。拟议的时差超声波流量计包含两个基于PMUT的收发器和一个π型管道。PMUT器件包含13×13数目的方形单元，尺寸为2.8×2.8 mm2。基于PMUT的小型超声收发器在水中1 MHz的频率下显示出良好的发射灵敏度和接收灵敏度。此外，对π型管道的尺寸进行了优化，实现了82 ns/(m/s)的测量灵敏度和优于15 dB的信噪比(SNR)。最后，我们将制造的小型收发器集成到TDC-GP30平台中。实验结果表明，开发的时差超声波流量计在直径为4 mm的管道中可以提供2-300 L/h的宽量程比，该管道内径小于大多数报道的。时差超声波流量计的示值误差和重复性误差分别在0.2%和1%以内。主要贡献如下：

（1）提出了一种通过优化PMUT结构尺寸和对其紧凑封装来实现超声收发器小型化的设计方法，克服了块材式超声换能器尺寸过大的缺点。其中，结构尺寸优化也可实现PMUT收发灵敏度最大化、与1 MHz匹配以及良好的指向性。

（2）提出了一种结合π形管段和高精度时间测量芯片的超声传输时间测量方案，极大的提高了测量灵敏度和测量精度。此外，研究了π形管段的尺寸与信噪比和测量灵敏度的关系，为实际设计不同管径需求的超声波流量计提供了指南。

（3）设计和搭建了完整的小管径超声波流量计系统，实现了在4 mm小管径中的流量测量。通过湿式校准，流量计在2~300 L/h量程内的准确度在0.2%以内。扩大了PMUT在液体中的应用范围，同时扩展了传统超声波流量计测量管道的尺寸下限。

图形摘要

课题组介绍：

娄亮博士现任上海微技术工业研究院（SITRI）工艺集成部门主任和上海大学微电子学院联聘导师。娄博士课题组致力于微电机系统（MEMS）微型传感器芯片研发。科研方向包括但不限于压电超声、射频、振动等MEMS传感器的相关工艺及集成与系统等。

相关论文链接：

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

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