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基于压电微加工超声换能器的先进超声流量计
发布时间: 2025-08-08
基本信息
合作方式：
技术转让
成果类型：
发明专利
行业领域：
电力、热力、燃气及水生产和供应业,电力、热力生产和供应业
成果介绍
凭借批量加工成本低、对流体介质类型与流量范围适应性强、安装与检修便捷以及便于非侵入式检测等一系列独到优势，基于超声原理的气体传感与监测成为近十年来行业内新的旗帜与风尚。超声换能器是超声气体传感与监测系统的心脏，其性能通常决定着系统运作的整体稳定性和准确度。传统基于压电陶瓷的体压电超声换能器工作于厚度模式，受制于背衬层及匹配层的苛刻设计，难以同待测介质进行较优的阻抗匹配，因而难以呈现较高的气体传感综合性能；并且，体压电超声换能器经由切割加工制成，其频率一致性与产能成本因而难以满足长链供应需求。在此背景下，藉由微纳机电系统（MEMS）手段制造，先天拥有小型化与高集成度优势的微机械超声换能器（MUT）应运而生。区别于需要极高直流偏置电压以维持预期声学耦合性能的电容式微机械超声换能器（CMUT），能够更便捷同介质进行阻抗匹配并能够在相对更低的功耗下进行稳定声信号输出的压电式微机械超声换能器（PMUT）近年来成为MEMS超声换能器集成系统发展的新航向，并在流体传感与监测，指纹识别，生物组织成像与障碍识别等领域得到了广泛地应用。本工作立足于PMUT小型化、易集成、声学耦合好等一系列性能优势。
成果亮点
使用直流偏置实现PMUT的极大范围频率调控以解决流体流速传感中超声换能器对的频率失配问题，优化并利用PMUT的谐波能量分配以实现气体监测中的原位温度、压力、湿度补偿，并开创性地利用微尺度超声换能器的栅瓣效应形成了一种新型“V”字形声场以攻克传统超声流量计无法进行实时监测的问题；从结果上看，在直流偏置调控方面，本工作利用\pm35V范围内的直流偏置电压实现了原始谐振频率200kHz左右PMUT器件共计223kHz（97.8%）频率范围内的可控频率调制，并通过优化器件顶电极结构与控制机电耦合系数实现了施加0V至+6V偏置电压内器件声学耦合效率增强的65.5kHz频率调控区间；在谐波能量分配优化调整方面，本工作通过对一个设计工作于47kHz的PMUT单元器件进行带宽优化设计，利用振膜的高阶谐振模态实现了二倍基础谐振模式频率处的器件通带，并通过激励信号调制的方法改变振膜的应力和铁畴状态，从而实现了器件二次谐波的显著输出增强，所得谐波增强方法对于气体传感监测中的温度、压力、湿度补偿拥有重大意义。
团队介绍
长安大学（Chang’an University），位于陕西省西安市，简称“长大”，直属国家教育部，是国家首批“211工程”重点建设大学、国家“985工程优势学科创新平台”建设高校、国家“双一流”建设高校。入选国家“111计划”、“双万计划”、教育部“卓越工程师教育培养计划”、国家建设高水平大学公派研究生项目、世界能源大学联盟成员高校，丝绸之路大学联盟，是高水平行业特色大学优质资源共享联盟。
成果资料
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