北京大学研发基于PMUT阵列的高帧率超声流量计
北京大学研发基于PMUT阵列的高帧率超声流量计
无论是航空航天控制、半导体制造等高端技术领域，还是家用燃气表等日常生活应用，流量计在多个行业都扮演着不可或缺的角色。随着流量监测需求的不断增长，各类基于不同原理的流量计应运而生，以满足多样化的应用场景。
相较于科里奥利力流量计或电磁流量计等可能引入压力损失的侵入式测量方式，超声波流量计因其非侵入性、安装便捷，以及对不同管道尺寸和流体类型的良好适应性，受到越来越多的关注。
在众多超声波流量计中，基于飞行时间（ToF）原理的方案因其较高的灵敏度和测量精度而具有更广泛的应用潜力。该方法通常依赖于安装在管道两侧的成对换能器，分别作为发射端和接收端，通过测量超声波在顺流与逆流方向的传播时间差异，计算流体的体积流量。但这一传统两步式测量方案存在帧率受限的问题，且对换能器的性能平衡有较高要求，影响了系统整体的优化。
近年来，基于MEMS技术的微型超声换能器因其小巧的体积和易于集成的阵列结构，为超声发射模式的创新设计提供了更多可能性。微机械超声换能器（MUT）采用弯曲模态工作，相比传统体声波换能器具备更高的声耦合效率。其中，压电式微机械超声换能器（PMUT）因无需间隙控制和直流偏置电压，尤其适用于低功耗和大规模集成系统，广泛应用于ToF测距、指纹识别、三维成像、神经调控以及流量监测等领域。
根据麦姆斯咨询的报道，为突破传统ToF超声流量计在帧率方面的瓶颈，北京大学研究团队提出了一种基于五通道锆钛酸铅（PZT）PMUT相控阵的新方法。该方法利用栅瓣效应，构建出具有对称双向V形波束的声场模式，从而实现顺流与逆流时间测量的同步读取，完成一次测量即可获得完整的流量信息。该研究结果以“High frame rate ultrasonic flowmeter based on PMUT array with bidirectional acoustic beams”为题，发表于最新一期的《Microsystems & Nanoengineering》。
与以往依赖两步测量方案的设计不同，该方法摒弃了传统的T/R开关和复杂信号处理模块，并突破了栅瓣导致的λ/2间距限制。此外，该系统不再要求发射与接收换能器具备严格的单轴指向性，而是采用V形双向发射结构与全向接收结构的组合，从而简化了安装过程。
PMUT结构与制造工艺
本研究中采用的PMUT器件基于PZT薄膜，具备紧凑的圆形结构，支持同步双向超声发射与全向接收。图示展示了3.6 mm × 3.6 mm PMUT器件的制造流程。其结构包括顶部0.1 μm厚的铂层、2 μm厚的PZT压电层，以及0.12 μm厚的底部铂层，所有层均构建在SOI衬底上。该衬底由0.5 μm厚的SiO₂层、4 μm厚的外延多晶硅层和1 μm厚的SiO₂层组成。
为了降低寄生效应，器件中还引入了0.04 μm厚的Al₂O₃层和0.4 μm厚的USG钝化层，并通过0.7 μm厚的铝-铜金属互连进行图案化连接。同时，通过底部电极图案化与通孔连接进一步优化性能。为增强结构稳定性，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）工艺完成振动膜的定义，其中包括通过多晶硅层进行的沟槽隔离，以减少相邻PMUT单元间的机械串扰。
所制备的PMUT器件中，五个相邻通道构成发射相控阵，每个通道包含三个PMUT单元。扫描电子显微镜（SEM）图像清晰地展示了其多层结构特征及背面蚀刻孔。
图1 PMUT器件结构及制造工艺：a）PMUT制造流程；b）显微镜图像；c）PMUT的多层结构；d）SEM图像。五个通道组成发射（Tx）相控阵，每通道由三个PMUT单元组成。通过多层保护、通孔连接、底部电极图案化和蚀刻隔离技术，有效降低了机械与声学串扰。
图2 PMUT性能表征
图3 同步双向超声发射PMUT的解析模拟与实验验证
图4 整体流量测量系统及管道安装几何优化
研究成果总结
研究团队开发了一款基于同步双向超声发射PMUT阵列的流量测量系统，采用优化的锯齿形管道安装结构，实现了单次测量即可完成流量计算。该系统具有极高的帧率（1秒内1000次）、较宽的测量范围（0.5–35 L/min 或 0.045–3.177 m/s）、高分辨率（185 ns/(L·min⁻¹) 或 2032 ns/(m·s⁻¹)），以及良好的线性度（0.997）。
通过阻抗分析、振动特性测试以及V形波束生成实验，研究团队验证了该PMUT在电学、机械和声学方面的优越性能，表现出更强的机械稳定性和更低的串扰。利用该PMUT阵列的双向波束角度（27°和153°）优势，研究团队成功演示了基于此方法的超声流量监测系统，证明其在高响应速度和宽工作范围等严苛要求下的应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01096-x
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