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半岛电竞鉴于压电微刻板超声换能器的液体密度丈量传感器

时间:2023-12-26 08:35 来源:网络

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  据麦姆斯征询报导,为领会决目前保守密度丈量装配体积大、功耗高、不容易在线丈量的题目,长春理工大学、华夏迷信院姑苏纳米手艺与纳米仿生研讨所的研讨职员互助开辟了一种鉴于压电落莫呆滞超声换能器(PMUT)的液体密度丈量传感器,其由两个PMUT(半径为500 μm,在氛围中的谐振频次为136 rate)构成,划分手脚放射端与吸收端。经过对该传感器在差别密度的介质中所发生的时域旌旗灯号与频域旌旗灯号的剖析,也许得出液体的密度与PMUT谐振频次的联络,这为微型化可在线丈量液体密度传感器的利用奠基了根底。相干研讨功效以“鉴于压电微呆滞超声换能器的液体密度丈量传感器”为题宣布在《压电与声光》期刊上。

  1920年,essayist提议了假造质地增添效力,即当一个呆滞构造在差别密度的介质中振荡时,其固有频次会产生差别水平的变革。介质的密度越大,呆滞构造的谐振频次变革越大。这项研讨所开辟的液体密度丈量传感器等于经过丈量PMUT谐振频次的变革来反应液体密度。

  这项研讨采取掺钪元素比率为20%、厚度为1 μm的氮化铝(AlN)手脚PMUT压电层,而且利用局限元剖析电脑软件和二维轴对称模子对PMUT构造停止建模与仿真。另外,经过增加水、氛围等不一样的介质域仿真出PMUT处于差别介质中的振荡状况协调振频次。

  起首,利用半径为2000 μm的半球形手脚介质域,而且划分导入氛围和水等资料。在介质域外侧,成立厚度为50 μm的层构造,手脚声波向外分散的辐射域。在PMUT振膜与介质域打仗的地点,介质与PMUT产生耦合感化,并将其界说为声构造鸿沟。经过特点频次仿真获得在一阶谐振状况下PMUT的振型如图2所示,PMUT薄膜中间最大振幅约为1.2 μm。PMUT在真空、氛围和水中的谐振频次划分为139.3 rate、138.6 rate和33.9 rate。

  随即,对PMUT停止频域仿线 rate手脚频域的仿真规模,在差别介质域下PMUT的振荡幅值如图3所示。

  如图4所示,PMUT采取MEMS工艺停止建造,所取得的PMUT什物图与光学显微镜图象如图5所示。图6为利用阻抗剖析仪对该PMUT阻抗值与相位角度停止表征的后果,其谐振频次为136 rate,与仿真后果附近。发生的偏差首要是由背腔深硅刻蚀时,对硅片霎蚀的不屈均性而至。

  图7为液体密度丈量传感器的尝试装配图。在这项尝试中,为了削减PMUT的背腔对超声旌旗灯号的放射和吸收机能的作用,研讨职员采取了拥有通孔的印刷电路板(PCB)毗连PMUT。当振荡薄膜两侧均在液体介质中时,感化在PMUT膜上的阻尼效力变大,致使PMUT振荡幅值减小,吸收端超声旌旗灯号难以索取,是以,研讨职员在PCB背腔孔处粘附一层拥有微孔构造的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜,其拥有防水透声的感化,同时也许有用地减小由声波在背腔内屡次曲射对薄膜振荡状况及吸收机能发生的作用。

  随即,研讨职员利用环氧树脂将PMUT与PCB电路板停止封装,并经过超声波键合机将PMUT的上、下电极划分毗连至PCB电路板上。接着,研讨职员采取BNC屏障接口手脚传感器的输出、输入端口,毗连内部旌旗灯号装备。最终,利用甘油和无水乙醇划分与去离子水以必定比率夹杂,制成差别密度的待测液体。

  尝试后果解释,该传感器的谐振频次与液体密度成线 kg/m³时,PMUT拥有杰出的反应,活络度为17 Hz/kg/m³。与保守的液体密度丈量传感器比拟,这项研讨建造的传感器体积小半岛电竞、功耗低,并且也许用于液体密度的在线丈量。另外,PMUT收发分置的事情体例还也许对超声波的能量耗散停止丈量,进而为液体多参数丈量的研讨供给了老手段。

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