基于水平剪切声表面波的新型黏度/密度传感器测量机理与关键技术研究

Owing to the advantages of small volume, high accuracy, high integration and low power consumption, MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) viscosity & density sensors hold great promise in the fields of petrochemical, energy power and medicine industries, and have become the research hotspot on in situ viscosity & density measurements. In regard to the problems of small viscosity measuring range, poor performance under high temperature and difficulty in achieving in situ measurement in current technologies, a novel viscosity & density sensor based on the SH-SAW (Shear Horizontal Surface Acoustic Wave) is proposed in this project. The SH-SAW is excited on the surface of CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Then the fluid viscosity & density affect the propagation characteristics of the SH-SAW and thus change CMUTs' electric parameters, by which the measurement is achieved. The key scientific issues researched in this project include the mechanism of generation and propagation of SH-SAW, the rule of fluid viscosity & density affecting the electric parameters of CMUTs, and the mathematical model of the CMUTs' structure and material parameters as well as the temperature and pressure influencing the sensor's performance. Based on the merits of excellent propagation characteristics of SH-SAW, as well as high quality factor, high coupling coefficient and wide temperature range of CMUTs, the novel sensor not only solves the measurement problems of high viscosity , but also realizes the measurement of the fluid viscosity & density under high temperature with high accuracy, which satisfies the urgent needs of the in situ measurement of fluid viscosity & density.

MEMS微型黏度/密度传感器以体积小、精度高、集成度高、功耗低等优点在石油化工、能源动力、医学等方面具有广阔的应用前景，是在线测量流体黏度/密度的研究热点。针对现有技术存在的黏度测量范围小、高温性能差、在线测量困难等问题，本项目提出一种基于水平剪切声表面波（SH-SAW）的新型黏度/密度传感器，拟在电容微超声传感器（CMUTs）表面激发SH-SAW，利用流体黏度/密度对SH-SAW传播特性的影响进而改变CMUTs电气参数来实现测量。主要围绕SH-SAW的产生与传播机理、流体黏度/密度对CMUTs电气参数的影响规律、CMUTs结构与材料参数及温度、压力对传感器性能的影响等关键科学问题展开研究。基于SH-SAW优良的传播特征及CMUTs的高品质因子、高耦合系数、宽温度范围等优点，该新型传感器不仅解决高黏度测量难题，且在高温条件下实现黏度/密度的高精度测量，满足在线测量流体黏度/密度的迫切需求。

黏度和密度是流体的两个重要热物性参数，是热物性学、流体力学等科学研究和能源动力、工业控制等工程应用的基础性数据。传统的黏度/密度传感器存在的黏度测量范围小、高温性能差、在线测量困难等问题。基于MEMS技术的电容式微加工超声传感器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers，简称CMUTs）具有机电特性好、品质因子高、灵敏度高、工作温度范围宽以及易阵列、易集成等优点，为实现在高温高压条件下流体的黏度/密度在线测量提供了很好的技术平台。因此，本项目提出一种CMUTs的新型黏度/密度传感器，在静电激励下使CMUTs发生谐振，利用流体黏度/密度对CMUTs谐振频率以及电气参数来的影响来实现测量目的。本项目完成了CMUTs机电耦合理论研究，建立了塌陷电压、薄膜变形、谐振频率以及机电耦合系数等主要性能参数的解析式，揭示了静电激励、结构参数对主要性能参数的影响规律；在该理论研究的基础上，建立了CMUT机-电-声三场耦合模型，研究了流体黏度/密度参数对CMUT谐振频率、电参数的影响规律，并提出了流体黏度/密度参数测量的工作方程；开展了CMUT流体黏度/密度传感器的结构设计与优化研究，得到了结构设计与优化方法；开发了基于低温熔融键合的CMTU制备技术，设计了多种用于流体黏度/密度测量的CMUT结构及版图，完成了芯片的加工、测试电路设计以及芯片封装，得到了芯片的基本结构参数以及电学性能参数；在此基础上，搭建实验平台，开展了CMUTs用于流体黏度/密度测量的实验测试研究。测试结果显示所研发的CMUTs芯片用于流体黏度/密度测量时，具有良好的线性关系。本项目的研究开发了一种基于CMUT的新型黏度/密度传感器，获得了该类黏度/密度传感器的设计理论与制备技术，为实现流体黏度/密度的在线测量流体黏度/密度提供一种新方法，解决了传统流体黏度/密度测量方法存在的无法实现在线测量、灵敏度低等难题，技术推广后，可广泛用于石油勘探、工业生产以及汽车等行业，带来可观经济效益。