了解係統

 

我們正在開發一種槽罐液位監測係統。該係統可以安裝在啤酒廠
、釀酒廠和其他飲料廠的物聯網邊緣設備中，用以收集液位的狀態
，並可主動通知技術人員是否存在任何問題（例如泄漏）。我們對係統進行了改良（圖1）
，利用壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）來監測水箱中的液位，並定期將測量結果上傳到網關設備中。

 

圖1：槽罐液位監測係統框圖

 

壓電MEMS超聲波換能器在罐體中發射超聲波，然後測量被液體表麵反射的波，從而得到一個很小的模擬機械波（需要放大）。發射波與反射波之間的時間差與液體的距離成正比。模擬前端（AFE）將MEMS波形放大並將信號轉換為表示飛行時間（或液體深度兩倍）的積分電壓。模數轉換器（ADC）將該電壓轉換成數字信號

，以作為運行軟件的微控製器的輸入。時鍾、PLL和振蕩器電路是數字電路的支持模塊，偏置電流發生器、電壓調節器和帶隙基準是模擬電路的支持模塊。射頻（RF）發送器將數據發送到網關。Arm Cortex-M3微控製器與模擬電路和RF發送器相連。如果將來我們計劃增加溫度傳感器
，還需要多路複用器

，但對於本白皮書，我們不考慮這兩個元素。

 

了解傳感器

 

據ju麥mai姆mu斯si谘zi詢xun介jie紹shao，超chao聲sheng波bo換huan能neng器qi使shi用yong超chao聲sheng波bo來lai探tan測ce傳chuan感gan器qi與yu其qi他ta物wu體ti之zhi間jian的de距ju離li。它ta們men能neng夠gou將jiang電dian能neng轉zhuan換huan為wei機ji械xie能neng，並bing且qie在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia，還hai能neng將jiang機ji械xie能neng轉zhuan換huan回hui電dian能neng。正zheng是shi這zhe種zhong功gong能neng的de二er元yuan性xing使shi得de超chao聲sheng波bo換huan能neng器qi可ke以yi向xiang物wu體ti或huo界jie麵mian發fa射she壓ya力li波bo
，並bing可ke以yi在zai這zhe些xie波bo被bei反fan射she回hui源yuan時shi探tan測ce它ta們men。雖sui然ran在zai日ri常chang生sheng活huo中zhong有you著zhe廣guang泛fan的de應ying用yong，但dan與yu其qi它ta競jing爭zheng技ji術shu相xiang比bi，傳chuan統tong的de超chao聲sheng波bo換huan能neng器qi更geng笨ben重zhong、更耗電、更昂貴。這限製了它們的應用
，特別是在消費領域
，但這種情況由於MEMS技術的應用而正在快速改變。

 

即將上市的新一代小型化超聲波換能器的功耗比前代產品低了一個數量級。沒有什麼比當前我們開發並實施在係統中的PMUT更合適的例子了。PMUT由一個懸浮在腔體上的壓電薄膜組成，壓電薄膜通常為鋯鈦酸鋅（PZT）或氮化鋁（AlN）材料。當在膜上施加電脈衝時，膜會振動並直接在它接觸的介質中產生聲波。當設計剛好為共振頻率時
，PMUT可以用非常小的功率產生大量的能量。圖2顯示了PMUT橫截麵示意圖，可以通過調整膜厚度和直徑大小來優化給定介質的共振頻率。PMUT可ke以yi使shi用yong成cheng熟shu的de矽gui基ji半ban導dao體ti製zhi造zao工gong藝yi來lai生sheng產chan。因yin而er與yu許xu多duo競jing爭zheng技ji術shu相xiang比bi，它ta們men可ke以yi適shi用yong於yu低di成cheng本ben的de大da批pi量liang應ying用yong，更geng重zhong要yao的de是shi，它ta們men還hai可ke以yi與yuCMOS無縫集成，從而在一顆芯片上實現完整的傳感係統。

 

圖2：PMUT換能器的橫截麵示意圖（來源：OnScale）

 

使用有限元分析進行PMUT仿真

 

PMUT設計的第一步
，我們使用被稱作“有限元分析（FEA）”的技術來進行PMUT仿真。通過有限元分析
，可以將描述結構行為的複雜的微分方程轉換為代數表達式
，以簡化成數值求解。在設計中我們可以采用多種FEA方法：用於探索設計概念、執行設計性能的功能驗證，以及優化設計。FEA可以探究真實世界裏非理想幾何形狀、製造加工和材料屬性的變化，非常適合處理邊界條件複雜的問題。

 

FEA工(gong)具(ju)依(yi)賴(lai)於(yu)將(jiang)仿(fang)真(zhen)結(jie)構(gou)劃(hua)分(fen)為(wei)低(di)階(jie)有(you)限(xian)元(yuan)或(huo)網(wang)格(ge)來(lai)近(jin)似(si)求(qiu)解(jie)。此(ci)過(guo)程(cheng)通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)網(wang)格(ge)函(han)數(shu)的(de)輔(fu)助(zhu)，可(ke)有(you)效(xiao)地(di)對(dui)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)分(fen)區(qu)。在(zai)需(xu)要(yao)的(de)地(di)方(fang)進(jin)行(xing)網(wang)格(ge)細(xi)化(hua)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)一(yi)組(zu)精(jing)確(que)的(de)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)。通(tong)過(guo)將(jiang)網(wang)格(ge)與(yu)來(lai)自(zi)電(dian)
、機械和熱域的其他信息相結合

，耦合的場模塊可用於同時求解靜電、耦合電機械學、壓電、壓阻

、阻尼效應和其他特性。

 

可以為超聲波換能器仿真許多重要的器件特性，包括：

 

• 電阻抗

• 振型

• 壓力和位移水平

• 波束圖形

• 指向性指數

• 效率

• 脈衝回波響應

• 串擾

• 帶寬

• 材料特性

• 機械衝擊

• 粘合效應

 

我們此次設計使用的多物理FEA工具為OnScale。OnScale功(gong)能(neng)強(qiang)大(da)且(qie)支(zhi)持(chi)雲(yun)技(ji)術(shu)
，它(ta)不(bu)僅(jin)提(ti)供(gong)上(shang)述(shu)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)，並(bing)且(qie)可(ke)在(zai)雲(yun)計(ji)算(suan)基(ji)礎(chu)架(jia)構(gou)上(shang)大(da)規(gui)模(mo)並(bing)行(xing)處(chu)理(li)它(ta)們(men)
，將(jiang)設(she)計(ji)研(yan)究(jiu)從(cong)幾(ji)周(zhou)縮(suo)短(duan)到(dao)幾(ji)小(xiao)時(shi)內(nei)完(wan)成(cheng)。當(dang)然(ran)COMSOL、ANSYS也可以勝任。

 

設計傳感器

 

使用諸如FEA的仿真技術，在對壓電MEMS超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)器(qi)的(de)特(te)性(xing)仿(fang)真(zhen)時(shi)
，需(xu)要(yao)解(jie)決(jue)一(yi)係(xi)列(lie)獨(du)特(te)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。最(zui)基(ji)本(ben)的(de)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)是(shi)確(que)定(ding)所(suo)需(xu)計(ji)算(suan)域(yu)的(de)相(xiang)對(dui)大(da)小(xiao)。要(yao)精(jing)確(que)地(di)捕(bu)捉(zhuo)波(bo)傳(chuan)播(bo)時(shi)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)應(ying)力(li)在(zai)小(xiao)空(kong)間(jian)的(de)梯(ti)度(du)，就(jiu)得(de)在(zai)長(chang)路(lu)徑(jing)（例如10-250波長）上部署精細網格（例如每波長8-12個單元）。結果將產生高效仿真網格所需的大量單元。OnScale具有高效的求解器和先進的混合網格技術，因而非常適合這種尺寸的模型。

 

本文設計的PMUT的單個換能器3D建模結構如下：標稱腔寬度為400μm、頂部電極直徑為200μm，空腔深度為40μm。PMUT的激發是通過施加在膜頂部電極上的一係列電壓脈衝。圖3顯示了當脈衝為32V時膜的形變程度。為了看得更清楚，形變有所誇大。

 

圖3：電刺激期間PMUT膜的形變（來源：OnScale）

 

為了優化本設計，我們需要最大化PMUT接收到的從液體表麵反射回的機械能量。我們需要構建一個實驗設計（DoE），可以覆蓋足夠的設計空間以包含我們的最佳解決方案。具體而言，我們通過改變設計參數（如表1）以確定最佳設計。

 

表1：PMUT優化之參數掃描

 

壓電層厚度和膜厚度均以0.1μm的步長從1.0μm掃描至2.5μm，總共產生256個設計仿真結果。圖4顯xian示shi了le結jie果guo的de一yi個ge子zi集ji，其qi中zhong共gong振zhen頻pin率lv與yu掃sao描miao參can數shu相xiang對dui應ying。在zai原yuan型xing設she計ji之zhi前qian，這zhe些xie結jie果guo為wei我wo們men給gei定ding的de環huan境jing條tiao件jian提ti供gong了le設she計ji的de最zui佳jia尺chi寸cun。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，仿fang真zhen結jie果guo表biao明ming
，由you於yu空kong氣qi損sun耗hao，反fan射she波bo的de能neng量liang在zai較jiao低di頻pin率lv下xia是shi最zui佳jia的de。我wo們men選xuan擇ze壓ya電dian層ceng厚hou度du為wei1.2μm和膜厚度為1.2μm，在該條件下可產生122kHz的低諧振頻率
，同時保持在製造工藝能力所限製的範圍內。使用傳統的FEA軟件工具難以探索這種尺寸的設計空間，這也是我們這次選擇OnScale進行分析的原因之一。

 

圖4：PMUT優化之諧振頻率（來源：OnScale）

 

設計模擬前端

 

圖5顯示了此設計的模擬前端。在S-Edit中捕獲PMUT的原理圖
，其使用的電壓源的屬性和參數與FEA研究的輸出相匹配。

 

圖5：PMUT換能器的模擬前端

 

當微控製器設置SR鎖存器時，飛行時間（ToF）功能啟動，SR鎖存器開始在采樣保持積分器上累積電荷。同時，微控製器按PMUT設計的諧振頻率產生一係列脈衝（122kHz）。因為核心電源電壓為2.5V

，而根據PMUT的要求必須升高至32V，所以使用電荷泵DC-DC轉換器和數字電平轉換器將脈衝放大至32V。換能器接收到信號脈衝，在罐體中產生壓力波
，並在液體界麵處反射回來（圖6）。

PMUT探測到該反射波後，在膜上產生峰值幅度約為500μV的電壓信號，該信號的延遲時間取決於壓力波傳播到液位頂部所需的時間和反射回PMUT的時間。

 

 

圖6：罐內波傳播仿真（來源：OnScale）

 

設計選用的儀表放大器的增益為70dB，放大器將PMUT信號放大並將其反饋至施密特觸發器。施密特觸發器內置有遲滯功能，當放大的反射信號上升到閾值電壓（VREF）1.25V以上時，會將SR鎖存器複位。鎖存器複位時還會鎖定采樣保持積分器，在壓力波穿過罐體中的空氣層並返回到PMUT所需的時間內，該采樣保持積分器已在其輸出電容器上累積了電荷。在微控製器之前的ADC會將積分器的輸出電壓轉換成到數字信號，該數值與飛行時間線性相關，並且可通過減法來計算罐內的液位。

 

執行初始係統仿真

 

啟動仿真時，S-Edit先創建完整的Verilog-AMS網表並將其傳遞給T-Spice。T-Spice自動添加模擬/數字連接模塊，然後對設計進行分區仿真。T-Spice對SPICE和Verilog-A進行模擬仿真並將RTL發送到ModelSim進行數字仿真。兩個仿真器都能自動調用，並且在仿真過程中，隻要模擬/數字邊界發生信號變化
，信號值就會在仿真器之間來回傳遞。這意味著

，無論設計使用何種語言，設計人員都可以從S-Edit驅動仿真

，並且設計會在仿真器之間自動分區。然後，設計人員可以使用ModelSim和T-Spice波形查看器進行結果交互。圖7顯示了仿真的結果。

 

圖7：初始係統仿真結果

 

第一個綠色波形顯示為頻率在122kHz的高壓脈衝。接下來
，PMUT響應大約發生在初始脈衝後1.2ms，紅色波形顯示其在儀表放大器的輸入。假設空氣中的聲速為343m/s
，這相當於液位在低於滿位的21cm處。第三個紫色波形顯示為SR鎖存器的輸出

，當PMUT輸出電壓超過400μV（放大之前）時被觸發。最後藍色波形顯示為積分器的輸出
，輸出先隨電壓的線性增加，直到SR鎖存器觸發使積分器保持。通過8位ADC將輸出轉換為數字信號，然後發送到微控製器計算液位。對於此設計，假定罐體總深度為2.1m。然後可以計算出最大的飛行時間為12.2ms，隨後對應產生積分器輸出為2.17V。這與設計所選ADC的最大輸入電壓（2.2V）接近。對於不同尺寸的儲存容器，儀表放大器的增益可以相應調整。

 

開發軟件

 

在(zai)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)上(shang)運(yun)行(xing)軟(ruan)件(jian)，包(bao)括(kuo)代(dai)碼(ma)，並(bing)周(zhou)期(qi)性(xing)地(di)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)液(ye)體(ti)深(shen)度(du)
，並(bing)向(xiang)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)報(bao)告(gao)任(ren)何(he)顯(xian)著(zhu)的(de)液(ye)位(wei)變(bian)化(hua)。假(jia)設(she)積(ji)分(fen)器(qi)和(he)ADC近似線性相關
，則可以使用線性斜率和截距將ADC的輸出轉換為時間。這些值先仿真
，然後通過測量模擬仿真結果進行驗證。用飛行時間乘以空氣中的聲速（343m/s）可轉換為空氣的高度。最後，液位即為總罐體深度減去空氣的高度。

 

執行實際的係統仿真

 

因為我們已經驗證了MEMS換能器，並且我們希望能顯著節省仿真時間，我們使用Verilog行為模型來替代傳感器（圖8），該模型使用離散的仿真時間代替連續模擬采樣來進行數據采樣。

 

圖8：PMUT仿真替代模型

 

該模型與模擬傳感器行為非常匹配，為了更快地係統仿真
，每隔1μs進行數據采樣

，盡管ADC每次轉換需要12μs。圖9顯示了係統的仿真結果。記錄欄（A）顯示液位變化警告，波形（B）顯示與泄漏對應的液位和聲傳感器值。係統大部分仿真時間處於休眠狀態，定期醒來獲取深度讀數（C）。

 

圖9：係統仿真結果

 

下一步

 

接下來的步驟就是完善係統為其充實模擬部分，比如添加RF收發器、通信模塊和設備ID以便連接到Internet。另外，為係統和Web開發複雜的軟件，以拓展更多的可能性，包括潛在的：雙向通信（指導係統行動）、無線軟件更新、預防性維護和雲服務。我們也可以更進一步

，為係統添加溫度傳感器，以更好地校準測量結果。

 

 

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