本文为OnScale与Mentor合作发售，由行业专家编写，文章详尽讲解了压电MEMS超声波换能器产品的设计过程，还包括传感器的建模、设计以及它与整个系统的构建。理解系统我们正在研发一种槽罐液位监测系统。该系统可以加装在啤酒厂、酿酒厂和其他饮料厂的物联网边缘设备中，借以搜集液位的状态，并可主动通报技术人员否不存在任何问题（例如外泄）。
我们对系统展开了改进（图1），利用压电MEMS超声波换能器（PMUT）来监测水箱中的液位，并定期将测量结果上传遍网关设备中。图1：槽罐液位监测系统框图压电MEMS超声波换能器在罐体中升空超声波，然后测量被液体表面光线的波，从而获得一个较小的仿真机械波（必须缩放）。升空波与反射波之间的时间差与液体的距离成正比。
仿真前端（AFE）将MEMS波形缩放并将信号切换为回应飞行中时间（或液体深度两倍）的分数电压。模数转换器（ADC）将该电压转换成数字信号，以作为运营软件的微控制器的输出。
时钟、PLL和振荡器电路是数字电路的反对模块，偏置电流发生器、电压调节器和带上隙基准是仿真电路的反对模块。射频（RF）发送器将数据发送到网关。ArmCortex-M3微控制器与仿真电路和RF发送器连接。如果将来我们计划减少温度传感器，还必须多路复用器，但对于本白皮书，我们不考虑到这两个元素。
理解传感器据麦姆斯咨询讲解，超声波换能器用于超声波来观测传感器与其他物体之间的距离。它们需要将电能切换为机械能，并且在大多数情况下，还能将机械能切换返电能。
正是这种功能的二元性使得超声波换能器可以向物体或界面升空压力波，并可以在这些波被光线回源时观测它们。虽然在日常生活中具有普遍的应用于，但与其它竞争技术比起，传统的超声波换能器更加轻巧、更加耗电量、更加便宜。
这容许了它们的应用于，特别是在消费领域，但这种情况由于MEMS技术的应用于而正在较慢转变。将要上市的新一代小型化超声波换能器的功耗比前代产品较低了一个数量级。
没什么比当前我们研发并实行在系统中的PMUT更加适合的例子了。PMUT由一个漂浮在腔体上的压电薄膜构成，压电薄膜一般来说为锆钛酸锌（PZT）或氮化铝（AlN）材料。当在膜上产生电脉冲时，膜不会振动并必要在它认识的介质中产生声波。
当设计恰好为共振频率时，PMUT可以用十分小的功率产生大量的能量。图2表明了PMUT横截面示意图，可以通过调整膜厚度和直径大小来优化等价介质的共振频率。PMUT可以用于成熟期的硅基半导体生产工艺来生产。
因而与许多竞争技术比起，它们可以限于于低成本的大批量应用于，更加最重要的是，它们还可以与CMOS无缝构建，从而在一颗芯片上构建原始的传感系统。图2：PMUT换能器的横截面示意图（来源：OnScale）用于有限元分析展开PMUT建模PMUT设计的第一步，我们用于被称作“有限元分析（FEA）”的技术来展开PMUT建模。
通过有限元分析，可以将叙述结构不道德的简单的微分方程切换为代数表达式，以修改成数值解法。在设计中我们可以使用多种FEA方法：用作探寻设计概念、继续执行设计性能的功能检验，以及优化设计。FEA可以探究真实世界里非理想几何形状、生产加工和材料属性的变化，非常适合处置边界条件简单的问题。FEA工具依赖将建模结构区分为低阶有限元或网格来近似于解法。
此过程通过自动网格函数的辅助，可有效地对结构展开分区。在必须的地方展开网格细化，设计人员可以取得一组准确的建模结果。通过将网格与来自电、机械和热域的其他信息结合，耦合的场模块可用作同时解法静电、耦合电机械学、压电、压阻、阻尼效应和其他特性。可以为超声波换能器建模许多最重要的器件特性，还包括：·电电阻·振型·压力和偏移水平·波束图形·指向性指数·效率·脉冲脉冲号召·串扰·比特率·材料特性·机械冲击·黏合效应我们此次设计用于的多物理FEA工具为OnScale。
OnScale功能强大且反对云技术，它不仅获取上述所有功能，并且可在云计算基础架构上大规模并行处理它们，将设计研究从几周延长到几小时内已完成。当然COMSOL、ANSYS也可以胜任。
设计传感器用于诸如FEA的仿真技术，在对压电MEMS超声波换能器的特性建模时，必须解决问题一系列独有的挑战。最基本的挑战之一是确认所须要计算出来域的比较大小。
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