雙軸表面剪切應力傳感器的製作方法
2023-09-18 02:50:55 2
專利名稱：雙軸表面剪切應力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統(MEMS)技術領域，特別是一種雙軸表面剪切應力傳感器。
背景技術：
表面剪切應力的測量在基礎科學研究、工業控制以及生物醫學應用中具有非常重要 的意義。例如，在高超音速條件下，準確地獲得飛行器表面摩擦應力的大小以及邊界層 轉捩的信息，將為正確的熱防護設計提供可靠的依據。
傳統的宏觀尺度的測量技術無法滿足獲得精確的表面剪應力數據的要求。MEMS 技術所具有的小型化的優點使得基於MEMS技術的剪應力傳感器可具有足夠高的空間 解析度，具有潛力能夠顯著提高時間的以及空間的測量帶寬，滿足對表面剪應力測量數 據的高標準要求。
已有報導的利用微加工技術製作的結構如圖1所示(Nicholas Tiliakos and George Papadopoulos etc, MEMS Shear Stress Sensor for Hypersonic Aeropropulsion Test and Evaluation, 2006 Annual ITEA Technology Review August 710,2006 )。圖1為目前利用微加 工技術製作的表面剪切應力傳感器的結構示意圖。其中，la、 lb、 lc、 ld是固定基座， 2a、 2b是固定梳齒電極，3a、 3b、 3c、 3d是支撐梁，7是可動的浮動單元，8a、 8b是固 定電極，9a、 9b是敏感電極，6是流體的方向。流體運動在浮動單元表面所產生的表面 剪切應力使浮動單元在流體的方向上產生位移。固定電極8a與敏感電極9a構成一敏感 電容200，固定電極8b與敏感電極9b構成另一敏感電容201，並且敏感電容200和敏 感電容201構成差分電容結構，用於測量浮動單元的位移量。
這種結構的最大問題是需要將表面剪切應力傳感器放置於使流體的運動方向垂直 於支撐梁的長度方向。當應用於方向未知的流體、或者方向會發生改變的流體，所述傳 感器結構具有很大局限性，無法同時實現對表面剪切應力大小的測量和流體方向的確定。
發明內容
本發明的目的在於提供一種雙軸表面剪切應力傳感器，該傳感器能夠確定流體運動 的方向，同時測量流體運動在固體表面所產生的表面剪切應力的大小。
實現本發明目的的技術解決方案為 一種雙軸表面剪切應力傳感器，包括固定基座、 外部固定梳齒電極、外部支撐梁、浮動單元、外部固定梳齒和外部敏感梳齒，所述的外部固定梳齒與外部敏感梳齒分別構成敏感電容，該兩個敏感電容之間構成差分電容結 構，所述的外部固定梳齒分別與外部固定梳齒電極連接，由上下層構成，上層為製作在 單晶矽片上的表面剪切應力傳感器機械結構，下層為製作在玻璃襯底上的信號引線，將 固定基座、外部固定梳齒電極、外部固定梳齒、外部敏感梳齒、外部支撐梁、支撐框架、 內部支撐梁、內部固定梳齒電極、內部固定梳齒、內部敏感梳齒、浮動單元設置在上層 機械結構，外部敏感梳齒與支撐框架連接，該支撐框架通過外部支撐梁分別連接到固定 基座，所述的固定基座安裝在玻璃襯底上的第一金屬引線鍵合點上，使上層的機械結構 部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上；所述的內部支撐梁將浮動單元連接到支撐框架 上；外部固定梳齒電極被固定在玻璃襯底上的第二金屬引線鍵合點上；所述的內部固定 梳齒與內部固定梳齒電極連接，內部固定梳齒電極被固定在玻璃襯底上的第三金屬引線 鍵合點上；所述的內部敏感梳齒與浮動單元連接，所述的內部固定梳齒與內部敏感梳齒 分別構成敏感電容。
本發明與現有技術相比，其顯著優點(l)本發明提供的這種表面剪切應力傳感器， 能夠確定平面內流體的方向，同時對流體在固體表面所產生的表面剪切應力的大小進行 測量。(2)本發明提供的這種表面剪切應力傳感器，釆用差分電容式結構進行信號的讀 出，有利於和信號採集處理電路的集成。並使用成熟可行的MEMS工藝製造，實現了 器件的小型化，提高了傳感器的時間以及空間的解析度。(3)傳感器採用差分電容的結 構讀出信號，有利於器件的大量生產以及和信號採集處理電路的集成。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖1為目前利用微加工技術製作的表面剪切應力傳感器的結構示意圖； 圖2為本發明提供的雙軸表面剪切應力傳感器的俯視圖； 圖3為圖2所示的雙軸表面剪切應力傳感器的剖面結構示意圖； 圖4為圖2所示的雙軸表面剪切應力傳感器下層的玻璃襯底上的信號引線示意圖。 圖5為本發明提供的雙軸表面剪切應力傳感器的另一種結構形式的俯視圖；
具體實施例方式
結合圖2，本發明雙軸表面剪切應力傳感器，包括固定基座la、 lb、 lc、 ld、外部 固定梳齒電極2a、 2b，外部支撐梁3a、 3b、 3c、 3d，浮動單元7、外部固定梳齒8a、 8b 和外部敏感梳齒9a、 9b，所述的外部固定梳齒8a、 8b與外部敏感梳齒9a、 9b分別構成敏感電容200、 201，該兩個敏感電容200、 201之間構成差分電容結構，所述的外部固 定梳齒8a、 8b分別與外部固定梳齒電極2a、 2b連接，由上下層構成，上層為製作在單 晶矽片上的表面剪切應力傳感器機械結構，下層為製作在玻璃襯底上的信號引線，將固 定基座la、 lb、 lc、 ld，外部固定梳齒電極2a、 2b，外部固定梳齒8a、 8b，外部敏感 梳齒9a、 9b，外部支撐梁3a、 3b、 3c、 3d,支撐框架4、內部支撐梁5a、 5b、 5c、 5d， 內部固定梳齒電極6a、 6b，內部固定梳齒10a、 10b，內部敏感梳齒lla、 llb，浮動單 元7設置在上層機械結構，外部敏感梳齒9a、 9b與支撐框架4連接，該支撐框架4通 過外部支撐梁3a、 3b、 3c、 3d分別連接到固定基座la、 lb、 lc、 ld，所述的固定基座 la、 lb、 lc、 ld安裝在玻璃襯底12上的第一金屬引線鍵合點20a、 20b、 20c、 20d上， 使上層的機械結構部分懸空在下層的玻璃襯底12部分之上；所述的內部支撐梁5a、 5b、 5c、 5d將浮動單元7連接到支撐框架4上；外部固定梳齒電極2a、 2b被固定在玻璃襯 底12上的第二金屬引線鍵合點21a、 21b上；所述的內部固定梳齒10a、 10b與內部固 定梳齒電極6a、 6b連接，內部固定梳齒電極6a、 6b被固定在玻璃襯底12上的第三金 屬引線鍵合點22a、 22b上；所述的內部敏感梳齒lla、 11b與浮動單元7連接，所述的 內部固定梳齒10a、 10b與內部敏感梳齒lla、 llb分別構成敏感電容100、 101。
其中，本發明雙軸表面剪切應力傳感器的外部敏感梳齒9a、 9b在平行於外部支撐 梁3a、 3b、 3c、 3d的方向上與支撐框架4連接；在流體作用下，支撐框架4在垂直方 向上產生位移時，外部敏感梳齒9a、 9b的位移方向垂直於外部固定梳齒8a、 8b。外部 敏感梳齒9a、 9b可以在垂直於外部支撐梁3a、 3b、 3c、 3d的方向上與支撐框架4連接； 在流體作用下，支撐框架4在垂直方向上產生位移時，外部敏感梳齒9a、 9b的位移方 向平行於外部固定梳齒8a、 8b。內部敏感梳齒lla、 lib可以在垂直於內部支撐梁5a、 5b、 5c、 5d的方向上與浮動單元7連接；在流體作用下，浮動單元7在水平方向上產生 位移時，內部敏感梳齒lla、 llb的位移方向平行於內部固定梳齒10a、 10b。外部支撐 梁3a、 3b、 3c、 3d可以為單梁或摺疊梁。內部支撐梁5a、 5b、 5c、 5d可以為單梁或折 疊梁。
如圖2、圖3和圖4所示，圖2為本發明提供的雙軸表面剪切應力傳感器的俯視圖， 圖3為圖2所示的雙軸表面剪切應力傳感器的剖面結構示意圖，圖4為圖2所示的雙軸 表面剪切應力傳感器下層的玻璃襯底上12的信號引線示意圖。該表面剪切應力傳感器 上層機械結構的固定基座la、 lb、 lc、 ld與玻璃襯底上的第一金屬引線鍵合點20a、 20b、
620c、 20d相連接；支撐框架4通過外部支撐梁3a、 3b、 3c、 3d分別連接到固定基座la、 lb、 lc、 1d。內部支撐梁5a、 5b、 5c、 5d將浮動單元7連接到支撐框架4上。外部固 定梳齒8a、 8b分別與外部固定梳齒電極2a、 2b連接，外部固定梳齒電極2a、 2b與玻 璃襯底12上的第二金屬引線鍵合點21a、 21b連接。外部敏感梳齒9a、 9b與支撐框架4 連接。內部固定梳齒10a、 10b與內部固定梳齒電極6a、 6b連接，內部固定梳齒電極6a、 6b玻璃襯底12上的第三金屬引線鍵合點22a、 22b連接。內部敏感梳齒lla、 1b與浮 動單元7連接。外部固定梳齒8a與外部敏感'梳齒9a構成敏感電容200，外部固定梳齒 8b與外部敏感梳齒9b構成敏感電容構201，並且敏感電容200與敏感電容201構成差 分電容結構。內部固定梳齒10a與內部敏感梳齒lla構成敏感電容100，內部固定梳齒 10b與內部敏感梳齒llb構成敏感電容101，並且敏感電容IOO與敏感電容101構成差 分電容結構。
本發明提供的雙軸表面剪切應力傳感器，採用差分電容檢測的方式。當流體以水平 方向運動時，流體與浮動單元表面相互作用，將在浮動單元表面產生水平方向的表面剪 切應力，該表面剪切應力的方向與支撐梁5a、 5b、 5c、 5d的軸向垂直，使支撐梁5a、 5b、 5c、 5d彎曲，浮動單元在水平方向上產生位移，導致內部固定梳齒10a與內部敏感 梳齒lla之間的間距、內部固定梳齒10b與內部敏感梳齒llb之間的間距發生變化，因 而電容100與電容101的電容大小發生變化，通過電容100與電容101的電容變化量表 徵浮動單元的位移量。此時，相對於支撐梁5a、 5b、 5c、 5d的彎曲所引起的電容100 與電容IOI的電容變化量，支撐梁3a、 3b、 3c、 3d的彎曲所引起的電容200與電容201 的電容變化量非常微小，可以忽略不計。同理，當流體以垂直方向運動時，作用在浮動 單元上的表面剪切應力將使支撐框架4在垂直方向產生位移，支撐框架4在垂直方向上 的位移量通過電容200與電容201的電容變化量來表徵。
需要注意的是，在流體作用下，敏感梳齒運動的方向可以是垂直於固定疏齒，例如 圖2所示的傳感器結構；敏感梳齒運動的方向也可以是平行於固定疏齒，例如圖5所示 的傳感器結構。 .
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細 說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明， 凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發 明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種雙軸表面剪切應力傳感器，包括固定基座(1a、1b、1c、1d)、外部固定梳齒電極(2a、2b)、外部支撐梁(3a、3b、3c、3d)、浮動單元(7)、外部固定梳齒(8a、8b)和外部敏感梳齒(9a、9b)，所述的外部固定梳齒(8a、8b)與外部敏感梳齒(9a、9b)分別構成敏感電容(200、201)，該兩個敏感電容(200、201)之間構成差分電容結構，所述的外部固定梳齒(8a、8b)分別與外部固定梳齒電極(2a、2b)連接，其特徵在於由上下層構成，上層為製作在單晶矽片上的表面剪切應力傳感器機械結構，下層為製作在玻璃襯底上的信號引線，將固定基座(1a、1b、1c、1d)、外部固定梳齒電極(2a、2b)、外部固定梳齒(8a、8b)、外部敏感梳齒(9a、9b)、外部支撐梁(3a、3b、3c、3d)、支撐框架(4)、內部支撐梁(5a、5b、5c、5d)、內部固定梳齒電極(6a、6b)、內部固定梳齒(10a、10b)、內部敏感梳齒(11a、11b)、浮動單元(7)設置在上層機械結構，外部敏感梳齒(9a、9b)與支撐框架(4)連接，該支撐框架(4)通過外部支撐梁(3a、3b、3c、3d)分別連接到固定基座(1a、1b、1c、1d)，所述的固定基座(1a、1b、1c、1d)安裝在玻璃襯底(12)上的第一金屬引線鍵合點(20a、20b、20c、20d)上，使上層的機械結構部分懸空在下層的玻璃襯底(12)部分之上；所述的內部支撐梁(5a、5b、5c、5d)將浮動單元(7)連接到支撐框架(4)上；外部固定梳齒電極(2a、2b)被固定在玻璃襯底(12)上的第二金屬引線鍵合點(21a、21b)上；所述的內部固定梳齒(10a、10b)與內部固定梳齒電極(6a、6b)連接，內部固定梳齒電極(6a、6b)被固定在玻璃襯底(12)上的第三金屬引線鍵合點(22a、22b)上；所述的內部敏感梳齒(11a、11b)與浮動單元(7)連接，所述的內部固定梳齒(10a、10b)與內部敏感梳齒(11a、11b)分別構成敏感電容(100、101)。
2、 根據權利要求1所述的雙軸表面剪切應力傳感器，其特徵在於外部敏感梳齒 (9a、 9b)在平行於外部支撐梁(3a、 3b、 3c、 3d)的方向上與支撐框架(4)連接；在流體作用下，支撐框架(4)在垂直方向上產生位移時，外部敏感梳齒(9a、 9b)的 位移方向垂直於外部固定梳齒(8a、 8b)。
3、 根據權利要求1所述的雙軸表面剪切應力傳感器，其特徵在於外部敏感梳齒 (9a、 9b)在垂直於外部支撐梁Ga、 3b、 3c、 3d)的方向上與支撐框架(4)連接；在流體作用下，支撐框架(4)在垂直方向上產生位移時，外部敏感梳齒(9a、 9b)的 位移方向平行於外部固定梳齒(8a、 8b)。
4、 根據權利要求1所述的雙軸表面剪切應力傳感器，其特徵在於內部敏感梳齒 (lla、 lib)在垂直於內部支撐梁(5a、 5b、 5c、 5d)的方向上與浮動單元(7)連接;在流體作用下，浮動單元(7)在水平方向上產生位移時，內部敏感梳齒(lla、 lib) 的位移方向平行於內部固定梳齒(10a、 10b)。
5、 根據權利要求1所述的雙軸表面剪切應力傳感器，其特徵在於外部支撐梁(3a、 3b、 3c、 3d)為單梁或摺疊梁。
6、 根據權利要求1所述的雙軸表面剪切應力傳感器，其特徵在於內部支撐梁(5a、 5b、 5c、 5d)為單梁或摺疊梁。
全文摘要
本發明涉及微機電系統技術領域，公開了一種雙軸表面剪切應力傳感器，所述表面剪切應力傳感器由上、下兩層構成，上層為製作在單晶矽片上的表面剪切應力機械結構，下層為製作在玻璃襯底上的信號引線。所述表面剪切應力傳感器上層機械結構包括固定基座、外部固定梳齒電極、外部固定梳齒、外部敏感梳齒、外部支撐梁、支撐框架、內部支撐梁、內部固定梳齒電極、內部固定梳齒、內部敏感梳齒、浮動單元。所述內部固定梳齒和內部敏感梳齒測量水平方向的表面剪切應力，所述外部固定梳齒和外部敏感梳齒測量垂直方向的表面剪切應力。利用本發明，能夠確定平面內表面剪切應力的方向，同時測量表面剪切應力的大小。
文檔編號G01L9/12GK101482441SQ20081024366
公開日2009年7月15日 申請日期2008年12月11日 優先權日2008年12月11日
發明者曉 明, 巖 蘇, 裘安萍, 黃欽文 申請人:南京理工大學