基於柔性mems技術的三維流體應力傳感器及其陣列的製作方法
2023-08-07 12:52:01 2
專利名稱：基於柔性mems技術的三維流體應力傳感器及其陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種流體動力學中領域的流體應力傳感器，具體是一種基於柔性 MEMS技術的三維流體應力傳感器及其陣列。
背景技術：
當前對流場內的繞流物體進行主動流控制是流體力學的研究熱點之一，特別是在航行體動力學研究領域。當航行體航行時，物面邊界層由層流發展為湍流，湍流邊界層內隨機的速度擾動將會對航行器產生阻力和動力噪聲。對繞流運動物體表面的湍流邊界層流場實現主動控制，可以提高航行器的動力學性能，同時降低噪聲輻射，對整個航行器系統的性能有著極大的提高，因此流體控制成為當今流體力學的研究熱點。通過微型流體應力傳感器可以實時檢測湍流邊界層壁面應力的分布來了解湍流邊界層的流體動力學特性，將輸出信號反饋到微執行器來實現對流場的主動控制。傳感器必須滿足相應的時間和空間尺度要求，同時需要安放在繞流物體的曲體表面上，因此基於柔性MEMS加工技術的微型流體應力傳感器及其陣列的研究受到了高度關注。經過對現有技術的檢測，發現用於流體動力學中主動流控制的MEMS傳感器大多是一維的壓應力傳感器或二維的剪切應力傳感器，如德國柏林工業大學A. Berns等人製作的應用於空氣動力學的壓阻式壓力傳感器，以及美國加州理工大學的^ng Xu等人製作的柔性皮膚剪切應力傳感(《Flexible MEMS Skin Technology for Distributed Fluidic Sensing)))。這些傳感器製作在矽襯底上面，並且採用正面信號引線技術對流場產生較大的幹擾，因而探索一種基於柔性MEMS技術可以實現背線引接技術的三維流體應力傳感器陣列具有重要的理論與現實意義。
發明內容
本發明針對現有技術上的不足，提供了一種基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器及其陣列，具有較高的解析度、體積小、低成本批量加工的優點，解決了柔性襯底和信號背線引接問題，並且可以滿足流體動力學中三維流體應力的測量要求。本發明是通過以下技術方案實現的本發明所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，包括電容式壓應力傳感器和熱剪切應力傳感器，這兩部分通過MEMS —體化加工技術集成在一起，三維流體應力傳感器表面有一層保護膜；其中所述電容式壓應力傳感器包括位於上電極層的上極板、壓應力敏感膜和下電極層的下極板組成，支撐結構層形成了壓應力傳感器的空腔結構，電容信號通過下極板的檢測電極對引到檢測電路，上極板無需信號引出；所述熱剪切應力傳感器由四組雙熱線電阻組成，熱線電阻在上電極層位於三維流體應力傳感器表面保護膜的下面，四組雙熱線位於所述電容式壓應力傳感器的上極板四周，呈正方形排列，相鄰兩組構成一組正交關係，熱線電阻信號通過引線柱從柔性襯底引入檢測電路，可以實現二維剪切應力的矢量測量。所述的三維流體應力傳感器表面保護膜為一層很薄的聚醯亞胺或聚對二甲苯聚合物材料，該保護膜通過高速旋塗，低溫固化後進行高溫亞胺化處理，具有很好的柔韌性， 不會對流場和熱線之間的熱交換產生較大影響，同時起到保護流體應力傳感器晶片的作用。所述的電容式壓應力傳感器的壓應力敏感膜為PDMS膜、Mylar薄膜等對壓應力敏感的材料，在壓應力作用下膜片發生形變導致電容間隙發生變化，通過檢測電極對測量電容信號變化計算出壓應力的大小。壓應力敏感膜對壓應力信號敏感，同時具有很好的機械韌性。所述的熱剪切應力傳感器採用四組接近式雙熱線結構成正方形排列，實現平面內二維剪切應力的矢量測量，熱線電阻材料為Pt或Ni，熱線電阻的信號通過M或Cu引線柱從柔性襯底引到檢測電路。所述的支撐結構層材料為PDMS、SU8膠或三氧化二鋁絕緣材料，通過模具或LIGA 加工技術製作。本發明所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器的襯底為柔性印刷電路板等柔性結構。本發明所述的流體應力傳感器晶片採用MEMS工藝多層掩膜鍵合工藝加工製作設計的工藝流程可以實現信號背線弓丨接，消除引線對被測流場的幹擾。本發明還涉及一種由上述三維流體應力傳感器構成的陣列，所述陣列為NXM(N、M 為自然數)矩形陣列，每個測量單元包含一個電容式壓應力傳感器和四組雙熱線組成的熱剪切應力傳感器，每個測量單元的信號分別引入檢測電路，通過檢測電路實現陣列式掃描檢測。所述陣列中，熱剪切應力傳感器採用雙熱線結構，熱線電阻材料為M或Pt等金屬材料，熱線電阻信號通過M或Cu引線柱從柔性襯底連接到檢測電路。所述陣列中，流體應力傳感器通過MEMS工藝多層掩膜和鍵合工藝製作，採用柔性襯底和背線引接技術，因而不會對流場產生幹擾。本發明採用上述技術方案之後，工作原理如下(1)通過熱剪切應力傳感器測量平面內的二維剪切應力的大小和方向，熱剪切應力傳感器是一種基於熱敏電阻原理間接測量方法的剪切應力傳感器。傳感器工作時，熱敏電阻被驅動的電流加熱到恆定的溫度，流體以不同的流速通過熱敏電阻表面帶走熱量， 導致熱敏電阻值發生變化，通過測量電阻值的變化測量出流場中流體的流速，再根據公式
dv
7 = 算出剪切應力的大小，其中τ是剪切應力，μ是流體的黏附係數，V為流體速度， dy
y為垂直壁面方向。(2)通過電容式壓應力傳感器測量出壓應力的大小，當壓應力作用在壓應力敏感膜上面時，導致壓應力敏感膜發生形變從而引起電容信號發生變化，電容信號的檢測主要通過下電極層檢測電極對連接到檢測電路，上電極層的上極板無需信號弓I出，最後通過電容信號的變化計算出壓應力的大小。本發明與現有的流體應力傳感器相比具有以下優點(1)本發明的傳感器能夠實CN 102539029 A
現三維應力的矢量化測量，集成了壓應力傳感器和剪切應力傳感器；(2)本發明的傳感器陣列採用柔性襯底，能夠在物體表面為複雜曲面情況下三維應力的測量；C3)本發明的傳感器採用背面引線技術，能夠在進行三維應力測量時避免信號引線對被測流場引起的幹擾。
圖1為本發明基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器陣列俯視圖；圖2為本發明基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器剖面結構圖；圖3為本發明基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器上電極層結構圖；圖4為本發明基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器下電極層結構圖；圖5熱剪切應力傳感器工作原理；圖6為雙熱線測流速的工作原理；圖7為壓應力傳感器工作原理。圖中標號保護膜1、上電極層2、壓應力敏感膜3、引線柱4、下電極層5、柔性襯底 6、雙熱線電阻7、上極板8、檢測電極對9、電容輸出信號引腳10、熱線電阻輸出信號引腳11、 空間支撐結構層12。
具體實施例方式下面對本發明的實施例做詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖1-圖4所示，本實施例提供一種基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器陣列，所述陣列為4X4矩形陣列；每個測量單元包含一個電容式壓應力傳感器和四組雙熱線熱組成的熱剪切應力傳感器，每個測量單元的信號分別引入檢測電路，相鄰的兩個測量單元相距2000um左右以免之間的信號相互幹擾。該電容式壓應力傳感器和熱剪切應力傳感器通過MEMS —體化加工技術集成在一起構成一個基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器。本實施例中，所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器從整體看，包括的部件有表面的保護膜1、上電極層2、壓應力敏感膜3、空間支撐結構層12、引線柱4、下電極層5和柔性襯底6等多層結構，其中上電極層包括熱線電阻和電容式壓應力傳感器的上極板，下電極層包括信號引腳和電容式壓應力傳感器的下極板，下極板由一個檢測電極對9 組成。這些部件可以構成電容式壓應力傳感器和熱剪切應力傳感器。具體來說，本實施例中，所述電容式壓應力傳感器，包括位於上電極層2的上極板8、壓應力敏感膜3和下電極層5上的檢測電極對9組成，支撐結構層12形成了壓應力傳感器的空腔結構，電容信號通過下極板的檢測電極對9引入檢測電路，上極板8無需信號引出ο本實施例中，所述熱剪切應力傳感器包括四組雙熱線電阻7，所述四組雙熱線電阻 7在上電極層2位於保護膜1下面，四組雙熱線電阻7排列在上極板8的周圍呈正方形排列，相鄰的兩組雙熱線電阻7構成一組正交的關係，熱線電阻7的信號通過引線柱4連接從柔性襯底6引入檢測電路中。
本實施例中，所述的保護膜1為聚醯亞胺等聚合物柔性薄膜材料，具體做法為先在玻璃等剛性襯底上面濺射一層Cr/Cu金屬犧牲層，然後通過甩膠機高速旋塗一層聚醯亞胺薄膜，固化後，進行真空烘亞胺化，對整個晶片起保護層作用。本實施例中，所述的上電極層2通過在真空烘後的聚醯亞胺薄膜上濺射一層Pt或 Ni金屬薄膜，通過光刻和離子銑工藝形成上極板8和熱線電阻7結構，熱線電阻7的信號通過引線柱4引向柔性襯底6。本實施例中，所述的引線柱4為電鍍Ni或Cu柱，在Pt或Ni金屬薄膜上光刻後， 通過電鍍工藝實現。本實施例中，所述的壓應力敏感膜3和空間支撐結構層12材料為PDMS，空間支撐結構12材料也可以為SU8膠、三氧化二鋁薄膜等，該結構可以在上電極層2上通過模具或光刻PDMS工藝形成，然後將整個結構浸泡在!^eCl3,溶液中腐蝕掉Cr/Cu金屬犧牲層，從而可以實現保護膜1及空間支撐結構12等結構層從玻璃等剛性襯底上的分離。本實施例中，所述的下電極層5位於柔性襯底6上面，通過濺射一層Pt或Ni或Cu 等金屬薄膜，光刻後通過離子銑工藝形成檢測電極對9、電容輸出信號引腳10、熱線電阻輸出信號引腳11，檢測電極對9主要用於壓應力傳感器電容信號變化的檢測。本實施例中，所述的柔性襯底6採用以聚醯亞胺為基板材料的雙面柔性印刷電路板，通過鍵合工藝將柔性襯底6和從玻璃上剝離下來的空間支撐結構鍵合在一起，完成整個器件晶片加工。柔性襯底6可以使傳感器安放在航行體的曲體表面上測量。本實施例中，所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器晶片主要是利用 MEMS多層掩膜加工工藝和鍵合技術製作。上述傳感器正常工作時，通過電容信號的變化測量出流體壓應力的大小，通過雙熱線電阻的變化測量出平面內二維剪切應力的大小和方向，電容信號和剪切應力信號分別引入檢測電路中互不幹擾。以下對上述傳感器的工作原理進行詳細說明。本實施例中，熱剪切應力傳感器通過一種間接測量方法測平面內二維矢量剪切應力的大小和方向，其原理如圖5所示，當層流通過物體表面時變成邊界層，形成流速梯度
dV
場，剪切應力的計算公式為τ = A^r，流場和熱元件之間發生熱交換，通過測量熱元件溫度
dy
的變化測量出流速的大小，進而計算出剪切應應力的大小。具體的工作方式如圖6所示，熱剪切應力傳感器工作在恆溫模式下，為了保證熱線電阻和流體保持恆定的溫度差，需要在
熱線電阻上施加電壓U，
權利要求
1.一種基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵在於包括電容式壓應力傳感器和熱剪切應力傳感器，這兩部分通過MEMS —體化加工技術集成在一起，該三維流體應力傳感器表面有一層保護膜；其中所述電容式壓應力傳感器包括位於上電極層的上極板、壓應力敏感膜和下電極層的下極板組成，支撐結構層形成了壓應力傳感器的空腔結構，電容信號通過下極板的檢測電極對引到檢測電路，上極板無需信號引出；所述熱剪切應力傳感器由四組雙熱線電阻組成，四組雙熱線位於所述電容式壓應力傳感器的上極板四周，呈正方形排列，相鄰兩組構成一組正交關係，熱線電阻信號通過引線柱從柔性襯底引入檢測電路，實現二維剪切應力的矢量測量。
2.根據權利要求1所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵是，所述電容式壓應力傳感器中，上極板為Cu或Ni金屬薄膜位於保護膜下面，壓應力敏感膜位於上電極層下面，下極板為Au、Cu或Ni金屬薄膜形成的一個檢測電極對位於柔性襯底上面。
3.根據權利要求1所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵是，所述的熱剪切應力傳感器中，熱線電阻在上電極層且位於三維流體應力傳感器表面保護膜的下面，熱剪切應力傳感器工作在恆溫模式下，通過測量施加在熱線電阻上電壓的變化計算出剪切應力的大小和方向。
4.根據權利要求1-3任一項所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵是，所述的保護膜為一層很薄的聚醯亞胺或聚對二甲苯聚合物材料。
5.根據權利要求1-3任一項所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵是，所述的壓應力敏感膜材料為PDMS或Mylar薄膜，在壓應力作用下膜片發生形變導致電容間隙發生變化，通過檢測電極對測量電容信號變化計算出壓應力的大小。
6.根據權利要求1-3任一項所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵是，所述的支撐結構層材料為PDMS、SU8膠或三氧化二鋁絕緣材料，通過模具或LIGA加工技術製作。
7.根據權利要求1-3任一項所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器，其特徵是，所述的柔性襯底採用以聚醯亞胺為基板材料的雙面柔性印刷電路板，傳感器能安放在航行體的曲體表面上測量。
8.一種由權利要求1-7所述的三維流體應力傳感器構成的陣列，其特徵是，所述的陣列為NXM矩形陣列，每個測量單元包含一個電容式壓應力傳感器和四組雙熱線組成的熱剪切應力傳感器，每個測量單元的信號分別引入檢測電路，通過檢測電路實現陣列式掃描檢測。
9.根據權利要求8所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器陣列，其特徵是， 所述熱剪切應力傳感器採用雙熱線結構，熱線電阻材料為M或Pt金屬材料，熱線電阻信號通過M或Cu引線柱從柔性襯底連接到檢測電路。
10.根據權利要求8或9所述的基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器陣列，其特徵是，所述的流體應力傳感器通過MEMS工藝多層掩膜和鍵合工藝製作，採用柔性襯底和背線引接技術。
全文摘要
本發明公開一種基於柔性MEMS技術的三維流體應力傳感器及其陣列，包括電容式壓應力傳感器和熱剪切應力傳感器，電容式壓應力傳感器包括位於上電極層的上極板、壓應力敏感膜和下電極層的下極板，支撐結構層形成壓應力傳感器的空腔結構；熱剪切應力傳感器由呈正方形排列的四組雙熱線電阻組成，熱線電阻信號通過引線柱從柔性襯底引入檢測電路。本發明基於柔性襯底技術和背線引接技術，採用MEMS加工技術和鍵合技術；通過電容信號的變化測量出流體壓應力的大小，通過雙熱線電阻的變化測量出平面內二維剪切應力的大小和方向，電容信號和剪切應力信號分別引入檢測電路中互不幹擾；具有較高的解析度、體積小、低成本批量加工的優點。
文檔編號B81B3/00GK102539029SQ20121005058
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者劉武, 吳校生, 孫永明, 崔峰, 張衛平, 王文君, 陳宏海, 陳文元 申請人:上海交通大學