二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器及其阵列和制备方法

摘要

本发明公开一种二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器及其阵列和制备方法，采用多层微细加工工艺制作热线、引线和引脚的三层结构，聚酰亚胺薄膜作为多层结构之间的平坦化绝缘材料并作为支撑结构。热线布置形式采用两组正交双热线结构，热线经引线引至传感器单元及整个阵列的引脚处，引脚的连线面与热线敏感面分别在传感器阵列薄膜厚度方向的正面和反面。传感器工作时将热线加热到高于流体的环境温度，当流体经过传感器表面时，流体将带走一定热量，该热量的变化与流体作用于物体表面的剪切应力有关。通过测量X或Y方向单热线对应的电压变化可得剪切应力的大小，再同时测量X或Y轴方向的双热线并将输出信号进行差分处理，可得剪切应力的方向。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的传感器，特别是一种二维矢量柔性热 敏微剪切应力传感器及其阵列和制备方法。

背景技术

剪切应力传感器是流体测量中一种重要的传感器，它为分析流动的转捩、分 离等基本流体力学问题提供基准参量。对于现代飞行器及水中航行体，周围流动 结构十分复杂，流动现象具有时间和位置的不确定性特征，流动结构尺度小，生 命周期短，而且在大雷诺数流动条件下，流动对外界的干扰更加敏感。要实现复 杂流体状态的检测，传感器必须满足相应的时间和空间尺度要求，该尺度以 Kolmogorov微尺度来描述，例如当飞机和水中航行体在雷诺数为10⁶状态时，时 间尺度为毫秒、空间尺度为几百微米，这时传统的加工方法很难制造出符合需要 的传感器及其阵列。随着20世纪80年代末期MEMS技术的出现和发展，为实 现大雷诺数下的实时的、准确的剪切应力传感器提供了可靠的技术途径。在多种 检测原理中，基于热敏感原理的微剪切应力传感器具有在恶劣环境下的极好适应 力，适宜应用在对可靠性要求高的流体测量系统中。

已有报道的MEMS技术制作的热剪切应力传感器大多数是以硅为结构支撑 衬底，主要用于测量物体表面为平面时所受的剪切应力，当需要测量曲面所受剪 切应力时，为适应被测物表面为曲面的情况Xu Yong等人在《JOURNAL OF  MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS》(2003年第5期740～747页)上发 表的“IC-Integrated Flexible Shear-Stress Sensor Skin”论文中报道采用聚对二甲 苯薄膜连接硅岛形成半柔性剪切应力阵列，但这种方法制备的器件可测量曲面的 曲率受硅岛大小的影响；此外，这些热剪切应力传感器多为单热线结构，只能测 量剪切应力的大小无法分辨剪切应力的方向且受热线与流体运动方向夹角的影 响；另外，这些热剪切应力传感器的外部连线端与热线同侧，引线连接时对流场 有干扰。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种二维矢量柔性热敏剪切应力传感器及其阵列， 能够实现二维剪切应力的矢量化测量，并且能够在进行剪切应力测量时消除引线 对被测流场的干扰。

本发明另一目的是提供一种由上述二维矢量柔性热敏剪切应力传感器构成 的传感器阵列。

本发明再一目的是提供一种制备上述二维矢量柔性热敏剪切应力传感器阵 列的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明提供一种二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器，由结构支撑柔性聚酰 亚胺薄膜、剪切应力检测热线、环境温度检测补偿热敏电阻和相应的引线组成， 所述的传感器为热线、引线和引脚的三层结构，聚酰亚胺薄膜将传感器的热线、 引线以及引脚有机连接，同时作为多层结构之间的平坦化绝缘材料并作为支撑结 构；用于二维矢量剪切应力检测的剪切应力检测热线为两组正交双热线结构，其 中双热线为两根几百微米的一定间隔相互平行的热线，两组双热线呈90度夹角， 两组双热线之间间隔大于单组双热线之间距离；环境温度检测补偿热敏电阻为单 线结构。

所述两组正交双热线，其中平行于X轴方向的双热线用于检测Y轴方向的 剪切应力的大小和方向，平行于Y轴方向的双热线用于检测X轴方向的剪切应 力的大小和方向，通过测量X或Y方向单热线对应的电压变化得剪切应力的大 小，再同时测量X或Y轴方向的双热线并将输出信号进行差分处理，得剪切应 力的方向。

本发明提供一种由上述二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器构成的传感器 阵列，该传感器阵列由根据符合空间分辨率需求而排列的传感器组成，热线经引 线引至传感器阵列的引脚处，引脚的连线面与热线敏感面分别在传感器阵列薄膜 厚度方向的正面和反面。此外，为减少被测流体环境温度波动对剪切应力测量的 影响，每隔几个传感器单元的等间隔距离就布置有环境温度检测补偿线。

本发明提供一种制备上述二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列的方法， 即采用MEMS工艺制作，采用自下而上的金属牺牲层工艺流程为：

(1)在硅或玻璃基片上溅射上Cr/Cu种子层；

(2)旋涂光刻胶并光刻电镀Ni引脚；

(3)去胶、旋涂聚酰亚胺并固化；

(4)表面磨平且引脚全部露出；

(5)溅射Cr/Cu种子层；

(6)旋涂光刻胶并光刻电镀Ni引线；

(7)去胶、旋涂聚酰亚胺并固化；

(8)表面磨平且引脚全部露；

(9)溅射Cr/Ni或Cr/Pt；

(10)旋涂光刻胶，并以光刻后的光刻胶为掩膜，离子铣加工得到热线图形， 去胶；

(11)表面沉积聚酰亚胺、聚对二甲苯或三氧化二铝等防水薄层；

(12)表面光刻胶保护选择性腐蚀金属牺牲层；

(13)丙酮清洗，最终得到以聚酰亚胺为结构支撑材料的柔性传感器阵列结 构。

本发明还提供另一种制备上述二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列的 方法，器件采用MEMS工艺制作，采用自上而下的金属牺牲层工艺实现流程为：

(1)在临时支撑载体硅或玻璃基片上溅射或蒸镀上铜或铝牺牲层；

(2)在铜或铝牺牲层上旋涂并固化聚酰亚胺或沉积聚对二甲苯；

(3)溅射Cr/Ni或Cr/Pt；

(4)旋涂光刻胶并光刻电镀Cu或Ni引线层；

(5)旋涂光刻胶并光刻电镀Ni引脚；

(6)旋涂光刻胶，并以光刻后的光刻胶为掩膜，离子铣加工得到热线图形；

(7)丙酮去除光刻胶；

(8)旋涂聚酰亚胺并固化；

(9)研磨至暴露的引脚与聚酰亚胺面平齐时结束；

(10)表面光刻胶保护选择性腐蚀金属牺牲层；

(11)丙酮清洗，最终得到以聚酰亚胺为结构支撑材料的柔性传感器阵列结 构。

本发明提供第三种制备上述二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列的方 法，器件采用MEMS工艺制作，采用自上而下的聚酰亚胺膜与硅橡胶PDMS溶 胀剥离实现流程为：

(1)在临时支撑载体硅或玻璃基片上旋涂硅橡胶PDMS并固化；

(2)在硅橡胶PDMS上旋涂并固化聚酰亚胺或沉积聚对二甲苯；

(3)溅射Cr/Ni或Cr/Pt；

(4)旋涂光刻胶并光刻电镀Cu或Ni引线层；

(5)旋涂光刻胶并光刻电镀Ni引脚；

(6)旋涂光刻胶，并以光刻后的光刻胶为掩膜，离子铣加工得到热线图形；

(7)丙酮去除光刻胶；

(8)旋涂聚酰亚胺并固化；

(9)研磨至暴露的引脚与聚酰亚胺面平齐时结束；

(10)乙醇浸泡剥离聚酰亚胺膜，最终得到以聚酰亚胺为结构支撑材料的柔 性传感器阵列结构。

本发明上述的传感器及其阵列以聚酰亚胺等柔性聚合物薄膜作为结构支撑 衬底，在其中制作有以Ni或Pt等热敏金属材料作为敏感单元的热线，热线布置 形式采用两组正交双线结构，热线经电阻较热线小几个数量级的引线引至传感器 单元及整个阵列的引脚处，引脚的连线面与热线敏感面分别在传感器阵列薄膜厚 度方向的正面和反面。当传感器及阵列在空气中使用时，敏感热线可以直接接触 空气进行测量，当传感器及阵列在水中使用时，敏感热线需要在其表面覆盖聚酰 亚胺、聚对二甲苯或三氧化二铝等防水薄层。传感器工作时，对热线施加恒温控 制，根据热线组成的惠斯通电桥的检测输出电压变化以及实验所得标定系数最终 得到所需测量的二维剪切应力。

本发明与现有的MEMS剪切应力传感器相比具有以下优点：(1)本发明的 传感器阵列能够实现二维剪切应力的矢量化测量；(2)本发明的传感器阵列能够 进行物体表面为复杂曲面情况下的表面剪切应力测量；(3)本发明的传感器采用 背面引线技术，能够在进行剪切应力测量时消除引线对被测流场的干扰。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例的等轴侧结构示意图；

图3为本发明一实施例的阵列结构示意说明图；

图4为本发明一实施例的控制电路原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的 实施例。

实施例1

如图1、2所示，本实施例提供一种二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器， 传感器阵列中每个单元的敏感部分由两组双热线组成，其中平行于X轴方向的 双热线用于检测Y轴方向的剪切应力的大小和方向，平行于Y轴方向的双热线 用于检测X轴方向的剪切应力的大小和方向。传感器单元的敏感热线11a、11b 和21a、21b经引线12、13、14、15和22、23、24、25连接至传感器阵列的引 脚16、17、18、19和26、27、28、29上。引脚16、17、18、19和26、27、28、 29的连线面与热线11a、11b和22a、22b敏感面分别在传感器阵列薄膜厚度方向 的正面和反面，制作完成的传感器阵列具有背面引线功能。当传感器阵列连接至 检测电路使用时，背面引线对流场不产生干扰。为实现热敏剪切应力传感器可靠、 高灵敏度的检测，需要使传感器的加热部分集中在热线上，为此设计的传感器引 线12、13、14、15和22、23、24、25及引脚16、17、18、19和26、27、28、 29部分的线宽和厚度均远大于其热线部分。

二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器的结构支撑部分1材料为聚酰亚胺，它 将传感器的热线、引线以及引脚有机连接，其中热线和引线嵌入在聚酰亚胺薄膜 内，用于焊接的引脚接线面与聚酰亚胺薄膜外表面平齐。

传感器阵列由根据符合空间分辨率需求而排列的传感器单元组成，阵列的结 构一种布置形式如图3(该图省略了热线、引线及引脚的标注)所示，热线经电 阻较热线小几个数量级的引线引至传感器阵列的引脚处，引脚的连线面与热线敏 感面分别在传感器阵列薄膜厚度方向的正面和反面。此外，为减少被测流体环境 温度波动对剪切应力测量的影响，每隔几个传感器单元的等间隔距离就布置有环 境温度检测补偿线2。

二维矢量表面剪切应力传感器的工作原理为热传输原理，传感器工作时将热 线加热到高于流体的环境温度，当流体经过传感器表面时，流体将带走一定热量， 该热量的变化与流体作用于物体表面的剪切应力大小有关，另外，通过将X或Y 轴方向的双热线输出信号进行差分处理，测量得到剪切应力的方向。

二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器的信号检测采用恒温控制，控制电路原 理示意图如图4所示，其中Rs为需要测量的热线、R1～R7为其他电阻，该电路 中Rs与R1～R3构成惠斯通电桥，电桥输入分别连接放大器的输出端和地，电桥 输出连接至R3～R7与放大器组成的差分放大的正负输入端，与Rs相应变化对应 的电压输出经过K倍放大后经A/D转换进入控制器。测控电路的工作流程为先 对双热线中恒温控制的单线输出电压测试并经环境温度检测补偿线测试结构修 正后得到剪切应力的幅值，然后对恒温控制的双热线差分输出电压测试得到剪切 应力的方向。

上述的二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列根据热线制作的顺序可分 为：自下而上的流程(即依次制作引脚、引线最后制作热线)和自上而下的流程 (即依次制作热线、引线最后制作引脚)。以下分别提供实施例进行说明。

实施例2

本实施例提供一种二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列制备方法，采用 MEMS微细加工工艺制作，自下而上的流程(即依次制作引脚、引线最后制作 热线)。

自下而上的流程为：

(1)在硅或玻璃基片上溅射上100～200nm的Cr/Cu种子层；

(2)旋涂光刻胶并光刻电镀20μm的Ni引脚；

(3)去胶、旋涂30μm的聚酰亚胺并固化；

(4)表面磨平且引脚全部露出；

(5)溅射100～200nm的Cr/Cu种子层；

(6)旋涂光刻胶并光刻电镀20μm的Ni引线；

(7)去胶、旋涂30μm的聚酰亚胺并固化；

(8)表面磨平且引脚全部露；

(9)溅射300nm的Cr/Ni或Cr/Pt；

(10)旋涂光刻胶，并以光刻后的光刻胶为掩膜，离子铣加工得到热线图形， 去胶；

(11)表面沉积聚酰亚胺、聚对二甲苯或三氧化二铝等防水薄层；

(12)表面光刻胶保护选择性腐蚀金属牺牲层；

(13)丙酮清洗，最终得到以聚酰亚胺为结构支撑材料的柔性传感器阵列结 构。

对于自上而下的制作工艺，根据聚酰亚胺膜释放方法的不同，工艺实现方法 分为选择性腐蚀金属牺牲层和利用聚酰亚胺膜与硅橡胶PDMS溶胀剥离两种方 法。分别见以下实施例3和实施例4。

实施例3

本实施例提供一种二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列制备方法，采用 MEMS微细加工工艺制作，自上而下的流程(即依次制作热线、引线最后制作 引脚)。金属牺牲层工艺实现流程为：

(1)在临时支撑载体硅或玻璃基片上溅射(或蒸镀)上200nm的铜(或铝) 牺牲层；

(2)在铜(或铝)牺牲层上旋涂并固化几μm的聚酰亚胺(或沉积聚对二 甲苯)；

(3)溅射300nm的Cr/Ni或Cr/Pt；

(4)旋涂光刻胶并光刻电镀20μm的Cu(或Ni)引线层；

(5)旋涂光刻胶并光刻电镀10μm的Ni引脚；

(6)旋涂光刻胶，并以光刻后的光刻胶为掩膜，离子铣加工得到热线图形；

(7)丙酮去除光刻胶；

(8)旋涂40μm的聚酰亚胺并固化；

(9)研磨至暴露的引脚与聚酰亚胺面平齐时结束；

(10)表面光刻胶保护选择性腐蚀金属牺牲层；

(11)丙酮清洗，最终得到以聚酰亚胺为结构支撑材料的柔性传感器阵列结 构。

实施例4

本实施例提供一种二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器阵列制备方法，采用 MEMS微细加工工艺制作，自上而下的流程(即依次制作热线、引线最后制作 引脚)。

聚酰亚胺膜与硅橡胶PDMS溶胀剥离实现流程为：

(1)在临时支撑载体硅或玻璃基片上旋涂几十μm的硅橡胶PDMS并固化；

(2)在硅橡胶PDMS上旋涂并固化几μm的聚酰亚胺(或沉积聚对二甲苯)；

(3)溅射300nm的Cr/Ni或Cr/Pt；

(4)旋涂光刻胶并光刻电镀20μm的Cu(或Ni)引线层；

(5)旋涂光刻胶并光刻电镀10μm的Ni引脚；

(6)旋涂光刻胶，并以光刻后的光刻胶为掩膜，离子铣加工得到热线图形；

(7)丙酮去除光刻胶；

(8)旋涂40μm的聚酰亚胺并固化；

(9)研磨至暴露的引脚与聚酰亚胺面平齐时结束；

(10)乙醇浸泡剥离聚酰亚胺膜，最终得到以聚酰亚胺为结构支撑材料的柔 性传感器阵列结构。

本发明传感器工作时将热线加热到高于流体的环境温度，当流体经过传感器 表面时，流体将带走一定热量，该热量的变化与流体作用于物体表面的剪切应力 有关。通过测量X或Y方向单热线对应的电压变化可得剪切应力的大小，再同 时测量X或Y轴方向的双热线并将输出信号进行差分处理，可得剪切应力的方 向。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上 述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后， 对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由 所附的权利要求来限定。