基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列

摘要

本发明公开一种基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列，包括电容式压应力传感器和热剪切应力传感器，电容式压应力传感器包括位于上电极层的上极板、压应力敏感膜和下电极层的下极板，支撑结构层形成压应力传感器的空腔结构；热剪切应力传感器由呈正方形排列的四组双热线电阻组成，热线电阻信号通过引线柱从柔性衬底引入检测电路。本发明基于柔性衬底技术和背线引接技术，采用MEMS加工技术和键合技术；通过电容信号的变化测量出流体压应力的大小，通过双热线电阻的变化测量出平面内二维剪切应力的大小和方向，电容信号和剪切应力信号分别引入检测电路中互不干扰；具有较高的分辨率、体积小、低成本批量加工的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种流体动力学中领域的流体应力传感器，具体是一种基于柔 性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列。

背景技术

当前对流场内的绕流物体进行主动流控制是流体力学的研究热点之一，特别是 在航行体动力学研究领域。当航行体航行时，物面边界层由层流发展为湍流，湍流 边界层内随机的速度扰动将会对航行器产生阻力和动力噪声。对绕流运动物体表面 的湍流边界层流场实现主动控制，可以提高航行器的动力学性能，同时降低噪声辐 射，对整个航行器系统的性能有着极大的提高，因此流体控制成为当今流体力学的 研究热点。通过微型流体应力传感器可以实时检测湍流边界层壁面应力的分布来了 解湍流边界层的流体动力学特性，将输出信号反馈到微执行器来实现对流场的主动 控制。传感器必须满足相应的时间和空间尺度要求，同时需要安放在绕流物体的曲 体表面上，因此基于柔性MEMS加工技术的微型流体应力传感器及其阵列的研究受 到了高度关注。

经过对现有技术的检测，发现用于流体动力学中主动流控制的MEMS传感器大 多是一维的压应力传感器或二维的剪切应力传感器，如德国柏林工业大学A.Berns 等人制作的应用于空气动力学的压阻式压力传感器，以及美国加州理工大学的Yong  Xu等人制作的柔性皮肤剪切应力传感(《Flexible MEMS Skin Technology for  Distributed Fluidic Sensing》)。这些传感器制作在硅衬底上面，并且采用正面信号引 线技术对流场产生较大的干扰，因而探索一种基于柔性MEMS技术可以实现背线引 接技术的三维流体应力传感器阵列具有重要的理论与现实意义。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供了一种基于柔性MEMS技术的三维流体应 力传感器及其阵列，具有较高的分辨率、体积小、低成本批量加工的优点，解决了 柔性衬底和信号背线引接问题，并且可以满足流体动力学中三维流体应力的测量要 求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器，包括：电容式压应 力传感器和热剪切应力传感器，这两部分通过MEMS一体化加工技术集成在一起， 三维流体应力传感器表面有一层保护膜；其中：

所述电容式压应力传感器包括位于上电极层的上极板、压应力敏感膜和下电极 层的下极板组成，支撑结构层形成了压应力传感器的空腔结构，电容信号通过下极 板的检测电极对引到检测电路，上极板无需信号引出；

所述热剪切应力传感器由四组双热线电阻组成，热线电阻在上电极层位于三维 流体应力传感器表面保护膜的下面，四组双热线位于所述电容式压应力传感器的上 极板四周，呈正方形排列，相邻两组构成一组正交关系，热线电阻信号通过引线柱 从柔性衬底引入检测电路，可以实现二维剪切应力的矢量测量。

所述的三维流体应力传感器表面保护膜为一层很薄的聚酰亚胺或聚对二甲苯聚 合物材料，该保护膜通过高速旋涂，低温固化后进行高温亚胺化处理，具有很好的 柔韧性，不会对流场和热线之间的热交换产生较大影响，同时起到保护流体应力传 感器芯片的作用。

所述的电容式压应力传感器的压应力敏感膜为PDMS膜、Mylar薄膜等对压应 力敏感的材料，在压应力作用下膜片发生形变导致电容间隙发生变化，通过检测电 极对测量电容信号变化计算出压应力的大小。压应力敏感膜对压应力信号敏感，同 时具有很好的机械韧性。

所述的热剪切应力传感器采用四组接近式双热线结构成正方形排列，实现平面 内二维剪切应力的矢量测量，热线电阻材料为Pt或Ni，热线电阻的信号通过Ni或 Cu引线柱从柔性衬底引到检测电路。

所述的支撑结构层材料为PDMS、SU8胶或三氧化二铝绝缘材料，通过模具或 LIGA加工技术制作。

本发明所述的基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器的衬底为柔性印刷 电路板等柔性结构。

本发明所述的流体应力传感器芯片采用MEMS工艺多层掩膜键合工艺加工制 作设计的工艺流程可以实现信号背线引接，消除引线对被测流场的干扰。

本发明还涉及一种由上述三维流体应力传感器构成的阵列，所述阵列为NXM (N、M为自然数)矩形阵列，每个测量单元包含一个电容式压应力传感器和四组 双热线组成的热剪切应力传感器，每个测量单元的信号分别引入检测电路，通过检 测电路实现阵列式扫描检测。

所述阵列中，热剪切应力传感器采用双热线结构，热线电阻材料为Ni或Pt等 金属材料，热线电阻信号通过Ni或Cu引线柱从柔性衬底连接到检测电路。

所述阵列中，流体应力传感器通过MEMS工艺多层掩膜和键合工艺制作，采用 柔性衬底和背线引接技术，因而不会对流场产生干扰。

本发明采用上述技术方案之后，工作原理如下：

(1)通过热剪切应力传感器测量平面内的二维剪切应力的大小和方向，热剪切 应力传感器是一种基于热敏电阻原理间接测量方法的剪切应力传感器。传感器工作 时，热敏电阻被驱动的电流加热到恒定的温度，流体以不同的流速通过热敏电阻表 面带走热量，导致热敏电阻值发生变化，通过测量电阻值的变化测量出流场中流体 的流速，再根据公式计算出剪切应力的大小，其中τ是剪切应力，μ是流 体的黏附系数，V为流体速度，y为垂直壁面方向。

(2)通过电容式压应力传感器测量出压应力的大小，当压应力作用在压应力敏 感膜上面时，导致压应力敏感膜发生形变从而引起电容信号发生变化，电容信号的 检测主要通过下电极层检测电极对连接到检测电路，上电极层的上极板无需信号引 出，最后通过电容信号的变化计算出压应力的大小。

本发明与现有的流体应力传感器相比具有以下优点：(1)本发明的传感器能够 实现三维应力的矢量化测量，集成了压应力传感器和剪切应力传感器；(2)本发明 的传感器阵列采用柔性衬底，能够在物体表面为复杂曲面情况下三维应力的测量； (3)本发明的传感器采用背面引线技术，能够在进行三维应力测量时避免信号引线 对被测流场引起的干扰。

附图说明

图1为本发明基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器阵列俯视图；

图2为本发明基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器剖面结构图；

图3为本发明基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器上电极层结构图；

图4为本发明基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器下电极层结构图；

图5热剪切应力传感器工作原理；

图6为双热线测流速的工作原理；

图7为压应力传感器工作原理。

图中标号：保护膜1、上电极层2、压应力敏感膜3、引线柱4、下电极层5、 柔性衬底6、双热线电阻7、上极板8、检测电极对9、电容输出信号引脚10、热线 电阻输出信号引脚11、空间支撑结构层12。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实 施，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。

如图1-图4所示，本实施例提供一种基于柔性MEMS技术的三维流体应力传 感器阵列，所述阵列为4X4矩形阵列；每个测量单元包含一个电容式压应力传感 器和四组双热线热组成的热剪切应力传感器，每个测量单元的信号分别引入检测电 路，相邻的两个测量单元相距2000um左右以免之间的信号相互干扰。该电容式压 应力传感器和热剪切应力传感器通过MEMS一体化加工技术集成在一起构成一个 基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器。

本实施例中，所述的基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器从整体看，包 括的部件有：表面的保护膜1、上电极层2、压应力敏感膜3、空间支撑结构层12、 引线柱4、下电极层5和柔性衬底6等多层结构，其中上电极层包括热线电阻和电 容式压应力传感器的上极板，下电极层包括信号引脚和电容式压应力传感器的下极 板，下极板由一个检测电极对9组成。这些部件可以构成电容式压应力传感器和热 剪切应力传感器。

具体来说，本实施例中，所述电容式压应力传感器，包括：位于上电极层2的 上极板8、压应力敏感膜3和下电极层5上的检测电极对9组成，支撑结构层12形 成了压应力传感器的空腔结构，电容信号通过下极板的检测电极对9引入检测电路， 上极板8无需信号引出。

本实施例中，所述热剪切应力传感器包括四组双热线电阻7，所述四组双热线 电阻7在上电极层2位于保护膜1下面，四组双热线电阻7排列在上极板8的周围 呈正方形排列，相邻的两组双热线电阻7构成一组正交的关系，热线电阻7的信号 通过引线柱4连接从柔性衬底6引入检测电路中。

本实施例中，所述的保护膜1为聚酰亚胺等聚合物柔性薄膜材料，具体做法为 先在玻璃等刚性衬底上面溅射一层Cr/Cu金属牺牲层，然后通过甩胶机高速旋涂一 层聚酰亚胺薄膜，固化后，进行真空烘亚胺化，对整个芯片起保护层作用。

本实施例中，所述的上电极层2通过在真空烘后的聚酰亚胺薄膜上溅射一层Pt 或Ni金属薄膜，通过光刻和离子铣工艺形成上极板8和热线电阻7结构，热线电阻 7的信号通过引线柱4引向柔性衬底6。

本实施例中，所述的引线柱4为电镀Ni或Cu柱，在Pt或Ni金属薄膜上光刻 后，通过电镀工艺实现。

本实施例中，所述的压应力敏感膜3和空间支撑结构层12材料为PDMS，空间 支撑结构12材料也可以为SU8胶、三氧化二铝薄膜等，该结构可以在上电极层2 上通过模具或光刻PDMS工艺形成，然后将整个结构浸泡在FeCl₃，溶液中腐蚀 掉Cr/Cu金属牺牲层，从而可以实现保护膜1及空间支撑结构12等结构层从玻璃等 刚性衬底上的分离。

本实施例中，所述的下电极层5位于柔性衬底6上面，通过溅射一层Pt或Ni 或Cu等金属薄膜，光刻后通过离子铣工艺形成检测电极对9、电容输出信号引脚 10、热线电阻输出信号引脚11，检测电极对9主要用于压应力传感器电容信号变化 的检测。

本实施例中，所述的柔性衬底6采用以聚酰亚胺为基板材料的双面柔性印刷电 路板，通过键合工艺将柔性衬底6和从玻璃上剥离下来的空间支撑结构键合在一起， 完成整个器件芯片加工。柔性衬底6可以使传感器安放在航行体的曲体表面上测量。

本实施例中，所述的基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器芯片主要是利 用MEMS多层掩膜加工工艺和键合技术制作。

上述传感器正常工作时，通过电容信号的变化测量出流体压应力的大小，通过 双热线电阻的变化测量出平面内二维剪切应力的大小和方向，电容信号和剪切应力 信号分别引入检测电路中互不干扰。以下对上述传感器的工作原理进行详细说明。

本实施例中，热剪切应力传感器通过一种间接测量方法测平面内二维矢量剪切 应力的大小和方向，其原理如图5所示，当层流通过物体表面时变成边界层，形成 流速梯度场，剪切应力的计算公式为流场和热元件之间发生热交换，通 过测量热元件温度的变化测量出流速的大小，进而计算出剪切应应力的大小。具体 的工作方式如图6所示，热剪切应力传感器工作在恒温模式下，为了保证热线电阻 和流体保持恒定的温度差，需要在热线电阻上施加电压U，其中A、B和n为特殊尺寸下的常数，ΔT为热线和流体之间的温度差。当流体以不 同的流速通过双热线结构时，需要分别施加不同的电压，具体情况如图6所示，通 过测量U1和U2就可以测量出流速的大小和方向，进而根据公式计算出剪 切应力的大小。

本实施例中，压应力测量通过电容式压应力传感器测量，如图7所示，当压应 力作用在压应力敏感膜时，引起压应力敏感膜变形导致电容间隙d发生变化，通过 测量电容信号计算出压应力的大小，其中ε为相对介电常数，A 为检测电极对面积，d为上、下电极层间隙。

以上只是由三维流体应力传感器构成的4X4阵列，应当理解的是，所述阵列也 可以是其他矩形阵列，其实现的原理和工作方式与本实施例相同，就不再举例说明。

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。