二维柔性剪切应力传感器及其测量方法

摘要

本发明公开了一种二维柔性剪切应力传感器及其测量方法，属于电子器件技术领域，包括采用热敏材料Ni制成的X向热线和Y向热线，X向热线由第一X向子热线和第二X向子热线组成，Y向热线由第一Y向子热线和第二Y向子热线组成；第一X向子热线、第二X向子热线、第一Y向子热线、第二Y向子热线的两端分别与铜制成的驱动电极耦合；底层衬底上设有铜制成的外接电极，每个驱动电极分别通过铜导线与对应的外接电极连接；表层衬底完全覆盖X向热线、Y向热线和驱动电极，表层衬底不覆盖外接电极。本发明对流场边界层内的流体变化分辨率提高，能够准确的测量高雷诺数条件下流体边界层内的二维剪切应力，并且有利于传感器的阵列化。

说明书

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，涉及一种二维柔性剪切应力传感器及其测量方法，特别涉及用于测量无人机表面二维剪切力的传感器。

背景技术

随着流体力学、生物医学、新材料技术和传感器技术等新兴交叉学科和方向的发展及融合，能够对流体边界层内剪切应力进行准确测量的柔性剪切应力传感器得到了上述领域研究人员的重视，并被广泛应用到了飞行器结构力学、空气动力学和机械制造等学科和行业。

流体边界层是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，也称附面层，由于其直接作用于物体表面，因此自其被发现，流体边界层就成为流体力学中的一个重要课题。壁面剪切应力是流体边界层内流体分子无规则运动的结果，是流体分子微观运动的宏观表现，同时也是反映边界层内流体运动特性的一项重要参数，如果可以对其进行准确的测量，那么就可以对边界层内的流体施以主动或被动的控制，从而改善飞行器的动力学性能。

边界层内的流体运动方式随着雷诺数的增大而变得复杂，在低雷诺数下边界层内流体以层流的方式运动，在高雷诺数下边界层内流体以微小涡流形式流动，随着相关领域的快速发展，我们所重视的边界层大多数为高雷诺数下的边界层，因此为了准确的测量高雷诺数边界层内的流体分布，要求剪切应力传感器尺寸小且能够对二维剪切力测量。

中国专利号为ZL201110374652.8，名称为“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”，公开日为2012年6月27日，公开了制备二维矢量柔性热敏微剪切应力传感器及阵列的方法，并以正交结构排列热线检测二维剪切应力，简化了热剪切应力传感器的制备流程。中国专利号为ZL201210050586.3，发明名称为“基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列”公开日为2012年7月4日，公开了以电容式压力传感器测量正压力，在其四周环绕以正交形式排列的热线检测二维剪切应力，从而实现三维力的测量，并采用导线背接的方法减小导线对热线的影响。

上述两个专利均采用正交结构排列热线用以检测二维剪切应力，采用这种结构会不可避免的成倍加大组内热线间距用以减小热线间的热串扰。在低雷诺数下的流体边界层内，流场以层流方式运动，上述传感器可以准确的测量二维剪切应力。但在高雷诺数的流体边界层内，流体以微小涡流形式流动，高数值剪切力往往存在于微小漩涡交界的地方，如使用上述大间距的正交结构传感器测量，会存在分辨率低和二维剪切力测量值偏小的问题。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种二维柔性剪切应力传感器，基于MEMS技术对称结构的剪切应力传感器，解决了现有传感器在高雷诺数下流体边界层内二维剪切应力测量不准确的问题。

本发明的另一目的是，提供一种二维柔性剪切应力传感器测量剪切应力的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种二维柔性剪切应力传感器，包括采用热敏材料Ni制成的X向热线和采用热敏材料Ni制成的Y向热线，X向热线由第一X向子热线和第二X向子热线组成，Y向热线由第一Y向子热线和第二Y向子热线组成；第一X向子热线、第二X向子热线、第一Y向子热线、第二Y向子热线的两端分别与铜制成的驱动电极耦合；驱动电极设置8个，底层衬底上设有铜制成的外接电极，外接电极设置8个，每个驱动电极分别通过铜导线与对应的外接电极连接；表层衬底完全覆盖X向热线、Y向热线和驱动电极，表层衬底不覆盖外接电极。

本发明的特征还在于，进一步的，第一X向子热线、第二X向子热线、第一Y向子热线、第二Y向子热线分别由两条在端点处互相垂直的热线组成，第一X向子热线和第二X向子热线关于Y轴对称；第一Y向子热线和第二Y向子热线关于X轴对称；相邻子热线间距相同；第一X向子热线、第二X向子热线、第一Y向子热线、第二Y向子热线的结构尺寸相同。

进一步的，第一X向子热线、第二X向子热线、第一Y向子热线、第二Y向子热线的尺寸均为长500μm、宽30μm、厚75μm，第一X向子热线与第一Y向子热线的间距为30μm，第一X向子热线与第二Y向子热线的间距为30μm，第二X向子热线与第一Y向热线的间距为30μm，第二X向子热线和与第二Y向子热线的间距为30μm。

进一步的，驱动电极的长200μm、宽100μm。

进一步的，表层衬底和底层衬底形状为正方形，表层衬底的面积小于底层衬底，表层衬底的厚度小于底层衬底。

进一步的，底层衬底的大小为长3cm×宽3cm，厚度为75μm，表层衬底的大小为长1cm×宽1cm，厚度为50μm，底层衬底与表层衬底采用聚酰亚胺制得。

进一步的，驱动电极的大小为长200μm×宽200μm，厚度为100μm，外接电极的大小为长2mm×宽2mm，厚度为100μm；铜导线的线宽为100μm。

采用上述一种二维柔性剪切应力传感器测量剪切应力的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，用30mA恒流源驱动X向热线和Y向热线，使X向热线和Y向热线处于比环境温度高60度的恒温模式；

步骤2，当传感器受到沿X轴正方向的剪切力F时，第一X向子热线的部分热量会被流体带走，通过Y向热线，最终传递到第二X向子热线；比较第一X向子热线和第二X向子热线的温度，如果第一X向子热线的温度高于第二X向子热线的温度，则说明剪切力F的方向为从第一X向子热线到第二X向子热线；反之剪切力F的方向为从第二X向子热线到第一X向子热线；

步骤3，假如经步骤2测的剪切力F的方向为从第一X向子热线到第二X向子热线，则规定第一X向子热线为上风口子热线，假如经步骤2测的剪切力F的方向为从第二X向子热线到第一X向子热线，则规定第二X向子热线为上风口子热线；分别测量出施加剪切力F前上风口子热线的温度T₁与施加剪切力F后的上风口子热线温度T₂，将温度T₁和T₂代入公式I²R＝(T₁-T₂)[A(ρF)^1/3+B]即可求出剪切力F；其中I为恒流源电流，R为上风口热线初始阻值，ρ为流体密度，常数A和B为标定实验确定的系数。

步骤4，当传感器受到沿Y轴正方向的剪切力F时，第一Y向子热线的部分热量会被流体带走，通过X向热线，最终传递到第二Y向子热线；通过比较第一Y向子热线和第二Y向子热线的温度，如果第一Y向子热线的温度高于第二Y向子热线的温度，则说明剪切力F的方向为从第一Y向子热线到第二Y向子热线；反之剪切力F的方向为从第二Y向子热线到第一Y向子热线；

步骤5，假如经步骤4测的剪切力F的方向为从第一Y向子热线到第二Y向子热线，则规定第一Y向子热线为上风口子热线，假如经步骤4测的剪切力F的方向为从第二Y向子热线到第一Y向子热线，则规定第二Y向子热线为上风口子热线；分别测量出施加剪切力F前上风口子热线的温度T₁与施加剪切力F后的上风口子热线温度T₂，将温度T₁和T₂代入公式I²R＝(T₁-T₂)[A(ρF)^1/3+B]即可求出剪切力F；其中I为恒流源电流，R为上风口热线初始阻值，ρ为流体密度，常数A和B为标定实验确定的系数。

本发明的有益效果是：本发明采用对称结构排列热线并利用热线之间的热传递效应，减小了传感器的尺寸。对流场边界层内的流体变化分辨率提高，能够准确的测量高雷诺数条件下流体边界层内的二维剪切应力，并且有利于传感器的阵列化。

本发明使用FPC制作驱动电极、外接电极和连接驱动电极和外接电极的导线，简化了传感器的制作流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结构示意图的俯视图。

图2是本发明结构示意图的纵向剖面图。

图3是图1中X向热线、Y向热线的结构示意图。

图4是本发明的驱动电机示意图。

图5是本发明的工作原理示意图。

图中，1.X向热线，11.第一X向子热线，12.第二X向子热线，2.Y向热线，21.第一Y向子热线，22.第二Y向子热线，3.驱动电极，4.外接电极，5.表层衬底，6.底层衬底，7.铜导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的技术原理是：

热敏材料(如Ni，Pt，多晶硅等)具有温阻特性。当热敏材料的温度变化时，其阻值也会变化。

本发明利用热敏材料这一特性，选择适当的隔热耐高温柔性材料作为底层衬底6，当传感器加载二维剪切应力时，热敏材料的温度发生变化，继而阻值变化。根据热敏材料输出电阻阻值的变化，来测量二维剪切应力。

本发明二维柔性剪切应力传感器，结构如图1-3所示，包括X向热线1、Y向热线2，X向热线1由第一X向子热线11和第二X向子热线12组成，Y向热线2由第一Y向子热线21和第二Y向子热线22组成，第一X向子热线11、第二X向子热线12、第一Y向子热线21、第二Y向子热线22分别由两条长500μm、宽30μm、厚75μm且在端点处互相垂直的热线组成，相邻子热线间距相同，且间距为30μm；第一X向子热线11和第二X向子热线12关于Y轴对称，第一Y向子热线21和第二Y向子热线22关于X轴对称；第一X向子热线11、第二X向子热线12、第一Y向子热线21、第二Y向子热线22均采用热敏材料Ni。

驱动电极3和外接电极4采用导电材料Cu制作，驱动电极3的长200μm、宽100μm。

表层衬底5和底层衬底6采用耐高温隔热性能良好的柔性材料聚酰亚胺，形状为正方形，表层衬底5能够完全覆盖X向热线1、Y向热线2和驱动电极3，不能覆盖外接电极4；表层衬底5的面积小于底层衬底6，表层衬底5的厚度小于底层衬底6；底层衬底6的大小为长3cm×宽3cm，厚度为75μm，表层衬底5的大小为长1cm×宽1cm，厚度为50μm。

第一X向子热线11、第二X向子热线12、第一Y向子热线21、第二Y向子热线22的两端分别与驱动电极3耦合，驱动电极3和外接电极4之间用线宽为100μm的铜导线7连接。

如图4所示，本发明在制作过程中采用FPC工艺，直接在底层衬底6上制作出驱动电极3和外接电极4，简化了剪切应力传感器的制作流程。驱动电极3和外接电极4由Cu做成，驱动电极3的大小为长200μm×宽200μm，厚度为100μm，外接电极4的大小为长2mm×宽2mm，厚度为100μm。

如已知在高雷诺数下的流体边界层内流体以涡流形式流动，但是在十分微小的距离内，仍可将流体看作直线运动。如图5所示，假设流体沿X向运动，产生一个沿X轴正方向的剪切力F。X向热线1和Y向热线2处于恒温模式，比环境温度高60度。

本发明的传感器工作过程分为剪切力大小测量和剪切力方向测量，主要运用了热敏材料的温阻效应和热线之间的热传递效应。

采用本发明传感器测量剪切应力的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，用30mA恒流源驱动X向热线1和Y向热线2，使X向热线1和Y向热线2处于比环境温度高60度的恒温模式；

步骤2，当传感器受到沿X轴正方向的剪切力F时，第一X向子热线11的部分热量会被流体带走，通过Y向热线2，最终传递到第二X向子热线12；比较第一X向子热线11和第二X向子热线12的温度，如果第一X向子热线11的温度高于第二X向子热线12的温度，则说明剪切力F的方向为从第一X向子热线11到第二X向子热线12；反之剪切力F的方向为从第二X向子热线12到第一X向子热线11；

步骤3，假如经步骤2测的剪切力F的方向为从第一X向子热线11到第二X向子热线12，则规定第一X向子热线11为上风口子热线，假如经步骤2测的剪切力F的方向为从第二X向子热线12到第一X向子热线11，则规定第二X向子热线12为上风口子热线；分别测量出施加剪切力F前上风口子热线的温度T₁与施加剪切力F后的上风口子热线温度T₂，将温度T₁和T₂代入公式I²R＝(T₁-T₂)[A(ρF)^1/3+B]即可求出剪切力F；其中I为恒流源电流，R为上风口热线初始阻值，ρ为流体密度，常数A和B为标定实验确定的系数；

步骤4，当传感器受到沿Y轴正方向的剪切力F时，第一Y向子热线21的部分热量会被流体带走，通过X向热线1，最终传递到第二Y向子热线22；通过比较第一Y向子热线21和第二Y向子热线22的温度，如果第一Y向子热线21的温度高于第二Y向子热线22的温度，则说明剪切力F的方向为从第一Y向子热线21到第二Y向子热线22；反之剪切力F的方向为从第二Y向子热线22到第一Y向子热线21；

步骤5，假如经步骤4测的剪切力F的方向为从第一Y向子热线21到第二Y向子热线22，则规定第一Y向子热线21为上风口子热线，假如经步骤4测的剪切力F的方向为从第二Y向子热线22到第一Y向子热线21，则规定第二Y向子热线22为上风口子热线；分别测量出施加剪切力F前上风口子热线的温度T₁与施加剪切力F后的上风口子热线温度T₂，将温度T₁和T₂代入公式I²R＝(T₁-T₂)[A(ρF)^1/3+B]即可求出剪切力F；其中I为恒流源电流，R为上风口热线初始阻值，ρ为流体密度，常数A和B为标定实验确定的系数。

本发明的传感器具有测量范围大，灵敏度高，易于集成的优点，能够实时测量高雷诺数下流体边界层内二维剪切应力，可用于测量无人机表面二维剪切应力。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。