基于双F‑P腔的高温剪应力传感器及其制备方法

摘要

本发明属于微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种微型高温剪应力传感器。该高温剪应力传感器，采用双F‑P腔测量隔板前后压差的方式实现剪应力的测量，解决了采用电学信号测量无法实现高温测量的难题，有效提升了剪应力传感器的耐高温性能。同时，该传感器采用F‑P腔的测量方式，器件结构封闭，有效解决了高焓流场环境下污染造成的传感器失效问题。传感器采用MEMS技术一体化加工完成，结构强度较高，在高速流场环境下不易发生隔板断裂失效。本发明提出的传感器制作工艺简单，可采用碳化硅、蓝宝石等耐高温材料完成传感器制作，进一步提高传感器的耐高温性能。

说明书

(一)技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种微型高温剪应力传感器。

(二)背景技术

微型剪应力传感器由于其体积小、响应快、对流场干扰小的优点在流体壁面剪应力测量领域，如新型航空航天飞行器、水下航行器表面减阻降噪研究中得到了广泛的应用和发展。

目前，对流体壁面剪应力传感器的研究，主要包括热膜/热线剪应力传感器、压阻式底层隔板剪应力传感器等间接测量方法，以及浮动元件式剪应力传感器等直接测量方法。热膜/热线剪应力传感器是利用材料的电阻温度效应检测输出电压变化进而感受剪应力变化，其测量原理造成传感器对温度敏感度高，在高温环境下的测量精度较差；压阻式底层隔板剪应力传感器由于敏感电阻在高温环境下鲁棒性较差，无法满足高温需求；电容式浮动元件剪应力传感器由于其敏感单元感受电容量变化，表头电路和敏感单元均无法实现高温应用需求。

基于光纤传感解调信号的传感器，采用光纤传输外界被测信号，利用光纤具有的耐高温、抗干扰等特点，目前已成为高温测量领域的重要发展方向。文献《Characterization of a Sapphire Optical Wall Shear Stress Sensor for High-Temperature Applications》中提到的基于莫尔条纹的蓝宝石浮动光栅式剪应力传感器可以在800℃环境中工作。然而，该传感器的敏感单元结构极易被环境污染，影响传感器使用寿命，制约了其在高温恶劣环境下的应用。

(三)发明内容

为了满足高温环境下剪应力的测量需求，本发明提出一种基于双F-P腔的高温剪应力传感器及其制备方法。

本发明提出的基于双F-P腔的高温剪应力传感器，结构如图1所示，主要包括基底1、结构层2、前置光纤3和后置光纤4；所述结构层2上有前置F-P腔5，后置F-P腔6，前置敏感膜片7，后置敏感膜片8及隔板9，前置F-P腔5和后置F-P腔6相对隔板9位置对称，前置敏感膜片7置于前置F-P腔5上，后置敏感膜片8置于后置F-P腔6上；前置敏感膜片7与后置敏感膜片8表面平齐，隔板9则凸起于该表面；前置光纤3和后置光纤4分别安装在与前置F-P腔5和后置F-P腔6中心位置对应的基底1的下方，用于传导压力信息。

该传感器工作原理为：流体经过隔板9，在隔板9前后两端产生压差。光源发出的光经过光学处理后形成平行光，经前置光纤3以及基底1入射到前置敏感膜片7上，分别在前置敏感膜片7的下表面及基底1上表面发生反射，再经过前置光纤3传输到信号解调系统中。两束反射光的光程差变化量对应压力引起的前置F-P腔5的腔长变化量，通过对两束反射光的光程差的解调即可实现对隔板前端压力的测量。同理，通过对经后置光纤4传输回的两束反射光的光程差的解调即可实现对隔板后端压力的测量。通过隔板前后两端的压力值计算前后两端压差，代入文献《Calibration of a boundary layer fence technique for surface shear stress measurements in a compressible flow field》中给出的传统底层隔板经典公式即可得到剪应力的值，其方向垂直于隔板9，与前置F-P腔5和后置F-P腔6的中心线连线方向一致。所述公式中，τ_w为壁面剪应力，h为隔板9的高度，即凸出壁面高度，ρ为流体密度，υ为流体运动粘度，ΔP为隔板紧邻上下游两端压差。

本发明还提出了基于双F-P腔的高温剪应力传感器的制备方法，该制备方法的具体加工工艺过程为：

1)在洁净的基片2上溅射一层金属10，作为刻蚀掩膜，如图2(a)所示。

2)在金属10表面旋涂光刻胶11，光刻显影，形成刻蚀窗口，如图2(b)所示。

3)以光刻胶11为掩膜，湿法腐蚀金属10，形成前置F-P腔和后置F-P腔的刻蚀窗口，如图2(c)所示。

4)以金属10和光刻胶11为刻蚀掩膜，刻蚀基片2，如图2(d)所示。

5)对基片2和基片1进行表面处理，键合形成前置F-P腔和后置F-P腔的腔体，如图2(e)所示。

6)将基片2的另一面进行减薄抛光，直至厚度达到设计要求，如图2(f)所示。

7)在基片2的抛光面上溅射一层金属13，作为刻蚀掩膜，图2(g)所示。

8)在金属13上旋涂光刻胶14，光刻显影，形成刻蚀窗口，如图2(h)所示。

9)以光刻胶14为掩膜，湿法腐蚀金属13，形成隔板刻蚀掩膜，如图2(i)所示。

10)以金属13和光刻胶14为掩膜，刻蚀基片2，形成隔板9，如图2(j)所示。

11)湿法去除光刻胶14，湿法腐蚀金属13，形成传感器敏感元件，如图2(k)所示。

本发明提出的基于双F-P腔的高温剪应力传感器，采用双F-P腔测量隔板前后压差的方式实现剪应力的测量，解决了采用电学信号测量无法实现高温测量的难题，有效提升了剪应力传感器的耐高温性能。同时，该传感器采用F-P腔的测量方式，器件结构封闭，有效解决了高焓流场环境下污染造成的传感器失效问题。传感器采用MEMS技术一体化加工完成，结构强度较高，在高速流场环境下不易发生隔板断裂失效。本发明提出的传感器制作工艺简单，可采用碳化硅、蓝宝石等耐高温材料完成传感器制作，进一步提高传感器的耐高温性能。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的制备工艺过程

图2(a)溅射金属掩膜

图2(b)光刻形成F-P腔刻蚀窗口

图2(c)湿法腐蚀金属掩膜

图2(d)刻蚀基片形成F-P腔

图2(e)两基片高温键合形成F-P腔体

图2(f)减薄抛光上层基片

图2(g)溅射金属掩膜

图2(h)光刻形成刻蚀区域

图2(i)湿法腐蚀金属掩膜

图2(j)刻蚀上层基片形成隔板

图2(k)湿法腐蚀光刻胶，湿法腐蚀金属掩膜

(五)具体实施方法

实施例一：

本实施例提出以单晶硅作为敏感膜片和基底材料，采用硅硅高温直接键合制备基于双F-P腔的高温剪应力传感器，使用温度为400℃以下。其制备工艺主要包括如下步骤：

1)首先选取两张厚度为200μm直径为4英寸的双抛硅片，进行标准清洗，在一张双抛硅片表面溅射50nm的金属镍；

2)在金属镍表面涂正胶光刻，形成刻蚀窗口，窗口直径1mm；

3)湿法腐蚀金属镍，形成前置F-P腔和后置F-P腔的刻蚀窗口；

4)以光刻胶和金属镍为刻蚀掩膜，反应离子刻蚀双抛硅片形成20μm深凹腔；

5)湿法腐蚀表面光刻胶，腐蚀金属镍，清洗，与另一张硅片进行高温键合，键合参数：底板温度450℃，真空度5.0×10^-3mbar，压力头压力2000mbar，键合时间30mins。对键合好的晶片进行热处理，消除内应力，热处理温度800℃，时间60mins；

6)减薄第一张抛光硅片的另一表面，减薄至厚度为160μm；

7)在减薄抛光后的硅表面上溅射50nm的金属镍；

8)涂正胶光刻，形成隔板刻蚀掩膜，隔板厚度100μm；

9)湿法腐蚀金属镍，形成隔板刻蚀掩膜；

10)以光刻胶和金属镍为刻蚀掩膜，反应离子刻蚀硅表面，形成100μm高的隔板，敏感薄膜厚度为40μm；

11)湿法腐蚀光刻胶，湿法腐蚀金属镍，形成传感器敏感元件。

实施例二：

本实施例提出以碳化硅作为敏感膜片和基底材料，采用碳化硅-碳化硅高温直接键合制备基于双F-P腔的高温剪应力传感器，使用温度为650℃以下。具体包括如下步骤：

1)首先选用两片厚度为330μm直径为4英寸的碳化硅晶片，一片作为敏感膜片材料，一片作为基底材料，进行标准清洗，在碳化硅敏感膜片表面溅射50nm的金属镍；

2)在金属镍表面涂正胶光刻，形成刻蚀窗口，窗口直径1mm；

3)湿法腐蚀金属镍，形成F-P腔刻蚀窗口；

4)以光刻胶和金属镍为刻蚀掩膜，采用高密度等离子体刻蚀技术干法刻蚀碳化硅敏感膜片形成20μm深凹腔；

5)湿法腐蚀表面光刻胶，腐蚀金属镍，清洗，与另一片碳化硅基底进行高温键合，键合参数：底板温度500℃，真空度5.0×10^-3mbar，压力头压力2000mbar，键合时间1h。对键合好的碳化硅晶片进行热处理，消除内应力，热处理温度1300℃，时间3h；

6)减薄抛光碳化硅敏感膜片，减薄至厚度为160μm；

7)在减薄抛光后的碳化硅表面上溅射50nm的金属镍；

8)涂正胶光刻，形成刻蚀掩膜，隔板厚度100μm；

9)湿法腐蚀金属镍，形成隔板刻蚀掩膜；

10)以光刻胶和金属镍为刻蚀掩膜，采用高密度等离子体刻蚀技术干法刻蚀碳化硅敏感膜片表面，形成100μm高的隔板，敏感薄膜厚度为40μm；

11)湿法腐蚀光刻胶，湿法腐蚀金属镍，形成传感器敏感元件。