CN101482441B

CN101482441B - 双轴表面剪切应力传感器

Info

Publication number: CN101482441B
Application number: CN2008102436645A
Authority: CN
Inventors: 黄钦文; 苏岩; 裘安萍; 明晓
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CN101482441A

Abstract

本发明涉及微机电系统技术领域，公开了一种双轴表面剪切应力传感器，所述表面剪切应力传感器由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的表面剪切应力机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线。所述表面剪切应力传感器上层机械结构包括固定基座、外部固定梳齿电极、外部固定梳齿、外部敏感梳齿、外部支撑梁、支撑框架、内部支撑梁、内部固定梳齿电极、内部固定梳齿、内部敏感梳齿、浮动单元。所述内部固定梳齿和内部敏感梳齿测量水平方向的表面剪切应力，所述外部固定梳齿和外部敏感梳齿测量垂直方向的表面剪切应力。利用本发明，能够确定平面内表面剪切应力的方向，同时测量表面剪切应力的大小。

Description

双轴表面剪切应力传感器

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，特别是一种双轴表面剪切应力传感器。

背景技术

表面剪切应力的测量在基础科学研究、工业控制以及生物医学应用中具有非常重要的意义。例如，在高超音速条件下，准确地获得飞行器表面摩擦应力的大小以及边界层转捩的信息，将为正确的热防护设计提供可靠的依据。

传统的宏观尺度的测量技术无法满足获得精确的表面剪应力数据的要求。MEMS技术所具有的小型化的优点使得基于MEMS技术的剪应力传感器可具有足够高的空间分辨率，具有潜力能够显著提高时间的以及空间的测量带宽，满足对表面剪应力测量数据的高标准要求。

已有报道的利用微加工技术制作的结构如图1所示(Nicholas Tiliakos and GeorgePapadopoulos etc，MEMS Shear Stress Sensor for Hypersonic Aeropropulsion Test andEvaluation，2006 Annual ITEA Technology Review August 710，2006)。图1为目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的结构示意图。其中，1a、1b、1c、1d是固定基座，2a、2b是固定梳齿电极，3a、3b、3c、3d是支撑梁，7是可动的浮动单元，8a、8b是固定电极，9a、9b是敏感电极，6是流体的方向。流体运动在浮动单元表面所产生的表面剪切应力使浮动单元在流体的方向上产生位移。固定电极8a与敏感电极9a构成一敏感电容200，固定电极8b与敏感电极9b构成另一敏感电容201，并且敏感电容200和敏感电容201构成差分电容结构，用于测量浮动单元的位移量。

这种结构的最大问题是需要将表面剪切应力传感器放置于使流体的运动方向垂直于支撑梁的长度方向。当应用于方向未知的流体、或者方向会发生改变的流体，所述传感器结构具有很大局限性，无法同时实现对表面剪切应力大小的测量和流体方向的确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双轴表面剪切应力传感器，该传感器能够确定流体运动的方向，同时测量流体运动在固体表面所产生的表面剪切应力的大小。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双轴表面剪切应力传感器，包括固定基座、外部固定梳齿电极、外部支撑梁、浮动单元、外部固定梳齿和外部敏感梳齿，所述的外部固定梳齿与外部敏感梳齿分别构成敏感电容，该两个敏感电容之间构成差分电容结构，所述的外部固定梳齿分别与外部固定梳齿电极连接，由上下层构成，上层为制作在单晶硅片上的表面剪切应力传感器机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，将固定基座、外部固定梳齿电极、外部固定梳齿、外部敏感梳齿、外部支撑梁、支撑框架、内部支撑梁、内部固定梳齿电极、内部固定梳齿、内部敏感梳齿、浮动单元设置在上层机械结构，外部敏感梳齿与支撑框架连接，该支撑框架通过外部支撑梁分别连接到固定基座，所述的固定基座安装在玻璃衬底上的第一金属引线键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上；所述的内部支撑梁将浮动单元连接到支撑框架上；外部固定梳齿电极被固定在玻璃衬底上的第二金属引线键合点上；所述的内部固定梳齿与内部固定梳齿电极连接，内部固定梳齿电极被固定在玻璃衬底上的第三金属引线键合点上；所述的内部敏感梳齿与浮动单元连接，所述的内部固定梳齿与内部敏感梳齿分别构成敏感电容。

外部敏感梳齿在平行于外部支撑梁的方向上与支撑框架连接；在流体作用下，支撑框架在垂直方向上产生位移时，外部敏感梳齿的位移方向垂直于外部固定梳齿；内部敏感梳齿在垂直于内部支撑梁的方向上与浮动单元连接；在流体作用下，浮动单元在水平方向上产生位移时，内部敏感梳齿的位移方向平行于内部固定梳齿。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明提供的这种表面剪切应力传感器，能够确定平面内流体的方向，同时对流体在固体表面所产生的表面剪切应力的大小进行测量。(2)本发明提供的这种表面剪切应力传感器，采用差分电容式结构进行信号的读出，有利于和信号采集处理电路的集成。并使用成熟可行的MEMS工艺制造，实现了器件的小型化，提高了传感器的时间以及空间的分辨率。(3)传感器采用差分电容的结构读出信号，有利于器件的大量生产以及和信号采集处理电路的集成。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1为目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的双轴表面剪切应力传感器的俯视图；

图3为图2所示的双轴表面剪切应力传感器的剖面结构示意图；

图4为图2所示的双轴表面剪切应力传感器下层的玻璃衬底上的信号引线示意图。

图5为本发明提供的双轴表面剪切应力传感器的另一种结构形式的俯视图；

具体实施方式

结合图2，本发明双轴表面剪切应力传感器，包括固定基座1a、1b、1c、1d、外部固定梳齿电极2a、2b，外部支撑梁3a、3b、3c、3d，浮动单元7、外部固定梳齿8a、8b和外部敏感梳齿9a、9b，所述的外部固定梳齿8a、8b与外部敏感梳齿9a、9b分别构成敏感电容200、201，该两个敏感电容200、201之间构成差分电容结构，所述的外部固定梳齿8a、8b分别与外部固定梳齿电极2a、2b连接，由上下层构成，上层为制作在单晶硅片上的表面剪切应力传感器机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，将固定基座1a、1b、1c、1d，外部固定梳齿电极2a、2b，外部固定梳齿8a、8b，外部敏感梳齿9a、9b，外部支撑梁3a、3b、3c、3d，支撑框架4、内部支撑梁5a、5b、5c、5d，内部固定梳齿电极6a、6b，内部固定梳齿10a、10b，内部敏感梳齿11a、11b，浮动单元7设置在上层机械结构，外部敏感梳齿9a、9b与支撑框架4连接，该支撑框架4通过外部支撑梁3a、3b、3c、3d分别连接到固定基座1a、1b、1c、1d，所述的固定基座1a、1b、1c、1d安装在玻璃衬底12上的第一金属引线键合点20a、20b、20c、20d上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底12部分之上；所述的内部支撑梁5a、5b、5c、5d将浮动单元7连接到支撑框架4上；外部固定梳齿电极2a、2b被固定在玻璃衬底12上的第二金属引线键合点21a、21b上；所述的内部固定梳齿10a、10b与内部固定梳齿电极6a、6b连接，内部固定梳齿电极6a、6b被固定在玻璃衬底12上的第三金属引线键合点22a、22b上；所述的内部敏感梳齿11a、11b与浮动单元7连接，所述的内部固定梳齿10a、10b与内部敏感梳齿11a、11b分别构成敏感电容100、101。

其中，本发明双轴表面剪切应力传感器的外部敏感梳齿9a、9b在平行于外部支撑梁3a、3b、3c、3d的方向上与支撑框架4连接；在流体作用下，支撑框架4在垂直方向上产生位移时，外部敏感梳齿9a、9b的位移方向垂直于外部固定梳齿8a、8b。外部敏感梳齿9a、9b可以在垂直于外部支撑梁3a、3b、3c、3d的方向上与支撑框架4连接；在流体作用下，支撑框架4在垂直方向上产生位移时，外部敏感梳齿9a、9b的位移方向平行于外部固定梳齿8a、8b。内部敏感梳齿11a、11b可以在垂直于内部支撑梁5a、5b、5c、5d的方向上与浮动单元7连接；在流体作用下，浮动单元7在水平方向上产生位移时，内部敏感梳齿11a、11b的位移方向平行于内部固定梳齿10a、10b。外部支撑梁3a、3b、3c、3d可以为单梁或折叠梁。内部支撑梁5a、5b、5c、5d可以为单梁或折叠梁。

如图2、图3和图4所示，图2为本发明提供的双轴表面剪切应力传感器的俯视图，图3为图2所示的双轴表面剪切应力传感器的剖面结构示意图，图4为图2所示的双轴表面剪切应力传感器下层的玻璃衬底上12的信号引线示意图。该表面剪切应力传感器上层机械结构的固定基座1a、1b、1c、1d与玻璃衬底上的第一金属引线键合点20a、20b、 20c、20d相连接；支撑框架4通过外部支撑梁3a、3b、3c、3d分别连接到固定基座1a、1b、1c、1d。内部支撑梁5a、5b、5c、5d将浮动单元7连接到支撑框架4上。外部固定梳齿8a、8b分别与外部固定梳齿电极2a、2b连接，外部固定梳齿电极2a、2b与玻璃衬底12上的第二金属引线键合点21a、21b连接。外部敏感梳齿9a、9b与支撑框架4连接。内部固定梳齿10a、10b与内部固定梳齿电极6a、6b连接，内部固定梳齿电极6a、6b玻璃衬底12上的第三金属引线键合点22a、22b连接。内部敏感梳齿11a、11b与浮动单元7连接。外部固定梳齿8a与外部敏感梳齿9a构成敏感电容200，外部固定梳齿8b与外部敏感梳齿9b构成敏感电容构201，并且敏感电容200与敏感电容201构成差分电容结构。内部固定梳齿10a与内部敏感梳齿11a构成敏感电容100，内部固定梳齿10b与内部敏感梳齿11b构成敏感电容101，并且敏感电容100与敏感电容101构成差分电容结构。

本发明提供的双轴表面剪切应力传感器，采用差分电容检测的方式。当流体以水平方向运动时，流体与浮动单元表面相互作用，将在浮动单元表面产生水平方向的表面剪切应力，该表面剪切应力的方向与支撑梁5a、5b、5c、5d的轴向垂直，使支撑梁5a、5b、5c、5d弯曲，浮动单元在水平方向上产生位移，导致内部固定梳齿10a与内部敏感梳齿11a之间的间距、内部固定梳齿10b与内部敏感梳齿11b之间的间距发生变化，因而电容100与电容101的电容大小发生变化，通过电容100与电容101的电容变化量表征浮动单元的位移量。此时，相对于支撑梁5a、5b、5c、5d的弯曲所引起的电容100与电容101的电容变化量，支撑梁3a、3b、3c、3d的弯曲所引起的电容200与电容201的电容变化量非常微小，可以忽略不计。同理，当流体以垂直方向运动时，作用在浮动单元上的表面剪切应力将使支撑框架4在垂直方向产生位移，支撑框架4在垂直方向上的位移量通过电容200与电容201的电容变化量来表征。

需要注意的是，在流体作用下，敏感梳齿运动的方向可以是垂直于固定疏齿，例如图2所示的传感器结构；敏感梳齿运动的方向也可以是平行于固定疏齿，例如图5所示的传感器结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双轴表面剪切应力传感器，包括固定基座(1a、1b、1c、1d)、外部固定梳齿电极(2a、2b)、外部支撑梁(3a、3b、3c、3d)、浮动单元(7)、外部固定梳齿(8a、8b)和外部敏感梳齿(9a、9b)，所述的外部固定梳齿(8a、8b)与外部敏感梳齿(9a、9b)分别构成敏感电容(200、201)，该两个敏感电容(200、201)之间构成差分电容结构，所述的外部固定梳齿(8a、8b)分别与外部固定梳齿电极(2a、2b)连接，其特征在于：由上下层构成，上层为制作在单晶硅片上的表面剪切应力传感器机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，将固定基座(1a、1b、1c、1d)、外部固定梳齿电极(2a、2b)、外部固定梳齿(8a、8b)、外部敏感梳齿(9a、9b)、外部支撑梁(3a、3b、3c、3d)、支撑框架(4)、内部支撑梁(5a、5b、5c、5d)、内部固定梳齿电极(6a、6b)、内部固定梳齿(10a、10b)、内部敏感梳齿(11a、11b)、浮动单元(7)设置在上层机械结构，外部敏感梳齿(9a、9b)与支撑框架(4)连接，该支撑框架(4)通过外部支撑梁(3a、3b、3c、3d)分别连接到固定基座(1a、1b、1c、1d)，所述的固定基座(1a、1b、1c、1d)安装在玻璃衬底(12)上的第一金属引线键合点(20a、20b、20c、20d)上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底(12)部分之上；所述的内部支撑梁(5a、5b、5c、5d)将浮动单元(7)连接到支撑框架(4)上；外部固定梳齿电极(2a、2b)被固定在玻璃衬底(12)上的第二金属引线键合点(21a、21b)上；所述的内部固定梳齿(10a、10b)与内部固定梳齿电极(6a、6b)连接，内部固定梳齿电极(6a、6b)被固定在玻璃衬底(12)上的第三金属引线键合点(22a、22b)上；所述的内部敏感梳齿(11a、11b)与浮动单元(7)连接，所述的内部固定梳齿(10a、10b)与内部敏感梳齿(11a、11b)分别构成敏感电容(100、101)；

外部敏感梳齿(9a、9b)在平行于外部支撑梁(3a、3b、3c、3d)的方向上与支撑框架(4)连接；在流体作用下，支撑框架(4)在垂直方向上产生位移时，外部敏感梳齿(9a、9b)的位移方向垂直于外部固定梳齿(8a、8b)；内部敏感梳齿(11a、11b)在垂直于内部支撑梁(5a、5b、5c、5d)的方向上与浮动单元(7)连接；在流体作用下，浮动单元(7)在水平方向上产生位移时，内部敏感梳齿(11a、11b)的位移方向平行于内部固定梳齿(10a、10b)。

2.根据权利要求1所述的双轴表面剪切应力传感器，其特征在于：外部敏感梳齿(9a、9b)在垂直于外部支撑梁(3a、3b、3c、3d)的方向上与支撑框架(4)连接；在流体作用下，支撑框架(4)在垂直方向上产生位移时，外部敏感梳齿(9a、9b)的位移方向平行于外部固定梳齿(8a、8b)。

3.根据权利要求1所述的双轴表面剪切应力传感器，其特征在于：外部支撑梁(3a、3b、3c、3d)为单梁或折叠梁。

4.根据权利要求1所述的双轴表面剪切应力传感器，其特征在于：内部支撑梁(5a、5b、5c、5d)为单梁或折叠梁。