CN101520351B - 热敏表面剪切应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热敏表面剪切应力传感器，包括加热\热敏线圈、支撑薄膜、隔热沟、支撑梁、热敏电极、电绝缘薄膜、硅衬底和引线电极，通过淀积在所述的硅衬底表面形成支撑薄膜和电绝缘薄膜，该支撑薄膜下面的衬底被刻蚀掉，并对加热\热敏线圈起支撑作用；该支撑薄膜和电绝缘薄膜通过支撑梁连接，并在电绝缘薄膜上制备出相互独立的热敏电极，该热敏电极均匀分布在所述加热\热敏线圈的外边缘，在该加热\热敏线圈与热敏电极之间为隔热沟，同时该加热\热敏线圈与热敏电极分别通过引线电极与外部电路相连。本发明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。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，特别是一种热敏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具有显著的优点。基于MEMS技术的表面剪切应力传感器主要可以分为两类，一种是直接测量技术，例如浮动单元型器件；另一种是间接测量技术，例如热敏型传感器。相对于传统的热敏型剪切应力传感器，基于MEMS技术的热敏型剪切应力传感器提高了敏感元件与衬底之间的热绝缘，同时由于MEMS技术所有具有的微小尺度的特点，使得基于MEMS技术的热敏型剪切应力具有以下优点：提高了时间和空间分辨率、较高灵敏度、较低功耗，而且降低了敏感元件与衬底之间的不稳定热传导所带来的复杂性。
已有报道的利用MEMS技术制作的结构如图1、图2所示(Liu C，Tai YC，HuangJ，Ho CM.Surface micromachined thermal shear-stress sensor.In：Proceedings，The ASMESymposium on Application of Microfabrication to Fluid Mechanics，ASME Winter AnnualMeeting，Chicago，1994.p.9-15.)，图1为目前利用微加工技术制作的热敏表面剪切应力传感器的结构示意图。图2为该结构的剖面示意图。其中，10是加热及热敏电阻丝，20是流体的流动方向，该方向垂直于电阻丝10，30是支撑薄膜，40是硅衬底，50是隔热腔体，降低电阻丝10与硅衬底40之间的热交换。传感器工作时，对电阻丝10加热，使电阻丝的温度高于流体的温度。当流体运动经过电阻丝表面时，电阻丝10的温度随着在流体环境中对流传热的变化而变化，同时，电阻丝10的温度变化也会导致所述电阻丝电阻的变化，通过监控所述电阻丝10的电阻变化与温度的关系可以获得流体在传感器表面产生的表面剪切应力的大小。
这种结构的最大问题是需要将加热及热敏电阻丝10定向放置，使其垂直于流体的运动方向。因而，这种结构只能测量表面剪切引力的大小，无法同时获得表面剪切应力 的方向的信息。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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热敏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：一种热敏表面剪切应力传感器，包括加热\热敏线圈、支撑薄膜、隔热沟、支撑梁、热敏电极、电绝缘薄膜、硅衬底和引线电极，通过淀积在所述的硅衬底表面形成支撑薄膜和电绝缘薄膜，该支撑薄膜下面的衬底被刻蚀掉，并对加热\热敏线圈起支撑作用；该支撑薄膜和电绝缘薄膜通过支撑梁连接，并在电绝缘薄膜上制备出相互独立的热敏电极，该热敏电极均匀分布在所述加热\热敏线圈的外边缘，在该加热\热敏线圈与热敏电极之间为隔热沟，同时该加热\热敏线圈与热敏电极分别通过引线电极与外部电路相连；支撑薄膜和加热\热敏线圈均为圆形。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)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)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。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明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是本发明目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的剖面结构示意图。
图3是本发明提供的热敏表面剪切应力传感器的结构示意图。
图4是本发明图3所示的热敏表面剪切应力传感器的剖面结构示意图。
图5是本发明提供的热敏表面剪切应力传感器的另一种实施结构示意图。
具体实施方式
结合图3和图4，本发明热敏表面剪切应力传感器，包括加热\热敏线圈1，支撑薄膜2，隔热沟3a、3b、3c、3d，支撑梁4a、4b、4c、4d，热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h，电绝缘薄膜6，硅衬底7和引线电极8，通过淀积在所述的硅衬底7表面形成支撑薄膜2和电绝缘薄膜6，该支撑薄膜2下面的衬底被刻蚀掉，并对加热\热敏线圈1起支撑作用；该支撑薄膜2和电绝缘薄膜6通过支撑梁4a、4b、4c、4d连接，并 在电绝缘薄膜6上制备出热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h，该热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h均匀分布在所述加热\热敏线圈1的外边缘，在该加热\热敏线圈1与热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h之间为隔热沟3a、3b、3c、3d，同时该加热\热敏线圈1与热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h分别通过引线电极8与外部电路相连。
本发明热敏表面剪切应力传感器的支撑薄膜2和加热\热敏线圈1均为圆形，为了增加加热\热敏线圈1的电阻值，以提高测量的精度和灵敏度，可以把加热\热敏线圈1设计为折叠状的，然后再连接为圆形，如图5所示。加热\热敏线圈1由多晶硅或者Pt与Ti构成。支撑薄膜2由二氧化硅，或氮化硅，或者二氧化硅和氮化硅两者构成。加热\热敏线圈1淀积在支撑薄膜2的表面，加热\热敏线圈1的电连接线通过支撑梁引出与外部电路相连，以四根支撑梁4a、4b、4c、4d的情况为例，电连接线通过支撑梁4a、4b、4c、4d中不相邻的两根支撑梁与外部电源相连。其中所有的支撑梁4a、4b、4c、4d均匀分布在支撑薄膜2的四周，并且支撑梁4a、4b、4c、4d所在的直线通过支撑薄膜2的圆心。可以使用干法或者湿法的方法将薄膜下面的衬底刻蚀掉以形成薄膜，从而降低加热\热敏线圈1与衬底之间的热传导，同时也降低了热容，降低热容是降低传感器响应时间的一个非常重要的方法。使用剥离法在电绝缘薄膜6上制备出热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h。热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h均匀分布在加热\热敏线圈1的四周，每个热敏电极之间相互独立。并且热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h形状为等长弧段，该弧段与加热\热敏线圈1具有相同圆心。隔热沟3a、3b、3c、3d位于热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和加热\热敏线圈1的中间，以降低热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和加热\热敏线圈1之间的热交换。其中隔热沟3a、3b、3c、3d为圆形，与加热\热敏线圈1具有相同圆心。
工作的时候，加热\热敏线圈1被加热到一个设定的温度，而且该设定温度高于流体的温度，当流体流过传感器表面时，加热\热敏线圈1上的热量部分被流体带走，从而引起加热\热敏线圈1温度的变化，从而导致加热\热敏线圈1电阻值的变化，而且加热\热敏线圈1温度的变化量与流体速度相关，而流体在传感器表面产生的剪切应力与流体的速度相关，因此，通过监控加热\热敏线圈1电阻值的变化可以获得流体在传感器表面产生的剪切应力大小的信息。
对流体方向的测量基于流体方向改变时所引起的热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h的相对输出变化，该相对输出变化是由热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h的相对温度变化引起。以八个热敏电极为例，当通过传感器表面的流体的速度为零时，八个热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h的温度都一样，此时八个热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h的输出也一样。当流体以某一角度通过传感器表面时，流场将改变加热\热敏线圈1的温度场分布，从而引起八个热敏电极5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h的相对温度变化。在流场中位于加热\热敏线圈1上游的热敏电极的温度受加热\热敏线圈1的温度场的影响最小，而流场位于加热\热敏线圈1下游的热敏电极受加热\热敏线圈1的温度场的影响最大，从而导致其输出变化最大。在垂直于流场方向上的两个热敏电极受加热\热敏线圈1的温度场的影响一样大小。通过测量八个热敏电极的输出，同时计算出以加热\热敏线圈1所在的圆心为中心对称的每两个热敏电极的输出的差值，通过比较差值的大小，就可以确定流体的方向。流体方向上的以圆心为中心对称的两个热敏电极输出差值的绝对值最大，而垂直于流体方向上的以圆心为中心对称的两个热敏电极的输出差值为零。
Claims (7)
1.一种热敏表面剪切应力传感器，其特征在于包括加热\热敏线圈(1)、支撑薄膜(2)、隔热沟(3a，3b，3c，3d)、支撑梁(4a，4b，4c，4d)、热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)、电绝缘薄膜(6)、硅衬底(7)和引线电极(8)，通过淀积在所述的硅衬底(7)表面形成支撑薄膜(2)和电绝缘薄膜(6)，该支撑薄膜(2)下面的衬底被刻蚀掉，并对加热\热敏线圈(1)起支撑作用；该支撑薄膜(2)和电绝缘薄膜(6)通过支撑梁(4a，4b，4c，4d)连接，并在电绝缘薄膜(6)上制备出相互独立的热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)，该热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)均匀分布在所述加热\热敏线圈(1)的外边缘，在该加热\热敏线圈(1)与热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)之间为隔热沟(3a，3b，3c，3d)，同时该加热\热敏线圈(1)与热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)分别通过引线电极(8)与外部电路相连；支撑薄膜(2)和加热\热敏线圈(1)均为圆形。
2.根据权利要求1所述的热敏表面剪切应力传感器，其特征在于：使用剥离法在电绝缘薄膜(6)上制备出热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)。
3.根据权利要求1所述的热敏表面剪切应力传感器，其特征在于：加热\热敏线圈(1)由多晶硅或者Pt/Ti构成。
4.根据权利要求1所述的热敏表面剪切应力传感器，其特征在于：支撑薄膜(2)由二氧化硅，或氮化硅，或者二氧化硅和氮化硅两者构成。
5.根据权利要求1所述的热敏表面剪切应力传感器，其特征在于：支撑梁(4a，4b，4c，4d)为四根，所有的支撑梁(4a，4b，4c，4d)均匀分布在支撑薄膜(2)的四周，并且支撑梁(4a，4b，4c，4d)所在的直线通过支撑薄膜(2)的圆心，同时所述加热\热敏线圈(1)的电连接线通过支撑梁(4a，4b，4c，4d)中不相邻的两根支撑梁与引线电极(8)相连。
6.根据权利要求1所述的热敏表面剪切应力传感器，其特征在于：热敏电极(5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h)形状为等长弧段，该弧段与加热\热敏线圈(1)具有相同圆心。
7.根据权利要求1所述的热敏表面剪切应力传感器，其特征在于：隔热沟(3a，3b，3c，3d)为圆形，与加热\热敏线圈(1)具有相同圆心。
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