CN101614753A - 流场传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流场传感器，其特征在于，包括集成有调理电路的电路板，以及制作在此电路板上的敏感材料层，所述敏感材料层电连接至所述调理电路；本发明可以利用标准电路板工艺制作传感器调理电路和传感器电极，使得传感器的制造过程简单，极大地降低了传感器的制造成本；传感器的体积小、质量轻，可以很容易地安装在物体表面，且容易实现阵列化；封装简单，热容量小、传感器具有较快的响应速度，散热量小，从而降低了系统的功耗；以电路板为基底的制造方案使得传感器可直接集成在调理电路上，极大地提高了整个系统的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及流场传感器技术领域，特别涉及用于测量风速/剪切力的具有高集成度的流场传感器及其制作方法。
背景技术
流场测量在国民生产和国防工业的多个领域都有需求，尤其在航空航天领域有着重要作用。风速/剪应力测量是表面流场测量的关键组成，因此流场传感器的研究有着很重要的意义。传统的风速测量方法有皮托管、热线、热膜等测量方法，其中热线/热膜测量方法采用的热线/热膜传感器是一种常用的流场传感器。
随着微电子机械系统(简称MEMS)的发展，基于MEMS工艺的热线、热膜传感器开始出现。铂电阻Pt100/Pt1000就是一类典型的基于MEMS工艺的热膜传感器。它是用薄膜溅射工艺把铂溅射在陶瓷晶体的底片上，形成一层薄膜，再利用光刻技术把它调成所需要的电阻值，最后在表面涂上一层绝缘膜(陶瓷)封装而成。利用薄膜铂热敏电阻自身加热原理可以形成风速/剪应力传感器，它利用气体冷却效应引起的铂电阻的电阻值变化，通过测量铂电阻的大小，可以推算出风速/剪应力的大小，进而可以推算出流场情况。
现有的薄膜铂热敏电阻(如Pt100/Pt1000)虽然能对物体表面流场进行测量，但由于采用陶瓷封装，电阻体积较大，此外，陶瓷封装还增加了传感器的热容量，降低了传感器的性能，所以在物体表面流场测量中存在如下问题：
(1)体积、重量较大，不易在物体表面上阵列化使用；
(2)热容量大，使传感器动态性能受到限制；
(3)热容量大、散热面积大，导致功耗大；
(4)在物体表面安装困难，与测量电路的集成度低。
这些问题在实际应用中都是必须加以考虑的，为了解决这些问题，需要寻找或设计一种更适用于物体表面流场测量的热式传感器。
发明内容
因此，本发明的任务是克服现有技术的缺陷，从而提供一种具有高集成度的流场传感器。
本发明的另一任务是提供一种流场传感器的制作方法。
一方面，本发明提供的流场传感器，包括集成有调理电路的电路板，以及制作在此电路板上的敏感材料层，所述敏感材料层电连接至所述调理电路。
上述流场传感器中，所述敏感材料层可以为单层结构或多层复合结构，所述敏感材料优选镍或铂。
上述流场传感器中，所述传感器还优选包括位于所述电路板与所述敏感材料层之间的粘附层，用于增强所述敏感材料层与电路板基层之间的粘附性。
上述流场传感器中，所述传感器还优选包括覆盖在所述敏感材料层上的封装层，所述封装层的材料优选聚酰亚胺。
上述流场传感器中，所述电路板为柔性电路板或刚性电路板，所述柔性电路板的材料优选聚酰亚胺。
上述流场传感器中，所述调理电路可以为恒流式、恒压式或恒温式调理电路。
另一方面，本发明提供了一种流场传感器的制作方法，包括以下步骤：
a)首先，在电路板上制作调理电路；
b)然后，在该电路板上制作敏感材料层，并使所述敏感材料层电连接至所述调理电路。
上述方法中，为了增强所述敏感材料层与电路板基层之间的粘附性，在所述步骤b)之前，还优选包括制作位于所述电路板与所述敏感材料层之间的粘附层的步骤，所述粘附层的材料优选铬等。
上述方法中，为了保护传感器的敏感材料，在所述步骤b)之后，还优选包括制作覆盖在所述敏感材料层之上的封装层的步骤，所述封装层的材料优选聚酰亚胺。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、利用标准电路板工艺制作传感器调理电路和传感器电极，使得传感器的制造过程简单，极大地降低了传感器的制造成本；
2、体积小、质量轻，可以很容易地安装在物体表面，且容易实现阵列化；
3、封装简单、热容量小，传感器具有较快的响应速度；
4、热容量小、散热量小，从而降低了系统的功耗；
5、以电路板为基底的制造方案使得传感器可直接集成在调理电路上，极大地提高了整个系统的集成度。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1是传感器的结构图；
图2是传感器制作过程示意图；
图3是传感器材料层的各层示意图；
图4是传感器的恒温式(CTA)调理电路图。
具体实施方式
本发明的流场传感器，包括在电路板上通过标准的电路板加工工艺制作出的调理电路和电连接至该调理电路的敏感材料层。
所述的敏感材料一般可以选择镍或铂或其他适合的材料，其中，敏感材料层既可以是单层敏感材料，也可以是多层复合结构，即由多层敏感材料构成，对于复合结构，各层敏感材料之间的厚度比例可以根据实际需要而确定。复合结构的敏感材料层对本领域技术人员是熟知的，其通常使用铂等稳定性好、抗氧化性强的材料作为最外层，优点是解决了采用诸如镍等敏感材料易氧化的问题，而无论是单层结构还是多层复合结构的敏感材料层，其厚度一般控制在100nm-400nm范围内；
此外，所述的调理电路类型可以选择恒流式、恒压式或恒温式调理电路，而电路板既可以选择普通的刚性PCB电路板，也可以使用诸如聚酰亚胺等材料制作的柔性电路板。
为了保护传感器敏感材料层，还可以在传感器敏感材料层上覆盖一层封装层，封装层的材料可以选择聚酰亚胺或陶瓷等，特别是使用柔性电路板时，可以选择聚酰亚胺作为封装层材料。另外，为了增强敏感材料层与电路板基层之间的粘附性，还可以在敏感材料层与所述电路板之间设置由诸如铬等材料形成的粘附层。
本发明将传感器直接集成在调理电路上，极大地提高了整个系统的集成度，减小了体积和质量，使得这种流场传感器可以很容易的安装在物体表面，而且容易实现流场传感器阵列。同时，随着流场传感器体积的减小，其热容量也随之减小，使得传感器具有较快的响应速度；另外本发明的这种集成的解决方案还降低了整个流场测量系统的功耗。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明。图1-图4示出了本发明的流场传感器的一个实施例。本实施例中，如图1a所示，电路板使用由聚酰亚胺材料制作的柔性电路板1，该柔性电路板1上集成有传感器调理电路及其焊盘2和传感器电极对3，同时，如图1b所示，该电路板上还制作有传感器材料层4，其包括粘附层、敏感材料层以及覆盖在敏感材料层之上的封装层，该流场传感器的具体制作过程如图2a-图2e所示，主要包括以下步骤：
1)首先，在图2a所示的聚酰亚胺柔性电路板1上，使用标准的电路板工艺制作出调理电路和预留的传感器电极对3，如图2b所示，所述传感器电极对3是为了与后面要制作的敏感材料层电连接而准备的，所述传感器电极与所述调理电路电连接；
2)然后，如图2c所示，将掩膜板覆盖在上述制作有调理电路和传感器电极的电路板上，采用磁控溅射或真空激光弧沉积技术在两个传感器电极之间及其上依次沉积粘附层和敏感材料层，如图2d所示，粘附层和敏感材料层的结构如图3所示，按照由下至上的次序，依次沉积Cr层、Ni层和Pt层，其中Cr层为粘附层，Ni层和Pt层为敏感材料层，三层的厚度比例Cr∶Ni∶Pt大体上为4∶16∶3，并且敏感材料层的总厚度为100-400nm；
3)为了使得电阻具备更加稳定的电阻和温度电阻系数(简称TCR)等特性，优选对传感器进行热处理和电老化。热处理的温度为100-400℃，时间1-4小时；电老化的功率约为传感器的电阻极限功率的60-90％，所述传感器电阻极限功率是指传感器敏感材料层烧毁时的功率值。
4)最后，还可以优选采用蒸镀的方式在整个传感器表面蒸镀一层聚酰亚胺作为封装层，如图2e所示，完成传感器的制作，所述封装层的厚度应尽量薄，以保证传感器的灵敏度。
从上述流场传感器的制作过程可以看出，由于本发明利用了标准的电路板工艺制作传感器调理电路和传感器电极，使得传感器的制造过程简单，极大地降低了传感器的制造成本。
热式流场传感器一般有三种工作方式，即恒流式(CCA)、恒压式(CVA)和恒温(阻)式(CTA)，其中，恒流和恒压式的调理电路为开环电路，恒温式的调理电路为闭环电路。本实施例流场传感器的调理电路采用恒温式(CTA)调理电路，其原理如图4所示。
该CTA电路由测量电桥、伺服放大器、自动调整环节、输出放大器和输出指示几部分组成。其中，Rw为传感器中传感器材料层的电阻，也称作热膜电阻，其作为电桥的一个桥臂，R1、R2与R3分别为电桥的匹配电阻。其中R1＝Rw，R2＝R3。加热后的热膜，在受到流速强迫对流作用而造成微小的温度下降(也即传感器材料层的薄膜电阻下降)时，测量电桥能敏感、迅速、稳定、可靠地检测出来，送入伺服放大器进行放大。除电阻Rw外其他桥臂都采用精密电阻，从而保证由电流加热和环境温度变化造成的电阻变化很小。电桥中的RD用来测量热膜电阻冷电阻R0和加过热比Rw/R0用的十进制电阻，其作用是保证传感器材料层能够被控制在预先确定好的工作温度中运转。伺服放大器的功能是将由测量电桥输送来的微弱电信号进行放大，并推动调整环节。自动调整环节主要起电流放大作用，其输出反馈至测量电桥顶端，供给传感器材料层加热电流，保持测量电桥的动态平衡。
Rw作为测量电桥的一个桥臂，当流速为零时，电桥平衡，伺服放大器的两个输出端没有电压差，输出指示为零。当传感器材料层在流体的作用下，由强迫对流造成热损耗，其温度tΔ发生变化，由此引起热膜电阻Rw变化，电桥失去平衡，产生一个偏离于平衡点的误差电压。将此误差电压输入到伺服放大器，由高增益的集成运放放大后去推动调整环节，使调整环节反馈到电桥顶端的工作电压能自动升高或降低，也即随之改变热膜的加热电流，使传感器材料层保持恒定的温度，即保持恒定的电阻。桥压的变化也就反映了流速的变化。与此同时，将桥压输入到输出放大器，经与基准电压比较，将其差值放大作为输出指示。利用单个传感器可测量单点风速/剪应力。
对本实施例制作的流场传感器进行测量，可得到其响应时间小于1s(商业化的热膜传感器Pt100的响应时间1～9s)；而单个传感器的面积只有5×1mm2(厚度极其微小)，质量也只有0.01g，便于阵列化。
如果将多个流场传感器布置成阵列，还能够测得物体表面的流场分布情况，这对本领域技术人员是熟知的。
最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的流场传感器结构及其制作方法，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种流场传感器，其特征在于，包括集成有调理电路的电路板，以及制作在此电路板上的敏感材料层，所述敏感材料层电连接至所述调理电路。
2.根据权利要求1所述的流场传感器，其特征在于，所述敏感材料层为多层复合结构。
3.根据权利要求1或2所述的流场传感器，其特征在于，所述敏感材料为镍或铂。
4.根据权利要求1所述的流场传感器，其特征在于，所述传感器还包括位于所述电路板与所述敏感材料层之间的粘附层，用于增强所述敏感材料层与电路板之间的粘附性。
5.根据权利要求1所述的流场传感器，其特征在于，所述传感器还包括覆盖在所述敏感材料层之上的封装层。
6.根据权利要求1所述的流场传感器，其特征在于，所述电路板为柔性电路板或刚性电路板。
7.根据权利要求6所述的流场传感器，其特征在于，所述柔性电路板的材料为聚酰亚胺。
8.一种流场传感器的制作方法，包括以下步骤：
a)首先，在电路板上制作调理电路；
b)然后，在该电路板上制作敏感材料层，并使所述敏感材料层电连接至所述调理电路。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤b)之前，还包括制作位于所述电路板与所述敏感材料层之间的粘附层的步骤。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤b)之后，还包括制作覆盖在所述敏感材料层之上的封装层的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20091230 |