CN102109402A - 表面摩擦剪切应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电系统技术领域，公开了一种集成了外部封装壳体、敏感结构、处理电路的表面摩擦剪切应力传感器，所述表面摩擦剪切应力传感器由外部封装壳体、敏感结构和处理电路三个部分组成。所述敏感结构的上表面与传感器测试表面齐平，在表面摩擦剪切应力的作用下产生位移，梳齿结构将位移信号转化为电容信号，通过处理电路，将电容信号线性转化为电压信号后输出。整个传感器壳体的最大直径仅为15.4mm，长度25mm。利用本发明，能够有效地测试在超高音速气体流场下的表面摩擦剪切应力，传感器整体体积具有小型化的特点，并且在环境复杂的气体流场中有效地保护了敏感结构和处理电路。

Description

表面摩擦剪切应力传感器

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，特别是一种集成了敏感结构和处理电路的表面摩擦剪切应力传感器。

背景技术

表面摩擦剪切应力传感器是测量气体流经固体表面时与固体表面摩擦剪切应力的器件，应用于流体力学和航空航天领域。表面摩擦剪切应力的测量可以通过直接方式或者间接方式，其中间接方式的测量不适合流速较高的流体。对于直接测量传感器，一般采用MEMS技术加以实现。MEMS技术所具有的小型化特点使得表面摩擦剪切应力传感器具有较高的时间和空间分辨率，从而不仅提高了对表面摩擦剪切应力检测的精度，而且减小了对流场的影响。

1988年Schmidt首次提出了微制造浮子式剪切应力传感器并加以实现。作为直接测量的浮子式剪切应力传感器在理论上具有检测复杂流场表面摩擦力的能力，因此这种形式的传感器被广泛研究并得到了改进。在上个世纪90年代初，Ng K和Goldberg HD对Schmidt的工作做了进一步延伸。1999年，Pan T，Hyman D等提出了一种力反馈电容设计。到最近几年，A.O’Grady利用新型衬底通孔互连和电容远程测量电路来使得传感器可以应用于高温、高剪切力工作环境。在国内，也有关于浮子式表面摩擦剪切应力传感器的报道。例如南京理工大学的黄钦文、苏岩在2008年12月申请的专利“双轴表面摩擦剪切应力传感器”中，提出了一种双轴式的表面摩擦剪切应力传感器，这种结构不仅可以确定剪切应力的大小，还可以检测应力的方向。

但是上述报道都是对基于MEMS传感器敏感结构的研究。由于测试环境复杂，通常为超高音速气体流场，如果对敏感结构和处理电路保护不当，不仅影响传感器的测试精度，甚至可能导致敏感结构或者处理电路的损坏和失效；另一方面，基于MEMS技术的敏感结构具有小型化的特点，因此传感器整体体积小型化才能体现敏感结构小型化的优势，传感器整体体积小型化是测试表面摩擦剪切应力场合的需要，也是减小传感器对流场影响的必要条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、测试精度高、抗环境能力强的表面摩擦剪切应力传感器。

实现本发明的技术解决方案为：一种表面摩擦剪切应力传感器，集成了外部封装壳体、敏感结构和处理电路，外部封装壳体由上壳体、下壳体连接而成，上壳体分为从上到下内径逐步增大的三段腔体，敏感结构固定在上层PCB板上，敏感结构和上层PCB板作为一个整体安装在上腔体内，敏感结构的上表面构成传感器测试表面，该测试表面与上壳体上端面齐平，且敏感结构周围通过填充胶填充，处理电路分别设置在上下层PCB板上，下层PCB板安装在下腔体内，上下层PCB板通过导线连接，下壳体上加工一个与外部连接的固定装置，测试导线一端连接下层PCB板，另一端穿过下壳体的通孔与外部测试设备连接；处理电路包括载波发生电路、差分放大电路、解调电路和低通滤波电路，敏感结构分别与载波发生电路、差分放大电路连接，载波发生电路、差分放大电路分别与解调电路连接，解调电路与低通滤波电路连接，敏感结构将表面摩擦剪切应力转化为敏感结构的位移信号，梳齿结构则将位移信号转化为两路电容信号，载波信号由载波发生电路产生，载波信号作用在敏感结构上，对电容信号进行调制，将两路电容信号转化为两路调制过的电流信号，再通过差分放大电路将两路电流信号差分放大后输出电压信号，该电压信号通过解调电路对输出的电压信号解调成解调信号，该解调信号通过低通滤波电路得到的直流电压信号经过测试导线输出。

本发明和现有技术相比，其显著优点：(1)集成了外部封装壳体、敏感结构和处理电路；(2)敏感结构通过填充胶与外部封装壳体连接，安装简单，且大大减小了超高音速流场中的振动、冲击等恶劣环境对敏感结构的影响，使得敏感结构可以正常工作在恶劣的流场环境下；(3)传感器采用了基于MEMS技术加工的敏感结构，并且设计了上下两层PCB板作为处理电路，充分利用了纵向的空间，大大减小了传感器的体积；(4)处理电路安装在外部封装壳体内，在环境复杂的气体流场中有效地保护了处理电路，大大减小了流场对微弱信号的影响；(5)传感器的体积小，且敏感结构上表面与传感器的测试面齐平，大大减小了对流场的影响；(6)传感器外部封装壳体中的定位平面保证了装配的方向性，并采用填充胶连接各个组成部分，从而整表装配简单。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是表面摩擦剪切应力传感器结构示意图。

图2是表面摩擦剪切应力传感器敏感结构的结构示意图。

图3是表面摩擦剪切应力传感器系统工作原理示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明表面摩擦剪切应力传感器，集成了外部封装壳体100、敏感结构200和处理电路300，外部封装壳体100由上壳体110、下壳体120连接而成，上壳体110分为从上到下内径逐步增大的三段腔体，敏感结构200固定在上层PCB板310上，敏感结构200和上层PCB板310作为一个整体安装在上腔体内，敏感结构200的上表面构成传感器测试表面101，该测试表面101与上壳体110上端面113齐平，大大减小了对流场的影响，且大大减小了超高音速流场中的振动、冲击等恶劣环境对敏感结构的影响，使得敏感结构可以正常工作在恶劣的流场环境下。敏感结构200周围通过填充胶130填充，处理电路300分别设置在上下层PCB板310、320上，下层PCB板320安装在下腔体内，上下层PCB板310、320通过导线330连接。下层PCB板320通过上壳体110中的凸台112定位，通过周围填充胶140固定。上下两层PCB板设计，有效地利用了纵向空间，节省了平面空间；且处理电路300安装在上壳体110内，在环境复杂的气体流场中有效地保护了处理电路，大大减小了流场对微弱信号的影响。下壳体120上加工一个与外部连接的固定装置122(可以是外螺纹、法兰结构、卡口结构)，测试导线340一端连接下层PCB板320，另一端穿过下壳体120的通孔121与外部测试设备连接。上壳体110和下壳体120之间采用连接胶150连接和固定。如图1(b)所示，上壳体110上表面113含有确定传感器方向的定位半圆111，在装配敏感结构200时，敏感结构200的敏感轴201方向与定位半圆111所指的方向垂直。整个传感器壳体的最大直径仅为15.4mm，长度25mm，体积小对流场的影响较小。

处理电路300包括载波发生电路390、差分放大电路360、解调电路370和低通滤波电路380，敏感结构200分别与载波发生电路390、差分放大电路360连接，载波发生电路390、差分放大电路360分别与解调电路370连接，解调电路370与低通滤波电路380连接，敏感结构200将表面摩擦剪切应力001转化为敏感结构200的位移信号002，梳齿结构则将位移信号002转化为两路电容信号003a、003b，载波信号301由载波发生电路390产生，载波信号301作用在敏感结构200上，对电容信号003进行调制350，将两路电容信号003a、003b转化为两路调制过的电流信号004a、004b，再通过差分放大电路360将两路电流信号差分放大后输出电压信号005，该电压信号005通过解调电路370对输出的电压信号005解调成解调信号006，该解调信号006通过低通滤波电路380得到的直流电压信号007经过测试导线340输出。

如图2所示为本发明提供的表面摩擦剪切应力传感器敏感结构200的结构示意图。敏感结构基于MEMS技术，通过体微加工SOG工艺制造。敏感结构200采用MEMS技术加工，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的金属引线270a、270b、270c，机械结构包括质量块210，基座220a、220b、220c、220d，活动梳齿280a、280b、280c、280d，固定梳齿240a、240b、240c、240d，支撑梁230a、230b、230c、230d，固定电极250a、250b、250c、250d，质量块210通过四个角上的支撑梁230a、230b、230c、230d分别与基座220a、220b、220c、220d相连，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上；活动梳齿280a、280b、280c、280d沿敏感轴201对称分布在质量块210的两侧上，并与固定梳齿240a、240b、240c、240d形成四组检测电容，固定梳齿240a、240b、240c、240d通过固定电极250a、250b、250c、250d固定在玻璃衬底上。当质量块210在表面摩擦剪切应力001的作用下，敏感结构200沿敏感轴201方向产生位移信号002，从而四组检测电容发生变化，且上下两组检测电容构成差分检测。

四组检测电容分为上下两部分，形成差分检测。当质量块210在表面摩擦剪切应力001的作用下，敏感结构200沿着敏感轴201方向产生位移002，从而改变检测电容，检测电容的变化量正比于位移002，通过处理电路准确地读出该电容变化值就能准确反映测试表面101摩擦剪切应力001的大小。

如图3所示为本发明提供的表面摩擦剪切应力传感器系统工作原理示意图。输入信号表面摩擦剪切应力001作用在敏感结构200的质量块210上产生位移002。如式(1)所示

$m\frac{d^{2}y}{d{t}^2}+D\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{ky}=-\mathrm{\τA}---\left(1\right)$

其中，m为质量块210的质量，k为敏感结构200等效的弹性系数，D为敏感结构200的阻尼系数，y为敏感结构200在敏感轴201方向的位移，τ为输入信号表面摩擦剪切应力001，A为质量块210与流场接触的表面积。

位移信号002通过梳齿结构(固定梳齿280和对应的活动梳齿240所构成的结构)转化成为一组电容信号303a、303b。如式(2)所示，在一定范围内，这组电容信号的差分值和位移y成正比。

$\mathrm{\Δc}=c_1-c_2$

$=\mathrm{n\ϵ}{A}_c(\frac{1}{d_1-y}+\frac{1}{d_2+y})-\mathrm{n\ϵ}{A}_c(\frac{1}{d_2-y}+\frac{1}{d_1+y})$

$=\mathrm{n\ϵ}{A}_c(\frac{2y}{{d_1}^2-y^2}+\frac{-2y}{{d_2}^2-y^2})---\left(2\right)$

$\≈\mathrm{n\ϵ}{A}_c(\frac{1}{{d_1}^2}-\frac{1}{{d_2}^2})\·2y$

其中，c₁，c₂为电容信号303a、303b，n为梳齿电容的对数，ε为介电常数，A_c为固定梳齿280和其对应的活动梳齿240的重叠面积，d₁，d₂为固定梳齿280和其对应的活动梳齿240之间的初始间距。

载波信号发生电路390产生载波信号301。经过载波信号301的调制，电容信号转化为电流信号004a、004b。两路电流信号004a、004b经过差分放大电路360得到一个电压信号005。通过载波信号301对电压信号005解调后再经过低通滤波电路380得到直流电压信号007输出。如式(3)所示

u_out(t)＝Δc·u(t)·R              (3)

式中，u_out(t)为输出直流电压信号007，u(t)为载波信号301，R为电流-电压电路转换电阻。

综上所述，输出的直流电压信号007与输入测试表面101的摩擦剪切应力001成线性关系。从而达到传感器测量测试表面101摩擦剪切应力的目的。

Claims (4)

1.一种表面摩擦剪切应力传感器，其特征在于集成了外部封装壳体(100)、敏感结构(200)和处理电路(300)，外部封装壳体(100)由上壳体(110)、下壳体(120)连接而成，上壳体(110)分为从上到下内径逐步增大的三段腔体，敏感结构(200)固定在上层PCB板(310)上，敏感结构(200)和上层PCB板(310)作为一个整体安装在上腔体内，敏感结构(200)的上表面构成传感器测试表面(101)，该测试表面(101)与上壳体(110)上端面(113)齐平，且敏感结构(200)周围通过填充胶(130)填充，处理电路(300)分别设置在上下层PCB板(310、320)上，下层PCB板(320)安装在下腔体内，上下层PCB板(310、320)通过导线(330)连接，下壳体(120)上加工一个与外部连接的固定装置(122)，测试导线(340)一端连接下层PCB板(320)，另一端穿过下壳体(120)的通孔(121)与外部测试设备连接；处理电路(300)包括载波发生电路(390)、差分放大电路(360)、解调电路(370)和低通滤波电路(380)，敏感结构(200)分别与载波发生电路(390)、差分放大电路(360)连接，载波发生电路(390)、差分放大电路(360)分别与解调电路(370)连接，解调电路(370)与低通滤波电路(380)连接，敏感结构(200)将表面摩擦剪切应力(001)转化为敏感结构(200)的位移信号(002)，梳齿结构则将位移信号(002)转化为两路电容信号(003a、003b)，载波信号(301)由载波发生电路(390)产生，载波信号(301)作用在敏感结构(200)上，对电容信号(003)进行调制(350)，将两路电容信号(003a、003b)转化为两路调制过的电流信号(004a、004b)，再通过差分放大电路(360)将两路电流信号差分放大后输出电压信号(005)，该电压信号(005)通过解调电路(370)对输出的电压信号(005)解调成解调信号(006)，该解调信号(006)通过低通滤波电路(380)得到的直流电压信号(007)经过测试导线(340)输出。

2.根据权利要求1所述的表面摩擦剪切应力传感器，其特征在于：上壳体(110)上表面(113)含有确定传感器方向的定位半圆(111)，在装配敏感结构(200)时，敏感结构(200)的敏感轴(201)方向与定位半圆(111)所指的方向垂直。

3.根据权利要求1所述的表面摩擦剪切应力传感器，其特征在于：下层PCB板(320)通过上壳体(110)中的凸台(112)定位，通过周围填充胶(140)固定。

4.根据权利要求1所述的表面摩擦剪切应力传感器，其特征在于：敏感结构(200)采用MEMS技术加工，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的金属引线(270a、270b、270c)，机械结构包括质量块(210)，基座(220a、220b、220c、220d)，活动梳齿(280a、280b、280c、280d)，固定梳齿(240a、240b、240c、240d)，支撑梁(230a、230b、230c、230d)，固定电极(250a、250b、250c、250d)，质量块(210)通过四个角上的支撑梁(230a、230b、230c、230d)分别与基座(220a、220b、220c、220d)相连，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上；活动梳齿(280a、280b、280c、280d)沿敏感轴(201)对称分布在质量块(210)的两侧上，并与固定梳齿(240a、240b、240c、240d)形成四组检测电容，固定梳齿(240a、240b、240c、240d)通过固定电极(250a、250b、250c、250d)固定在玻璃衬底上；当质量块(210)在表面摩擦剪切应力(001)的作用下，敏感结构(200)沿敏感轴(201)方向产生位移信号(002)，从而四组检测电容发生变化，且上下两组检测电容构成差分检测。

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