CN102121859B

CN102121859B - 一种微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法

Info

Publication number: CN102121859B
Application number: CN2010105776398A
Authority: CN
Inventors: 姜澄宇; 马炳和; 孙海浪; 苑伟政
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Xi'an Chuang Da Communication Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: CN102121859A

Abstract

本发明公开了一种可对壁面剪应力进行流场非破坏性测量的微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法，属于传感器技术领域。包括感测部分1、弹性变形部分2、基底6以及位于弹性变形部分2上的压敏电阻、导线和焊盘；该装置通过基底6安装固定在待测结构7上，感测部分1的上表面与待测结构7的被测表面平齐。本发明提出的微型压阻式壁面剪应力测量装置可以达到较好的综合性能：(1)高灵敏度；可以大幅度降低弹性变形部分2的弯曲刚度，从而可以使装置具有较高测量灵敏度。(2)制作环节和工艺简单；只需要常规的微加工工艺，降低了制作成本，提高了工艺的可靠性和可控制性。(3)能够对流场进行非侵入式的壁面剪应力测量。

Description

一种微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法

所属领域：

本发明涉及一种微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法，尤其是一种可对壁面剪应力进行流场非破坏性测量的微型装置及其制作方法，属于传感器技术领域。

背景技术：

近壁流动参数，尤其是壁面剪应力是研究、判断流场形态以及边界层状态等的重要基础参数，也是对飞行器和水下航行器开展外形优化设计以及减阻降噪设计等的重要依据。传统的用于壁面剪应力测量的装置主要有热线仪、皮托管、激光多普勒测速仪(LDV)等。壁面剪应力的测量不仅需要测量装置具有一定的时间分辨率，还需要其具有一定的空间分辨率以便于分布式测量。传统测量装置由于尺寸上的限制，在时间、空间分辨率以及能量消耗等方面存在不足。

微机电系统(MEMS)技术的特点是可以使器件微型化、集成化，基于MEMS技术设计制造的传感器在时间和空间分辨率、能量消耗和批量生产方面的优势使得微型壁面剪应力传感器在流动测量领域有很大的发展、应用空间。利用MEMS加工技术有望加工出整体尺寸很小、可用于近壁分布式精密测量的微传感器。

压阻式传感器由弹性元件和压敏电阻组成，当弹性元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，附着于弹性元件上的压敏电阻将应变转换成阻值的变化。这样，通过测量压敏电阻阻值的变化，可以确定被测量的大小。压阻式传感器是应用最广泛的传感器之一，主要优点有：(1)由于尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性，适用于静态和动态测量；(2)测量应变的灵敏度和精度高，可测量1-2微米的应变，误差小于1％-2％；(3)能适应各种环境，可在高(低)温、超低温、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。虽然新型传感器不断出现，为测试技术开拓了新的领域，但由于压阻式传感器具有独特的优点，仍然是目前非常重要的测量手段之一。

目前，基于MEMS技术的压阻式壁面剪应力传感器主要有浮动结构压阻式壁面剪应力传感器和栅栏压阻式壁面剪应力传感器两类。浮动结构压阻式壁面剪应力传感器又分为轴向和横向两种。

参阅图4，轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器由基底8、浮动块9、压敏电阻10和直梁11组成。压敏电阻10感测直梁11上的轴向，即图4中X方向的拉力和压力。由于直梁11轴向的刚度很大，而且由于装置尺寸的限制，浮动块9的感测面积一般很小，作用于浮动块9上的剪应力合力也很小，所以轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器灵敏度不高。NgetalGoldberg在“A Liquid Shear-Stress Sensor Using Wafer-Bonding Technology”中提到的轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器只能检测1.0kPa以上的壁面剪应力。

参阅图5，横向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器的结构组成与轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器相同，不同的是压敏电阻12感测直梁13上的弯曲应力，而且通过增加直梁13的长度可以增加灵敏度。根据测量原理，为了具有较高的测量灵敏度，压敏电阻12必须制作在直梁13的侧面，即图5中垂直于XOY平面的方向，Arnoldus Alvin Barlian在“Microfabricated piezoresistive shear stress sensor for underwater applications”中提到，侧面压敏电阻的制作方法主要有斜角度离子注入技术(oblique-angle ion-implantation technique)和掺杂选择性外延沉积技术(doped selective epitaxial deposition technique)，而这两种技术相对于通常使用的掺杂技术而言，可靠性、可控制性不高，工艺难度大，制作困难。

参阅图6、图7，栅栏压阻式壁面剪应力传感器由栅栏14、压敏电阻15和固定于待测结构16上的基底17组成，栅栏14位于壁面之上。来流作用于栅栏14，在其上游和下游形成压力差，使其产生应变，根据流体力学相关理论可以推导出壁面剪应力和压力差之间的关系，而压力差则通过压敏电阻15对栅栏14产生应变的测量获得，从而完成壁面剪应力的测量。栅栏压阻式壁面剪应力传感器是一种侵入式流体测量器件，用于近壁面流动参数测量时需要考虑由于侵入测量而产生的误差，对流场的干扰是其存在的主要问题。

发明内容：

发明目的：

为克服现有基于MEMS技术的压阻式壁面剪应力传感器存在的灵敏度低、工艺制作困难、对流场产生干扰等不足，本发明提供了一种综合性能良好的微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法。

技术方案：

一种微型压阻式壁面剪应力测量装置，参阅图1、图2，包括壁面剪应力感测部分1、弹性变形部分2、压敏电阻3、导线4和焊盘5和基底6；整个装置通过所述基底6安装固定在待测结构7上，所述的感测部分1、弹性变形部分2和基底6由微加工工艺整体加工得到，壁面剪应力感测部分1的上表面与待测结构7的被测表面平齐，弹性变形部分2位于感测部分1和基底6之间，且弹性变形部分2与待测结构7之间具有间隙以保证弹性变形部分2的弯曲不受其他结构限制，压敏电阻3位于弹性变形部分2上，导线4和焊盘5将压敏电阻3与外部的测量电路连接起来。

为增加灵敏度，压敏电阻3置于弹性变形部分2上靠近基底6的地方。

工作时，流体作用于待测表面的壁面剪应力被壁面剪应力感测部分1感测后，剪应力传递到弹性变形部分2上，引起弹性变形部分2的弯曲变形，压敏电阻3检测弹性变形部分2的弯曲变形，再通过导线4和焊盘5与外部的测量电路连接，输出电信号。

一种微型压阻式壁面剪应力测量装置的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在硅片正面制作压敏电阻3，参阅附图3(a)；

步骤2：在硅片正面制作金属导线4和焊盘5，参阅附图3(b)；

步骤3：在硅片背面进行刻蚀减薄，得到弹性变形部分2，参阅附图3(c)，图中的四个虚线方框为背面刻蚀窗口；

步骤4：正面穿透刻蚀，释放剪应力感测部分1和弹性变形部分2的结构，参阅附图3(d)，图中带剖面线的图形为刻蚀窗口；

步骤5：划片，得到分离的微型压阻式壁面剪应力测量装置，参阅附图3(e)，按图中的实线划片。

有益效果：

本发明提出的微型压阻式壁面剪应力测量装置可以达到较好的综合性能：(1)高灵敏度；由于采取测量结构弯曲变形的原理，在壁面剪应力感测部分1已定的情况下，通过增加弹性变形部分2的高度，或者对其进行刻蚀减薄，可以大幅度降低其弯曲刚度，从而可以使装置具有较高测量灵敏度。(2)制作环节和工艺简单；只需要常规的微加工工艺，降低了制作成本，提高了工艺的可靠性和可控制性。(3)测量装置不需要侵入流场，可以对流场进行非侵入式的壁面剪应力测量。

附图说明：

图1.本发明提出的微型压阻式壁面剪应力测量装置工作原理图

图2.图1的A-A剖视图

图3.本发明提出的微型压阻式壁面剪应力测量装置制作方法工艺步骤示意图

图4.轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器工作原理图

图5.横向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器工作原理图

图6.栅栏压阻式壁面剪应力传感器工作原理图

图7.图6的A-A剖视图

图中：1-壁面剪应力感测部分；2-弹性变形部分；3-压敏电阻；4-导线；5-焊盘；6-基底；7-待测结构；8-基底；9-浮动块；10-压敏电阻；11-直梁；12-压敏电阻；13-直梁；14-栅栏；15-压敏电阻；16-待测结构；17-基底；

具体实施方式：

实施例一：

本实施例中的测量装置由壁面剪应力感测部分1、弹性变形部分2、压敏电阻3、导线4焊盘5、和基底6组成。在弹性变形部分2上制作压敏电阻，通过导线4、焊盘5与外界的测量电路连接，输出电信号。整个测量装置通过基底6粘贴固定在特定的安装装置上，再将安装装置固定在待测位置，以实现测量。安装后，壁面剪应力感测部分1的上表面与壁面平齐。压敏电阻3位于弹性变形部分的底部。本装置采用的材料为硅，通过微加工工艺加工，主要加工步骤如下：

步骤1：在硅片正面制作压敏电阻3，参阅附图3(a)，包括如下子步骤：

子步骤1：通过PECVD技术在硅片表面生长一层550nm的二氧化硅，做离子注入的掩膜；

子步骤2：通过RIE技术在硅片正面刻蚀二氧化硅，形成压敏电阻的形状；

子步骤3：离子注入形成压敏电阻，能量30KeV，剂量3.5×10¹²atoms/cm²；

子步骤4：退火增加压敏电阻结深，修复晶格损伤，900℃，35min；

子步骤5：离子注入形成欧姆接触区，能量70KeV，剂量10¹⁴-10¹⁵atoms/cm²；

子步骤6：退火，1000℃，35min。

步骤2：在硅片正面制作金属导线4和焊盘5，参阅附图3(b)，包括如下子步骤：

子步骤1：通过PECVD技术生长一层500nm的二氧化硅，做刻蚀电接触通孔的掩膜；

子步骤2：通过RIE刻蚀二氧化硅，形成电接触通孔；

子步骤3：磁控溅射铝，溅射厚度500nm；

子步骤4：RIE刻蚀铝，形成导线和焊盘。

步骤4：正面穿透刻蚀，释放剪应力感测部分1和弹性变形部分2部分的结构，参阅附图3(d)，图中带剖面线的图形为刻蚀窗口；

Claims

1.一种微型压阻式壁面剪应力测量装置，包括壁面剪应力感测部分(1)、弹性变形部分(2)、压敏电阻(3)、导线(4)和焊盘(5)和基底(6)；整个装置通过所述基底(6)安装固定在待测结构(7)上，所述的感测部分(1)、弹性变形部分(2)和基底(6)由微加工工艺整体加工得到，其特征在于：壁面剪应力感测部分(1)的上表面与待测结构(7)的被测表面平齐，弹性变形部分(2)位于感测部分(1)和基底(6)之间，且弹性变形部分(2)与待测结构(7)之间具有间隙以保证弹性变形部分(2)的弯曲不受其他结构限制，压敏电阻(3)位于弹性变形部分(2)上，导线(4)和焊盘(5)将压敏电阻(3)与外部的测量电路连接起来，所述的压敏电阻(3)置于弹性变形部分(2)上靠近基底(6)的地方。

2.一种如权利要求1所述的微型压阻式壁面剪应力测量装置的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在硅片正面制作压敏电阻(3)；

步骤2：在硅片正面制作金属导线(4)和焊盘(5)；

步骤3：在硅片背面进行刻蚀减薄，得到弹性变形部分(2)；

步骤4：正面穿透刻蚀，释放剪应力感测部分(1)和弹性变形部分(2)部分的结构；

步骤5：划片，得到分离的微型压阻式壁面剪应力测量装置。