CN108467007B - 一种基于视觉对准的mems摩阻传感器制作方法 - Google Patents

一种基于视觉对准的mems摩阻传感器制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法。MEMS摩阻传感器分解为浮动元件、硅微结构、电极基板、接口电路和封装管壳5个部分，硅微结构和电极基板采用MEMS加工工艺制作，浮动元件采用和装管壳采用精密机械加工技术制作，接口电路采用陶瓷基精密微带电路技术制作。MEMS摩阻传感器采用专门的微组装设备和微组装工艺，微组装设备由精密视觉定位系统、三自由度微操作对准平台、真空吸头和图像辨识系统构成；利用视觉精密定位和微操作对准技术完成MEMS摩阻传感器的组装。本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，提高了MEMS摩阻传感器加工、组装精度，进而提高了其在高超声速风洞内表面摩擦阻力测量的精准度。

Description

一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法
技术领域
本发明属于微机电系统中的微机械传感器领域，具体涉及一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，特别是涉及一种适用于高超声速风洞流场中表面摩擦阻力精确测量的MEMS摩阻传感器制作方法。
背景技术
MEMS摩阻传感器主要用于测试飞行器的表面摩擦阻力，进而确定飞行器表面摩擦阻力的大小和分布情况，对飞行器设计具有重要意义。传统的表面摩擦阻力测试器件主要是微量应变式摩阻天平，但其受灵敏度、温度、体积和成本等因素限制，难以在飞行器设计领域广泛应用。以微机电系统技术为基础的MEMS摩阻传感器具有体积小、成本低、可靠性高等突出优点，能够广泛应用于飞行器设计等领域。
目前，介绍MEMS摩阻传感器的文献较多，主要分为梳齿电容式和压阻式等，但主要应用于低速风洞的表面摩擦阻力测量试验。2001年，Jiang Zhe等人[A MEMS device formeasurement of skin friction with capacitive sensing, MicroelectromechanicalSystems Conference, 24-26 August, 2001[C].]设计了一款悬臂梁支撑的平板差分电容式MEMS摩阻传感器，其量程仅为0.1-2Pa，适用于低速风洞。2011年，Jessica Meloy等人[Experimental verification of a MEMS based skin friction sensor forquantitative wall shear stress measurement, 41st AIAA Fluid DynamicsConference and Exhibit, 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii[C].]设计了一款四梁支撑的梳齿电容式MEMS摩阻传感器，其量程为0.1-5Pa，为了不破坏流场，浮动元件和梳齿电容必须暴露在风洞流场中，因此仅适用于气体纯度较高的低速风洞。许多应用场合要求在高超声速风洞流场中进行表面摩擦阻力测试，目前高超声速速风洞流场中模型表面摩擦阻力的测试还是采用传统的微量摩阻天平。2010年，Joseph A. Schetz等人[Directmeasurement of skin friction in complex flows, 48th AIAA Aerospace SciencesMeeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition 4-7 January2010, Orlando, Florida [C].]研制了一款应变式微量摩阻天平，在Ma=4的高超声速风洞流场中进行模型表面的摩擦阻力测量试验，但这种微量天平灵敏度较低、温度稳定性差、体积较大，不能用来精确测量飞行器表面摩阻的分布情况。此外，高超声速风洞流场中法向载荷较大，对MEMS摩阻传感器的设计和研制提出了更高的要求。
2014年，发明人设计了一款立体结构的MEMS摩阻传感器（一种微机械摩阻传感器及制作方法，专利号201418003582.X, 2017.07.），其浮动元件通过支杆与带有敏感电容元件的弹性梁结构连接，浮动元件感受到的表面摩擦阻力通过支杆传递给弹性梁结构，驱动弹性梁两侧的敏感电容振动极板发生偏转，两侧敏感电容差分即可解算出测量的表面摩擦阻力；样机静态校准和高超声速风洞验证试验的结果表明，该MEMS摩阻传感器灵敏度高、稳定性好，表头结构和封装形式适用于高超声速风洞试验环境[Fabrication, calibrationand proof experiments in hypersonic wind tunnel for a novel MEMS skinfriction sensor, Microsystem Technologies, vol.23, No.8, 2017 [J].]。然而，由于表头结构采用了分解加工、手工组装的制作方法，样机加工、组装的精度较差，导致风洞流场测量的准度无法评估。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法。
本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，其特点是，所述的MEMS摩阻传感器包括表头结构、接口电路和封装管壳，表头结构包括浮动元件、硅微结构和电极基板，是MEMS摩阻传感器的主要构件，用来感应飞行器模型表面的摩擦阻力；
所述的浮动元件由测头、支杆和定位台阶构成，测头与模型表面平齐以感应表面摩擦阻力，支杆将摩擦阻力转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构和电极基板构成的敏感电容元件，定位台阶用于确定浮动元件与硅微结构的相对位置；
所述的硅微结构由弹性梁、振动极板和支撑框体构成；弹性梁是扭转刚度较小、法向刚度相对较大的两端固支梁，在感应摩擦阻力时主要产生扭转变形，支撑框体通过弹性梁支撑振动极板和浮动元件；
所述的电极基板包括引线电极、玻璃凸台和金电极，金电极与硅微结构的振动极板共同构成敏感电容元件；玻璃凸台用来与硅微结构的支撑框体阳极键合，同时构成敏感电容元件的电容间隙；
所述的接口电路由电路基板、焊盘和若干电子元件构成，焊盘用来与电极基板的引线电极引线连接；
所述的封装管壳由封装盖板和封装管座构成，封装管座包含封装定位凸台，封装盖板上表面配置圆孔与浮动元件的测头同轴、平齐，保证测头能够精确感受表面摩擦阻力；
所述的MEMS摩阻传感器制作方法为各部件分别加工，集成组装，具体包含如下步骤：
a.硅微结构的制作
选用<100>晶向、双面抛光的单晶硅圆片作为硅微结构的制作基体，采用光刻胶和光刻技术去除单晶硅圆片表面的SiO2牺牲层，利用单晶硅的深反应离子刻蚀（DRIE）技术得到硅微结构；
b.电极基板的制作
b1.选用厚度500微米、双面抛光的Pyrex玻璃圆片作为电极基板的制作基体，在玻璃基体上腐蚀出10微米的凹槽；
b2.在玻璃圆片表面溅射沉积金牺牲层23，通过光刻和金属沉积技术在凹槽平面内制作与振动极板14形状一致的金电极17和引线电极15；
c.“硅-玻璃”微结构的阳极键合、划片
通过阳极键合技术实现硅微结构和电极基板刚性连接，利用紫外激光划片技术将“硅-玻璃”微结构分离开；
d.封装盖板、封装管座和浮动元件的制作
选用硬铝材料作为制作材料，采用精密仪表车床加工浮动元件；采用精密机械加工工艺加工封装盖板和封装管座；
e.接口电路的制作
选用陶瓷作为制作材料，采用精密微带电路技术制作接口电路的陶瓷基板；采用精密表贴技术焊接电子元件，完成接口电路的制作；
f.MEMS摩阻传感器的组装
f1.采用凸台定位实现浮动元件与硅微结构的对准，通过环氧树脂粘贴固定，构成MEMS摩阻传感器的表头结构；
f2.将接口电路固定在三自由度微操作对准平台上，真空吸头夹持表头结构，利用视觉精密定位和微操作对准技术将表头结构与接口电路对准，采用环氧树脂将表头结构固定在接口电路上；
f3.将封装管座固定在三自由度微操作对准平台上，将封装盖板安装在封装管座上，采用视觉精密定位系统给封装盖板拍照，辨识出与测头同轴的封装盖板表面圆孔的位置；
f4.取下封装盖板，真空吸头夹持接口电路和表头结构，利用视觉精密定位系统和微操作对准平台实现表头结构的测头与封装盖板表面的圆孔对准；
f5.利用点焊技术实现表头结构的引线电极与接口电路焊盘之间的引线；
f6.利用封装管座上的封装定位凸台安装并固定封装盖板，完成MEMS摩阻传感器的组装。
本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法将MEMS摩阻传感器分解为浮动元件、硅微结构、电极基板、接口电路和封装管壳分别加工，然后组装；其中，硅微结构采用单晶硅材料的深反应离子刻蚀技术加工，电极基板采用Pyrex玻璃湿法腐蚀和金属沉积技术制作，接口电路采用陶瓷基精密微带电路技术制作，浮动元件采用硬铝材料精密仪表车床加工，封装管壳采用硬铝材料精密机械加工。
本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法采用专门的微组装设备和微组装工艺；其中，微组装设备由视觉精密定位系统、三自由度微操作对准平台、真空吸头和图像辨识系统构成；硅微结构通过阳极键合技术与电极基板刚性连接，浮动元件采用凸台定位、环氧树脂粘贴的方法与硅微结构的振动极板刚性连接，构成MEMS摩阻传感器的表头结构；表头结构采用视觉精密定位和微操作对准的微组装工艺，通过环氧树脂固定在接口电路表面；表头结构和接口电路采用视觉精密定位和微操作对准的微组装工艺，通过环氧树脂固定在封装管座内，实现MEMS摩阻传感器的组装。
本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法能够有效提高表头结构加工和MEMS摩阻传感器组装精度，进而提高其在高超声速风洞流场中测量飞行器模型表面摩擦阻力的精准度。
附图说明
图1为本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法中的MEMS摩阻传感器整体结构示意图；
图2为MEMS摩阻传感器整体结构爆炸视图；
图3为MEMS摩阻传感器的浮动元件结构示意图；
图4是MEMS摩阻传感器的硅微结构示意图；
图5是MEMS摩阻传感器的电极基板结构示意图；
图6是MEMS摩阻传感器的“硅-玻璃”键合结构示意图；
图7是MEMS摩阻传感器的表头结构示意图；
图8是MEMS摩阻传感器的工作原理示意图；
图中：1．封装盖板，2．浮动元件，3．硅微结构，4．电极基板，5．接口电路，6．封装管座，7．接口电路焊盘，8．封装定位凸台，9．测头，10．支杆，11．定位台阶，12．支撑框体，13．弹性梁，14．振动极板，15．引线电极，16．玻璃凸台，17．金电极，18．敏感电容元件，23．金牺牲层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
本实施例的MEMS摩阻传感器结构如图1、图2所示，分解为封装盖板1、浮动元件2、硅微结构3、电极基板4、接口电路5和封装管座6，分别加工、然后组装，封装管座6包含封装定位凸台8。其中，浮动元件2包含测头9、支杆10和定位台阶11，如图3所示；硅微结构3包含支撑框体12、扭转梁13和振动极板14，如图4所示；电极基板4包含引线电极15、玻璃凸台16和金电极17，如图5所示；硅微结构3的振动极板14和电极基板4的金电极17构成差动的敏感电容元件18，实现差分电容检测，如图6所示；浮动元件2、硅微结构3和电极基板4共同构成MEMS摩阻传感器的表头结构，如图7所示。
MEMS摩阻传感器的工作原理：测头9感测与其面积A成正比且垂直于x轴方向的摩擦阻力f s ，支杆10将摩擦阻力f s 转化为摩阻力矩T s ，摩阻力矩T s 使两端固支的弹性梁13产生扭转变形，与弹性梁13刚性连接的振动极板14产生绕y轴的扭转角θ，弹性梁13两侧的敏感电容C 1和C 2产生一定的变化，如图8所示。通过差分计算弹性梁13两侧敏感电容的变化量ΔC，进而计算测头9感测的摩擦阻力f s 。
测头9感测的摩擦阻力f s ：
（1）
其中，A为测头9的面积；C f 为测头9单位面积感测的摩擦阻力。
传递到弹性梁13的摩阻力矩T s ：
（2）
其中，h 2为测头9上表面与扭转轴中心线之间的距离。
弹性梁13的扭转弹性系数K：
（3）
其中，G为单晶硅的剪切弹性模量；I p 为弹性梁13的横截面极惯性矩，；l 1为弹性梁13的长度。
振动极板14在摩阻力矩T s 作用下产生一定的扭转角θ：
（4）
振动极板14产生扭转角θ后的差分检测电容ΔC：
（5）
其中，h 0为敏感电容元件18的极板间隙，w 1、w 2和w 3为振动极板14相关的结构参数。
（4）式表明，角位移θ与摩擦阻力f s 成正比；（5）式表明，差分检测电容ΔC与振动极板14的转角θ相关，并且当θ较小时具有较好的线性度。本设计弹性梁13的典型尺寸为2000微米×130微米×500微米，电容极板14的面积为2050微米×4000微米，敏感电容元件的初始间隙h 0为10微米。MEMS摩阻传感器的量程为0-100Pa，分辨率为0.5Pa，对应差分检测电容的分辨率约为10fF（目前，微弱电容稳定条件下的检测分辨率为5fF）。当待测单位面积的摩擦阻力为100Pa时，ANSYS模拟结果表明振动极板14的最大法向位移约为2.3微米；当同时施加法向载荷2000Pa时，ANSYS模拟结果表明振动极板14的整体法向移动约0.2微米，远小于电容极板的初始电容间隙h 0和摩擦阻力导致的振动极板法向位移，对差分检测电容的影响很小。
为了不改变待测模型表面气流的流动特性，测头9上表面必须与待测模型的表面平齐。具体方案是通过封装管壳实现的，封装盖板1的上表面与待测模型的表面平齐，同时与测头9的上表面平齐。测头9上表面感测沿x轴方向的摩擦阻力，通过支杆10传递到弹性梁13，并使测头9产生绕y轴的扭转（图8），测头9与封装盖板1之间必须保持一定的运动间隙（图1）。ANSYS仿真结果显示，测头9沿x轴的最大运动位移约10微米；CFD模拟结果表明，测头9与封装盖板1之间的间隙不大于150微米时，不改变待测模型表面的流动特性。因此，测头9与封装盖板1之间的间隙设计为100微米，通过视觉对准技术实现。
本发明的关键工艺为：a.硅微结构3的制作；b.电极基板4的制作；c.“硅-玻璃”微结构的阳极键合、划片；d.浮动元件2、封装盖板1和封装管座的制作；e.接口电路的制作；f.MEMS摩阻传感器的组装。
本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作步骤如下：
a.硅微结构3的制作
选用厚度500微米、<100>晶向、双面抛光的单晶硅圆片作为硅微结构3的制作基体，采用光刻胶和光刻技术去除单晶硅圆片表面的SiO2牺牲层，利用单晶硅的深反应离子刻蚀（DRIE）技术得到硅微结构3；
b.电极基板4的制作
b1.选用厚度500微米、双面抛光的Pyrex玻璃圆片作为电极基板4的制作基体，在玻璃基体表面腐蚀出10微米的凹槽，为敏感电容元件18的振动极板14提供运动间隙；
b2.在玻璃圆片表面溅射沉积金牺牲层23，采用光刻胶和光刻技术去除金牺牲层23，在玻璃基体腐蚀的凹槽平面内制作与振动极板14形状一致的金电极17和引线电极15；
c.“硅-玻璃”微结构的阳极键合、划片
通过阳极键合技术实现硅微结构3和电极基板4刚性连接，利用紫外激光划片技术将“硅-玻璃”微结构分离开；
d.封装盖板1、封装管座6和浮动元件2的制作
选用硬铝材料作为制作材料，通过精密仪表车床加工得到浮动元件2；采用精密机械加工工艺加工封装盖板1和封装管座6；
e.接口电路5的制作
选用陶瓷作为制作材料，采用精密微带电路技术加工接口电路5的陶瓷基板；采用精密表贴技术焊接电子元件，完成接口电路5的制作；
f.MEMS摩阻传感器的组装
f1.采用凸台11定位实现浮动元件2与硅微结构3的对准，通过环氧树脂粘贴固定，构成MEMS摩阻传感器的表头结构；
f2.将接口电路5固定在三自由度微操作对准平台上，真空吸头夹持表头结构，利用视觉精密定位和微操作对准技术将表头结构与接口电路5对准，采用环氧树脂将表头结构固定在接口电路5上；
f3.将封装管座6固定在三自由度微操作对准平台上，将封装盖板1安装在封装管座6上，采用视觉精密定位系统给封装盖板1拍照，辨识出与测头9同轴的封装盖板1表面圆孔的位置；
f4.取下封装盖板1，真空吸头夹持接口电路5和表头结构，利用视觉精密定位系统和微操作对准平台实现表头结构的测头9与封装盖板1表面的圆孔对准；
f5.利用点焊技术实现表头结构的引线电极15与接口电路焊盘7之间的引线；
f6.利用封装管座6上的封装定位凸台8安装并固定封装盖板1，完成MEMS摩阻传感器的组装。
本发明在MEMS摩阻传感器加工、组装的工艺方法上进行了创新，提高了MEMS摩阻传感器加工、组装精度，进而提高其在高超声速风洞流场中测量飞行器模型表面摩擦阻力的精准度。
上述实施例仅表达了本发明的典型实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，其特征在于：所述的MEMS摩阻传感器包括表头结构、接口电路（5）和封装管壳，表头结构包括浮动元件（2）、硅微结构（3）和电极基板（4），是MEMS摩阻传感器的主要构件，用来感应飞行器模型表面的摩擦阻力；
所述的浮动元件（2）由测头（9）、支杆（10）和定位台阶（11）构成，测头（9）与模型表面平齐以感应表面摩擦阻力，支杆（10）将摩擦阻力转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构（3）和电极基板（4）构成的敏感电容元件（18），定位台阶（11）用于确定浮动元件（2）与硅微结构（3）的相对位置；
所述的硅微结构（3）由弹性梁（13）、振动极板（14）和支撑框体（12）构成；弹性梁（13）是扭转刚度较小、法向刚度相对较大的两端固支梁，在感应摩擦阻力时主要产生扭转变形，支撑框体（12）通过弹性梁（13）支撑振动极板（14）和浮动元件（2）；
所述的电极基板（4）包括引线电极（15）、玻璃凸台（16）和金电极（17），金电极（17）与硅微结构（3）的振动极板（14）共同构成敏感电容元件（18）；玻璃凸台（16）用来与硅微结构（3）的支撑框体（12）阳极键合，同时构成敏感电容元件（18）的电容间隙；
所述的接口电路（5）由电路基板、焊盘（7）和若干电子元件构成，焊盘（7）用来与电极基板（4）的引线电极（15）引线连接；
所述的封装管壳由封装盖板（1）和封装管座（6）构成，封装管座（6）包含封装定位凸台（8），封装盖板（1）上表面配置圆孔与浮动元件（2）的测头（9）同轴、平齐，保证测头（9）能够精确感受表面摩擦阻力；
所述的MEMS摩阻传感器制作方法为各部件分别加工，集成组装，具体包含如下步骤：
a.硅微结构（3）的制作
选用<100>晶向、双面抛光的单晶硅圆片作为硅微结构（3）的制作基体，采用光刻胶和光刻技术去除单晶硅圆片表面的SiO2牺牲层，利用单晶硅的深反应离子刻蚀（DRIE）技术得到硅微结构（3）；
b.电极基板（4）的制作
b1.选用厚度500微米、双面抛光的Pyrex玻璃圆片作为电极基板（4）的制作基体，在玻璃基体上腐蚀出10微米的凹槽；
b2.在玻璃圆片表面溅射沉积金牺牲层（23），通过光刻和金属沉积技术在凹槽平面内制作与振动极板（14）形状一致的金电极（17）和引线电极（15）；
c.“硅-玻璃”微结构的阳极键合、划片
通过阳极键合技术实现硅微结构（3）和电极基板（4）刚性连接，利用紫外激光划片技术将“硅-玻璃”微结构分离开；
d.封装盖板（1）、封装管座（6）和浮动元件（2）的制作
选用硬铝材料作为制作材料，采用精密仪表车床加工浮动元件（2）；采用精密机械加工工艺加工封装盖板（1）和封装管座（6）；
e.接口电路（5）的制作
选用陶瓷作为制作材料，采用精密微带电路技术制作接口电路（5）的陶瓷基板；采用精密表贴技术焊接电子元件，完成接口电路（5）的制作；
f.MEMS摩阻传感器的组装
f1.采用定位台阶（11）定位实现浮动元件（2）与硅微结构（3）的对准，通过环氧树脂粘贴固定，构成MEMS摩阻传感器的表头结构；
f2.将接口电路（5）固定在三自由度微操作对准平台上，真空吸头夹持表头结构，利用视觉精密定位和微操作对准技术将表头结构与接口电路（5）对准，采用环氧树脂将表头结构固定在接口电路（5）上；
f3.将封装管座（6）固定在三自由度微操作对准平台上，将封装盖板（1）安装在封装管座（6）上，采用视觉精密定位系统给封装盖板（1）拍照，辨识出与测头（9）同轴的封装盖板（1）表面圆孔的位置；
f4.取下封装盖板（1），真空吸头夹持接口电路（5）和表头结构，利用视觉精密定位系统和微操作对准平台实现表头结构的测头（9）与封装盖板（1）表面的圆孔对准；
f5.利用点焊技术实现表头结构的引线电极（15）与接口电路焊盘（7）之间的引线；
f6.利用封装管座（6）上的封装定位凸台（8）安装并固定封装盖板（1），完成MEMS摩阻传感器的组装。
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