CN108871656A - 一种新型柔性剪应力与压力传感器结构和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型柔性剪应力与压力传感器结构和制作方法，属于微机电系统(MEMS)领域。首先本发明可分别测量剪应力和压力。采用柔性基底，具有可弯曲扭转、曲面适应性等优点。首先将柔性基底贴附在玻璃片上，在上边先后分别溅射二氧化硅、阻刻层、测线、发热单元等形成发热单元和测量单元分离的具有纳米空腔的传感器。本发明的有益效果是：(1)传感器可以分别测量剪应力和压力，可实现单次安装测量多个物理参数；(2)传感器采用柔性基底，具有可弯曲扭转、曲面适应性好等优点。(3)传感器具有较高的长宽比，灵敏度高、响应速度快。

Description

一种新型柔性剪应力与压力传感器结构和制作方法

所属技术领域：

本发明涉及一种新型柔性剪应力与压力传感器结构和制作方法，属于微机电系统(MEMS)领域。

背景技术：

剪应力和压力是实验空气动力学领域重要的测量参数，但是目前存在的技术几乎都是分别使用不同的仪器进行测量，无法在同一位置同时进行测量。热敏式壁面剪应力微传感器可实现对壁面剪应力的间接测量，其中基于MEMS技术的壁面剪应力微传感器具有灵敏度高、功耗低、时间/空间分辨率高等特性。基于聚酰亚胺柔性基底的壁面剪应力微传感器不仅具有常规基底壁面剪应力微传感器的所有优点，而且传感器的安装测量不会破坏原有的模型结构且几乎不会对原有的流场产生干扰。热敏式压力测量在静压和低频脉动压测量领域也有较好的应用。

目前，剪应力和压力都能测量的传感器多是硅等硬质基底，而柔性基底的传感器却不能实现两个参数单个仪器的测量。

以法国里尔大学的论文《High temperature gradient micro-sensor for wallshear stress and flow direction measurements》为例，论文选用硅基底，在其上溅射刻蚀形成三个平行的测量单元，在中间的测量单元上边形成一个发热单元，最后在单元线下方刻蚀出纳米空腔，形成微桥结构。这种结构可以测量剪应力和压力。

第二种以一项公开号为CN103086320A的国家发明专利“一种柔性壁面热线微传感器的制作方法”为例，论文以聚酰亚胺为基底，在上边溅射形成Ni热线，在导线下刻蚀出空腔，而仅用来测量剪应力。

上述方法中，硬质基底由于不能弯曲的特性，大多数只能在平面上测量，而柔性基底虽然曲面适应性较好，但是由于较小的长宽比大大降低了测量的灵敏度和精度。

发明内容：

本发明的目的是：为了克服现有技术上述缺点，发明了一种新型柔性剪应力与压力传感器，可以实现平面和曲面上剪应力和压力的测量。

本发明的技术方案如下：

一种新型柔性剪应力与压力传感器，传感器结构如图1和图4所示。在柔性基底1上有二氧化硅层2，所述二氧化硅层2中部有一空腔4，空腔4中间上方位置是传感器的“三明治”式敏感单元，该敏感单元从上到下分别为发热单元8、二氧化硅绝缘层7和测量单元6；敏感单元由若干微米尺寸的简支梁5支撑在空腔4上端，简支梁5两端固定在空腔4两边的侧壁上；空腔4底部是由于工艺需求形成的阻刻层3，阻刻层3覆盖整个空腔底部。所述阻刻层3和敏感单元之间为纳米级间隙。

相对论文《自制集成皮拉尼真空传感器系统在半导体加工设备中的应用》中的传感器，本发明有以下优点：一、该传感器可分别测量剪应力和压力。上部的发热单元在流体中热量的损失和流过传感器表面的流体剪应力大小有关，经过标定可以测量流体流过的剪应力大小。同时由于热量损失和压力大小也有关，也可以用来测量静态压力。二、传感器安装不破坏原有表面的流场，可在复杂曲面上安装测量。传感器采用聚酰亚胺柔性基底，总厚度不足100μm，很多剪应力和压力测量都是在飞机、船体、表面冲刷的地面等复杂曲面上进行，柔性基底的传感器可以很好的直接在此类表面贴附安装，测量过程中对原有流场的影响几乎可以忽略不计。

本发明提出的一种新型柔性剪应力与压力传感器工艺方法包括以下步骤：

步骤一：参阅图2(a)，将柔性基底粘连固定于硬质工艺基底上；

步骤二：参阅图2(b)，在柔性基底表面溅射沉积一层二氧化硅；

步骤三：参阅图2(c)，在二氧化硅上溅射并光刻阻刻层；

步骤四：参阅图2(d)，继续溅射二氧化硅，而后在与阻刻层相应的位置利用深反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅层至阻刻层形成空腔；而后在空腔位置溅射刻蚀形成硅牺牲层；

步骤五：参阅图2(e)，溅射沉积二氧化硅，在二氧化硅上气相沉积金属材料，并光刻图形化形成测量单元；

步骤六：参阅图2(f)，再溅射沉积二氧化硅，在此二氧化硅层上气相沉积金属材料，并光刻图形化形成发热单元；

步骤七：参阅图2(g)，刻蚀图形化二氧化硅，形成简支梁结构；

步骤八：参阅图2(h)，刻蚀硅牺牲层，形成腔室，然后从硬质工艺基地上释放柔性基底。

本发明的有益效果为：

1)传感器可以分别测量剪应力和压力，可实现单次安装测量多个物理参数；

2)传感器采用柔性基底，具有可弯曲扭转、曲面适应性好等优点。可以在不破坏表面流场的情况下，实现剪应力和压力的测量。

3)传感器具有较高的长宽比，灵敏度高、响应快。

附图说明：

图1是传感器剖视图；

图2是传感器的工艺流程图；

图3是传感器俯视图及局部剖视图；

图4是图3的局部放大图；

图中,1-柔性基底，2-二氧化硅层，3-阻刻层，4-空腔，5-简支梁，6-测量单元，7-二氧化硅绝缘层，8-测量单元

具体实施方式：

参阅图1、图3、图4，本实施例中的新型柔性剪应力与压力传感器，在PI柔性基底1上有二氧化硅层2，所述二氧化硅层2中部有一空腔4，空腔4宽9μm；所述空腔4中间上方位置是传感器的“三明治”式敏感单元，该敏感单元从上到下分别为发热单元8、二氧化硅绝缘层7和测量单元6；该实施例中发热单元8和测量单元6材料分别为金和镍，敏感单元由100根微米尺寸的简支梁5支撑在空腔4上端，简支梁5的长宽高分别为9μm、1μm、1μm，相邻两个简支梁5之间的间隙为5μm；简支梁5两端固定在空腔4两边的侧壁上；空腔4底部是由于工艺需求形成的阻刻层3，阻刻层3材料为镍铂合金，覆盖整个空腔4底部；所述阻刻层3和敏感单元之间的间隙为200纳米。

参阅图2，本实施例中新型柔性剪应力与压力传感器的工艺方法，包括以下步骤：

1)如图2(a)所示，取一片四英寸玻璃片在上边旋涂PDMS，将PI柔性基底贴附在玻璃片上；

2)如图2(b)所示，在柔性基底表面溅射一层二氧化硅；

3)如图2(c)所示，在二氧化硅上溅射并光刻图形化一层Ni/Pt阻刻层；

4)如图2(d)所示，在上面再溅射200nm二氧化硅，并利用深反应离子刻蚀技术形成深为200nm的空腔，再溅射图形化硅，在空腔位置形成硅牺牲层；

5)如图2(e)所示，溅射沉积1μm二氧化硅，并在其上气相沉积图形化形成300nm厚的Ni/Pt测量单元；

6)如图2(f)所示，在测量单元上方溅射沉积100nm二氧化硅，并在其上气相沉积图形化形成300nm厚的Au发热单元；

7)如图2(g)所示，深反应离子刻蚀二氧化硅，形成简支梁结构；

8)如图2(h)所示，XeF₂等离子刻蚀硅牺牲层形成200纳米深的间隙，从玻璃片上释放基底，获得传感器。

本发明中，上述实施例提供了一种新型柔性剪应力与压力传感器结构和制作方法，本发明不仅仅局限于此实施实例，可以根据实际需要和设计作出相应的修改，例如相邻微桥之间的距离、纳米腔室的高度、发热单元和测量单元的长度和宽度、传感器的总长度、各层的厚度等可调。

Claims (2)

1.一种新型柔性剪应力与压力传感器，其特征在于，在柔性基底1上有二氧化硅层2，所述二氧化硅层2中部有一空腔4，空腔4中间上方位置是传感器的“三明治”式敏感单元，该敏感单元从上到下分别为发热单元8、二氧化硅绝缘层7和测量单元6；敏感单元由若干微米尺寸的简支梁5支撑在空腔4上端，简支梁5两端固定在空腔4两边的侧壁上；空腔4底部是由于工艺需求形成的阻刻层3，阻刻层3覆盖整个空腔底部。所述阻刻层3和敏感单元之间为纳米级间隙。

2.一种如权利要求1所述的新型柔性剪应力与压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将柔性基底粘连固定于硬质工艺基底上；

步骤二：在柔性基底表面溅射沉积一层二氧化硅；

步骤三：在二氧化硅上溅射并光刻阻刻层；

步骤四：继续溅射二氧化硅，而后在与阻刻层相应的位置利用深反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅层至阻刻层形成空腔；而后在空腔位置溅射刻蚀形成硅牺牲层；

步骤五：溅射沉积二氧化硅，在二氧化硅上气相沉积金属材料，并光刻图形化形成测量单元；

步骤六：再溅射沉积二氧化硅，在此二氧化硅层上气相沉积金属材料，并光刻图形化形成发热单元；

步骤七：刻蚀图形化二氧化硅，形成简支梁结构；

步骤八：刻蚀硅牺牲层，形成腔室，然后从硬质工艺基地上释放柔性基底。