CN111006809B - 三维mems海洋湍流传感器 - Google Patents

三维mems海洋湍流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维MEMS海洋湍流传感器，涉及传感器领域。该三维MEMS海洋湍流传感器包括传感单元，传感单元包括基底结构，基底结构上设有四个呈十字形排列的微悬臂梁，各个微悬臂梁朝向十字形中心的一端呈卷曲状，基底结构和微悬臂梁上包覆有弹性包覆体；每一微悬臂梁包括自下而上设置的Si薄膜层、SiN薄膜层和Cr薄膜层，微悬臂梁上设有压敏电阻，每一压敏电阻与三个恒定电阻构成惠斯通电桥，微悬臂梁的下端面通过SiO2层连接于基底结构上，基底结构呈长方体形，每一微悬臂梁的一端设置于基底结构的一条外侧边处，另一端伸向基底结构的中心，并向上卷曲。

Description

三维MEMS海洋湍流传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种三维MEMS海洋湍流传感器。
背景技术
在海洋探测领域，现在市面上多是一维的压力传感器和二维的剪刀式应力传感器。
而海洋湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，水体中任意点的运动速度的大小和方向都紊乱变动。现有传感器多数采用单点感测方式，基于“均匀各向同性”的假设，实现对湍流的观测，但是测试的分辨率较低，且缺乏三维矢量性测试的能力。所以只有获得分布式、三维矢量性的高分辨率的湍流演化数据，才能提高对海洋湍流混合观测的能力。
近年来，随着MEMS微机电系统与新材料和装备工艺技术的发展，为三维MEMS湍流传感器的设计制作提供了可能。三维矢量性测试是面向边界层湍流，突破传统传感器对湍流各向异性特现有主流技术方案可以总结为两个方向，其一是压阻湍流传感器，另一方向为以温度为主要参数的湍流传感器。
目前，国际上常用的商业化压阻湍流传感器主要有美国俄勒冈州立大学M.Moum等研制的剪切流传感器；德国ISW Washer公司H.Prandke等研制的PNS系列传感器；加拿大Rockland Scientific International公司T.Osborn等研制的SPM系列传感器。压阻式传感器具有灵敏度高、分辨率高、频率响应高等特点，但是压阻式传感器的温度误差较大，需要在温度补偿或恒温的条件下使用。
以温度为主要参数的热线触感器，为了在某点获得速度矢量，需要结合热线传感器阵列，使得用于湍流测量的多阵列微机械探针组装悬浮式热膜传感器使用较广泛。热线传感器具有足够好的空间和时间分辨率，但是热线探头易受外工作环境影响，使得传感器分辨率下降，测量精度降低。
2016年，中国海洋大学开展了基于MEMS的海洋湍流传感器的设计工作，2019年完成样机的研制，与国际主流仪器Microrider在青岛近海进行了比测试验，试验结果表明二者测量耗散率数量级相同，测量结果一致性良好。相比国际主流仪器Microrider，中国海洋大学研制的基于MEMS的海洋湍流传感器具有二维矢量型、重量轻、体积小、更适合水下移动平台搭载观测。性观测能力的瓶颈，为海洋微压力矢量场细微结构的演化提高观测技术支持。
经过对现有技术的检测，发现用于流体动力学中的主动控制的MEMS传感器大多是一维的压应力传感器或者二维的剪刀应力传感器，这些传感器制作在硅衬底上面，并且采用正面信号引线技术对流场产生较大的干扰。以及由于壁面湍流脉动信号幅度很小、脉动频率范围宽，现有海洋湍流传感器空间分辨率在毫米到厘米量级，且均为单点感测方式，缺乏矢量性探测能力，无法满足壁面湍流观测的需求。对于用温度法来测试湍流的传感器而言，其热线探头容易被污染，导致灵敏度下降，热线响应速度下降，从而导致测量的精度下降，分辨率降低。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种三维MEMS海洋湍流传感器，通过构造三维MEMS矢量传感器，使该传感器具备壁面湍流三维矢量探测能力，基于MEMS感测原理实现海洋湍流信号采集。
本发明具体采用如下技术方案：
三维MEMS海洋湍流传感器，包括传感单元，传感单元包括基底结构，基底结构上设有四个呈十字形排列的微悬臂梁，各个微悬臂梁朝向十字形中心的一端呈卷曲状，基底结构和微悬臂梁上包覆有弹性包覆体；每一微悬臂梁固定端包括自下而上设置的Si薄膜层、SiN薄膜层和Cr薄膜层，微悬臂梁上设有压敏电阻，每一压敏电阻与三个恒定电阻构成惠斯通电桥。
优选地，微悬臂梁的下端面通过SiO2层连接于基底结构上。
优选地，基底结构呈长方体形，每一微悬臂梁的一端设置于基底结构的一条外侧边处，另一端伸向十字形的中心，并向上卷曲。
优选地，弹性包覆体是在基底结构和微悬臂梁上进行弹性体涂层固化形成。
优选地，每一微悬臂梁中的压敏电阻为硼离子注入到Si薄膜层中形成的p+-Si压阻层。
优选地，微悬臂梁卷曲端的卷曲采用牺牲蚀刻和应力衍生制造，并且用电子束蒸发沉积法在Si薄膜层上的Cr薄膜层产生内部应力，使微悬臂梁的一端向上偏转。
优选地，微悬臂梁因受到法向应力或剪切应力而变形，引起微悬臂梁内部压阻电阻值产生变化，通过惠斯通电桥电路输出电压；
当传感器受到来自Z轴负方向压力作用时，四个微悬臂梁均受到向下的压力，向Z轴负方向产生相应的形变，由压敏电阻输出信号，此时四个悬臂梁的输出电压方向一致，大小相近；
当传感器受到X或Y轴的轴剪切力作用时，同一轴线上的微悬臂梁产生不同方向的形变，由压敏电阻产生电阻差并输出信号，此时，X或Y轴的微悬臂梁输出电压方向相反，Y或X轴的微悬臂梁输出电压为0。
本发明具有如下有益效果：
三维MEMS海洋湍流传感器可同时测量应压力和剪切力，对湍流大小以及方向有着十分敏感的感知能力，分辨率较高。
三维MEMS海洋湍流传感器采用MEMS技术，使得传感器体积较现有技术更小，易阵列化，提高了壁面湍流探测能力，有利于减小壁面湍流的测量误差。
基于MEMS的三维海洋湍流传感器，当传感器受到正应压力作用时，四个微悬臂梁均受到向下的压力产生相同方向的形变，可以较准确的进行矢量性测试，并且区别于二维的剪刀应力传感器的二维矢量测试。
三维MEMS海洋湍流传感器采用压阻式传感器，与其他的压电、和电容式传感器不同，压阻传感器在用于测量力以及其他的非电物理量时，具有频带宽，灵敏度高，信噪比高，结构简单，工作可靠和重量轻的特点。
三维MEMS海洋湍流传感器突破传统的一维和二维传感器的设计方法，面向湍流矢量探测需求，突破单点湍流传感器缺乏三维矢量性、高分辨率观测能力的瓶颈，创新性地提出MEMS湍流三维矢量传感器及其微纳加工方法，可以进行较精准的矢量性测试，对海洋小尺度湍流细微结特点的测量有良好的效果。
附图说明
图1为三维MEMS海洋湍流传感器的传感单元结构示意图；
图2为微悬臂梁结构示意图；
图3为传感单元收到Z轴负方向正应力的悬臂变化情况；
图4为传感器单元受到X(Y)轴正方向剪切力的悬臂变化情况。
其中，1为基底结构，2为微悬臂梁，3为弹性包覆体，4为连接层，5为Si薄膜层，6为SiN薄膜层，7为Cr薄膜层。
具体实施方式
结合图1和图2，三维MEMS海洋湍流传感器，传感器最终结构为长宽为1mm，厚度约0.4mm的长方体形状，包括一个传感单元，传感单元包括基底结构1，基底结构1为薄片状硅基材料，厚度为0.2mm，长与宽均为1mm；基底结构1上设有四个呈十字形排列的微悬臂梁2，微悬臂梁2的下端面通过连接层4(例如SiO2层)连接于基底结构上，各个微悬臂梁朝向十字形中心的一端呈卷曲状，基底结构1和微悬臂梁2上包覆有弹性包覆体3；每一微悬臂梁1包括自下而上设置的Si薄膜层5、SiN薄膜层6和Cr薄膜层7，微悬臂梁2上设有压敏电阻，每一压敏电阻与三个恒定电阻构成惠斯通电桥，当传感器受到正应压力作用时，四个微悬臂梁均受到向下的压力产生相同方向的形变，可以较准确的进行矢量性测试，并且区别于二维的剪刀应力传感器的二维矢量测试。
基底结构1呈长方体形，每一微悬臂梁2的一端设置于基底结构的一条外侧边处，另一端伸向十字形的中心，并向上卷曲，微悬臂梁伸2的卷曲采用牺牲蚀刻和应力衍生制造，并且用电子束蒸发沉积法在Si薄膜层上的Cr薄膜层产生内部应力，使微悬臂梁的一端向上偏转，微悬臂结构厚度约为3.5μm～7.5μm。
弹性包覆体3是在基底结构和1微悬臂梁2上进行弹性体涂层固化形成，弹性包覆体3厚度约为0.2mm，长与宽均为1mm。
每一微悬臂梁2中的压敏电阻为硼离子注入到Si薄膜层中形成的p+-Si压阻层，后用低压化学气相沉积(LPCVD)在Si薄膜层上进行SiN层沉积和成型。
微悬臂梁2因受到法向应力或剪切应力而变形，引起微悬臂梁内部压阻电阻值产生变化，通过惠斯通电桥电路输出电压；
当传感器受到来自Z轴负方向压力作用时，四个微悬臂梁均受到向下的压力，向Z轴负方向产生相应的形变如图3所示，由压敏电阻输出信号，此时四个微悬臂梁的输出电压方向一致，大小相近；
当传感器受到X或Y轴的轴剪切力作用时，同一轴线上的微悬臂梁产生不同方向的形变，如图4所示，由压敏电阻产生电阻差并输出信号，此时，X或Y轴的微悬臂梁输出电压方向相反，Y或X轴的悬臂梁输出电压为0。
三维MEMS海洋湍流传感器突破传统的一维和二维传感器的设计方法，面向湍流矢量探测需求，突破单点湍流传感器缺乏三维矢量性、高分辨率观测能力的瓶颈，创新性地提出MEMS湍流三维矢量传感器及其微纳加工方法，可以进行较精准的矢量性测试，对海洋小尺度湍流细微结特点的测量有良好的效果。
基于微悬臂梁MEMS芯片结构和最优工艺参数选择，提出一种适用于传感器的参数化激励方法及其对应结构设计，保证传感器单元结构在参数化激励信号作用下引起的刚度调制与在驱动激励信号作用下引起的弯曲振动产生振动耦合，大幅度提高传感器单元输出灵敏度，解决了仅通过改进结构来提高灵敏度的工艺难题。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.三维MEMS海洋湍流传感器，包括传感单元，其特征在于，传感单元包括基底结构，基底结构上设有四个呈十字形排列的微悬臂梁，各个微悬臂梁朝向十字形中心的一端呈卷曲状，基底结构和微悬臂梁上包覆有弹性包覆体；每一微悬臂梁固定端包括自下而上设置的Si薄膜层、SiN薄膜层和Cr薄膜层，微悬臂梁上设有压敏电阻，每一压敏电阻与三个恒定电阻构成惠斯通电桥；微悬臂梁卷曲端的卷曲采用牺牲蚀刻和应力衍生制造，并且采用电子束蒸发沉积法在Si薄膜层上的Cr薄膜层产生内部应力，使微悬臂梁的一端向上偏转。
2.如权利要求1所述的三维MEMS海洋湍流传感器，其特征在于，微悬臂梁的下端面通过SiO2层连接于基底结构上。
3.如权利要求1所述的三维MEMS海洋湍流传感器，其特征在于，基底结构呈长方体形，每一微悬臂梁的一端设置于基底结构的一条外侧边处，另一端伸向十字形中心，并向上卷曲。
4.如权利要求1所述的三维MEMS海洋湍流传感器，其特征在于，弹性包覆体是在基底结构和微悬臂梁上进行弹性体涂层固化形成。
5.如权利要求1所述的三维MEMS海洋湍流传感器，其特征在于，每一微悬臂梁中的压敏电阻为硼离子注入到Si薄膜层中形成的p+-Si压阻层。
6.如权利要求1所述的三维MEMS海洋湍流传感器，其特征在于，微悬臂梁因受到法向应力或剪切应力而变形，引起微悬臂梁内部压阻电阻值产生变化，通过惠斯通电桥电路输出电压；
当传感器受到来自Z轴负方向压力作用时，四个微悬臂梁均受到向下的压力，向Z轴负方向产生相应的形变，由压敏电阻输出信号，此时四个悬臂梁的输出电压方向一致，大小相近；
当传感器受到X或Y轴的轴剪切力作用时，同一轴线上的微悬臂梁产生不同方向的形变，由压敏电阻产生电阻差并输出信号，此时，X或Y轴的微悬臂梁输出电压方向相反，Y或X轴的微悬臂梁输出电压为0。
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