[发明专利]基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种流体动力学中领域的流体应力传感器，具体是一种基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列。

背景技术

当前对流场内的绕流物体进行主动流控制是流体力学的研究热点之一，特别是在航行体动力学研究领域。当航行体航行时，物面边界层由层流发展为湍流，湍流边界层内随机的速度扰动将会对航行器产生阻力和动力噪声。对绕流运动物体表面的湍流边界层流场实现主动控制，可以提高航行器的动力学性能，同时降低噪声辐射，对整个航行器系统的性能有着极大的提高，因此流体控制成为当今流体力学的研究热点。通过微型流体应力传感器可以实时检测湍流边界层壁面应力的分布来了解湍流边界层的流体动力学特性，将输出信号反馈到微执行器来实现对流场的主动控制。传感器必须满足相应的时间和空间尺度要求，同时需要安放在绕流物体的曲体表面上，因此基于柔性MEMS加工技术的微型流体应力传感器及其阵列的研究受到了高度关注。

经过对现有技术的检测，发现用于流体动力学中主动流控制的MEMS传感器大多是一维的压应力传感器或二维的剪切应力传感器，如德国柏林工业大学A.Berns等人制作的应用于空气动力学的压阻式压力传感器，以及美国加州理工大学的Yong Xu等人制作的柔性皮肤剪切应力传感(《Flexible MEMS Skin Technology for Distributed Fluidic Sensing》)。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，因而探索一种基于柔性MEMS技术可以实现背线引接技术的三维流体应力传感器阵列具有重要的理论与现实意义。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供了一种基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器及其阵列，具有较高的分辨率、体积小、低成本批量加工的优点，解决了柔性衬底和信号背线引接问题，并且可以满足流体动力学中三维流体应力的测量要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器，包括：电容式压应力传感器和热剪切应力传感器，这两部分通过MEMS一体化加工技术集成在一起，三维流体应力传感器表面有一层保护膜；其中：

所述电容式压应力传感器包括位于上电极层的上极板、压应力敏感膜和下电极层的下极板组成，支撑结构层形成了压应力传感器的空腔结构，电容信号通过下极板的检测电极对引到检测电路，上极板无需信号引出；

所述热剪切应力传感器由四组双热线电阻组成，热线电阻在上电极层位于三维流体应力传感器表面保护膜的下面，四组双热线位于所述电容式压应力传感器的上极板四周，呈正方形排列，相邻两组构成一组正交关系，热线电阻信号通过引线柱从柔性衬底引入检测电路，可以实现二维剪切应力的矢量测量。

所述的三维流体应力传感器表面保护膜为一层很薄的聚酰亚胺或聚对二甲苯聚合物材料，该保护膜通过高速旋涂，低温固化后进行高温亚胺化处理，具有很好的柔韧性，不会对流场和热线之间的热交换产生较大影响，同时起到保护流体应力传感器芯片的作用。

所述的电容式压应力传感器的压应力敏感膜为PDMS膜、Mylar薄膜等对压应力敏感的材料，在压应力作用下膜片发生形变导致电容间隙发生变化，通过检测电极对测量电容信号变化计算出压应力的大小。压应力敏感膜对压应力信号敏感，同时具有很好的机械韧性。

所述的热剪切应力传感器采用四组接近式双热线结构成正方形排列，实现平面内二维剪切应力的矢量测量，热线电阻材料为Pt或Ni，热线电阻的信号通过Ni或Cu引线柱从柔性衬底引到检测电路。

所述的支撑结构层材料为PDMS、SU8胶或三氧化二铝绝缘材料，通过模具或LIGA加工技术制作。

本发明所述的基于柔性MEMS技术的三维流体应力传感器的衬底为柔性印刷电路板等柔性结构。

本发明所述的流体应力传感器芯片采用MEMS工艺多层掩膜键合工艺加工制作设计的工艺流程可以实现信号背线引接，消除引线对被测流场的干扰。

本发明还涉及一种由上述三维流体应力传感器构成的阵列，所述阵列为NXM(N、M为自然数)矩形阵列，每个测量单元包含一个电容式压应力传感器和四组双热线组成的热剪切应力传感器，每个测量单元的信号分别引入检测电路，通过检测电路实现阵列式扫描检测。

所述阵列中，热剪切应力传感器采用双热线结构，热线电阻材料为Ni或Pt等金属材料，热线电阻信号通过Ni或Cu引线柱从柔性衬底连接到检测电路。