[发明专利]体声波壁面剪切应力传感器

权利要求书

1.体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：包括基底(1)、支撑层（2）、检测元件、敏感元件、外壳（8）、上盖板（11）和读出电路，基底(1)上紧贴设置支撑层（2），外壳（8）沿支撑层（2）上方的边缘一周设置，外壳（8）的顶部设置上盖板（11），上盖板（11）中间开设有安放敏感元件顶部的开口，支撑层（2）、外壳（8）和上盖板（11）之间形成一个空腔（12）的结构；支撑层（2）上安装位于空腔（12）内的检测元件，检测元件上安装敏感元件；敏感元件的顶面与上盖板（11）的顶面齐平，且敏感元件的顶部与上盖板（11）的开口之间留有间隙（13）；

所述检测元件包括FBAR、电极引线（3）和焊盘（4），FBAR位于空腔（12）内的底部紧贴设置于支撑层（2）上，焊盘（4）位于空腔（12）外设置于基底(1)的底部，FBAR通过两电极引线（3）穿过支撑层（2）、基底(1)与两焊盘（4）连接；所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆由下到上依次包括底电极（5）、压电层（6）、顶电极（7）；底电极（5）覆盖于支撑层（2）、基底(1)上安装电极引线（3）的一个通孔上，顶电极（7）覆盖于支撑层（2）、基底(1)上安装电极引线（3）的另一个通孔上，底电极（5）、顶电极（7）分别与通孔中的电极引线（3）形成电气连接；底电极（5）呈平面紧贴设置于支撑层（2）上，底电极（5）与顶电极（7）之间紧贴设置压电层（6），压电层（6）呈L型紧贴于底电极（5）的一端面的外侧和上面，即压电层（6）的一部分底面紧贴于支撑层（2）上面，压电层（6）的剩余部分的底面则紧贴于底电极（5）的上面；顶电极（7）也呈L型紧贴于压电层（6）的一端面的外侧和上面，即顶电极（7）的一部分底面覆盖于支撑层（2）的通孔上，顶电极（7）的剩余部分底面则紧贴于压电层（6）的上面；

所述敏感元件包括支撑梁（9）和浮动元件（10），支撑梁（9）的底端设置于FBAR的中心区域上，支撑梁（9）的顶端安装浮动元件（10）；

所述焊盘（4）连接读出电路。

2.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述基底(1)的材料使用Si，或者柔性材料；所述支撑层（2）的材料是聚合物，或者含碳氧化硅，或者非晶碳。

3.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述FBAR为任意多边形。

4.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述焊盘（4）包括底电极焊盘与顶电极焊盘，底电极（5）通过一电极引线（3）与底电极焊盘连接，顶电极（7）通过另一电极引线（3）与顶电极焊盘连接；所述电极引线（3）均为金属Al。

5.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述支撑梁（9）的材料为聚酰亚胺，呈细长圆柱形；浮动元件（10）为金属圆形平板结构。

6.根据权利要求1或5所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述外壳（8）为聚酰亚胺材料，外壳（8）的高度与支撑梁（9）的高度相同；所述上盖板（11）的材料与浮动元件（10）的材料相同，上盖板（11）的厚度与浮动元件（10）的厚度相同。

7.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述外壳（8）、空腔（12）、上盖板（11）均在形成敏感元件的深反应离子刻蚀工艺中同时形成。

8.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述读出电路是基于六端口反射计的读出电路，连接方式是：在六端口反射计的一端口连接信号源，另一端口连接所述传感器的底部的两焊盘（4）。

9.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述读出电路是采用基于Pierce振荡器的读出电路。

10.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于工作原理是：当摩擦阻力作用于浮动元件（10）表面时，浮动元件（10）发生位移，使支撑梁（9）弯曲变形，支撑梁（9）上应力耦合到FBAR中，使FBAR表面应力发生变化，最终导致FBAR谐振频率偏移。