[发明专利]体声波壁面剪切应力传感器

说明书

本发明公开了体声波壁面剪切应力传感器，包括基底、支撑层、检测元件、敏感元件、外壳、上盖板和读出电路，基底位于支撑层下方，支撑层、外壳和上盖板之间形成一空腔结构；支撑层上安装位于空腔内的检测元件，检测元件上安装敏感原件；敏感元件的顶面与上盖板的顶面齐平，且敏感元件的顶部与上盖板的开口之间留有间隙；读出电路通过基底底部的焊盘与检测元件连接；本发明可以将表面摩阻转化为FBAR的应力载荷，进而改变FBAR的谐振频率，通过读出电路实现体声波壁面剪切应力传感器检测信号的读出或测量；具有体积小、灵敏度高、集成度高以及与被测物共形等特点；可望满足航空航天、武器工程、汽车等领域对摩阻传感器的应用需求。

技术领域

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种体声波壁面剪切应力传感器。

背景技术

高超声速飞行器对国家的国际战略格局、军事力量增加、科学技术进步、社会经济发展以及综合国力提升等具有重大影响，其相关技术研究正日益成为世界各国航天航空领域研究的热点。但是，现代高超声速飞行器的发展依然存在许多待解决的关键技术，其中一个关键技术就是飞行器表面摩擦阻力的精确测量。飞行器高速飞行时摩擦阻力最大可占飞行器总阻力的50%，直接影响到飞行器的有效航程，严重制约了飞行器的性能。为了提高飞行器性能需要进行超高速飞行器表面摩擦阻力的测量。

现有测量飞行器表面摩擦阻力的方法有很多，其中速度剖面法、摩阻天平法、干涉油膜法和基于MEMS技术的测量方法受到比较高的重视。基于MEMS技术的摩阻传感器具有很多的优点：由于可探测到的最小压力较小，因此灵敏度高；由于使用单片集成而不是组装的制造工艺，对于同一个晶圆上生产的裸芯片可以忽略对准误差；由于MEMS器件的尺度效应，压力梯度引起的测量误差可以忽略，并且对横向振动和加速度的敏感性较低等。

传统的摩阻传感器尺寸通常是毫米级别，分别制造传感器的各个组件，最后采用组装的方式组合在一起。例如，吕治国等人的“激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究”报道的一种分体式压电摩阻天平，虽然采用分体设计具有可更换测量块以适应不同测量环境条件的优点，但是如何保证测量块的精准无偏差安装或更换是一个问题，也就是对准误差无法控制。由于其尺寸为毫米级别，压力梯度引起的测量误差不可忽略，而且对横向振动和加速度的敏感性使得测量结果不准确，但是基于MEMS技术的摩阻传感器则能有效地克服传统摩阻传感器的这些缺点。现有基于MEMS技术的摩阻传感器测量原理主要有电学和光学摩阻传感器等，其中光学摩阻传感器精度高，但是光学检测设备难于集成；基于电学测量原理的摩阻传感器易于集成，但是精度较低。Kazama R等的“Airflow shear stress sensorusing side-wall doped piezoresistive plate”和Mills D等的“Characterization ofan Optical Moiré Wall Shear Stress Sensor for Harsh Environments”分别报道了一种压阻平板剪切应力传感器和恶劣环境中的光学莫尔条纹上盖板剪切应力传感器，其中前者是基于电学测量原理的摩阻传感器，精度为0.67Pa远低于后者基于光学测量原理的摩阻传感器（精度为0.53mPa）。但是基于光学测量原理的摩阻传感器集成度底，特别是光学检测设备难于集成使得传感器整体结构体积大限制应用。

发明内容

本发明为克服上述技术缺陷，提供了一种测量表面摩擦阻力的体声波壁面剪切应力传感器，该种摩阻传感器的结构体积小，具有高灵敏度、低功耗、高可靠性、集成度高、制造性好的特点，采用底声学阻抗层作为FBAR（薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonators）的支撑层相对于空腔型FBAR还能增加FBAR结构的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：