[发明专利]一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法

说明书

本发明涉及海洋湍流探测领域，具体是一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法，包括SOI基片，SOI基片的顶层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成中心圆盘结构，埋氧层被刻蚀形成“田”字型结构，中心圆盘位于“田”字型结构的十字悬臂梁的交叉处，十字悬臂梁的四个梁臂上都设有硅纳米线，埋氧层上还设有金属引线，金属引线将硅纳米线连接由此形成惠斯通电桥，中心圆盘上集成有硅纤毛，底层硅被刻蚀至埋氧层并被刻蚀成方框状结构，“田”字型结构的四周支撑在方框状结构上。本发明针对海洋湍流探测维度、分辨率、灵敏度不够的技术问题，提出基于巨压阻效应的MEMS二维湍流传感器，利用纤毛‑十字梁结构和硅纳米线敏感单元实现湍流高灵敏度、高分辨、二维探测。

技术领域

本发明涉及海洋湍流探测领域，具体是一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法。

背景技术

随着物理海洋学的迅速发展，人们已经认识到微尺度海洋湍流测试对于人类科学研究的重要性。

当前，国际上常用的湍流传感器主要有以下几种：加拿大Bedford海洋研究所N.Oakey研制的剪切流传感器；美国Oregon州立大学M.Moum研制的剪切流传感器，直径：3.2cm，灵敏度0.37╳10^-4V/Pa；德国ISW Washer公司H.Prandke研制的PNS系列剪切流传感器，PNS03翼型的直径3mm，灵敏度1╳10^-4V/Pa；加拿大Rockland公司T.Osbern研制的SPM传感器，直径0.95cm，灵敏度0.57╳10^-4V/Pa。

目前，湍流传感器的研发成果集中在美国、德国、加拿大等国家，虽然我国也已经开展湍流传感器的相关研究，但在传感器特性认识、制造工艺上还较为缺乏。2010年，天津大学研制出了垂向剖面仪工程样机，并搭载自己研发的剪切流传感器和国外PNS传感器进行了南海实验比对。2013年，中国海洋大学利用自主研制的潜标海洋湍流观测平台并搭载国外进口的PNS系列湍流传感器在中国南海海域(21°09.900’N，117°42.031’E)进行试验，国际上首次获取了长达110天的长期定点湍流观测数据。

综合分析国内外当前湍流传感器的研究现状，普遍存在以下问题：一、当前，市面上常见的国外湍流传感器，如PNS系列和SPM系列，价格均在3万元人民币/只以上，从而造成湍流剖面仪(10万元/个)价格居高不下，这与大面积、广区域海洋观测非常不利。二、湍流在形成和消散过程中并非各向同性，在微尺度上具有一定空间分布特性。当前，所有的湍流传感器均以一维传感为主，在实际应用中往往由两个传感器正交配对组合成二维传感，继而安装误差不可避免，且不易形成单点多维观测。三、当前，国内外海洋湍流传感器空间测量的最高分辨率为3mm[11]，这对研究微尺度湍流空间精细分布、能量耗散机理而言，精度不够。综上，对于研究海洋微尺度湍流亟需可实现单点多维高分辨率观测的高性能、低成本的湍流传感器。

发明内容

本发明针对海洋湍流探测维度、分辨率、灵敏度不够的技术瓶颈问题，提出基于巨压阻效应的一种MEMS二维湍流传感器结构及其制备方法，利用纤毛-十字悬臂梁结构和硅纳米线敏感单元实现湍流高灵敏度高分辨二维探测。本发明揭示纤毛式传感器二维拾振与湍流的影响机制，为研究湍流动能耗散率时空变化规律提供支持；利用与半导体工艺兼容的侧墙掩模法制备硅纳米线，基于其巨压阻效应实现高灵敏检测；开发基于巨压阻效应MEMS二维湍流传感器一体化制备工艺，合理设计结构参数以提高器件性能。本发明能为微尺度湍流的形成、消失机理及运动轨迹研究提供可靠探测手段,对认知湍流动态演化过程、明晰能量交换内在机理有着非常重要意义。