[发明专利]热敏表面剪切应力传感器

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，特别是一种热敏表面剪切应力传感器。

背景技术

表面剪切应力的测量在基础科学研究、工业控制以及生物医学应用中具有非常重要的意义。例如，在高超音速条件下，准确地获得飞行器表面摩擦应力的大小以及边界层转捩的信息，将为正确的热防护设计提供可靠的依据。

传统的宏观尺度的测量技术无法满足获得精确的表面剪应力数据的要求。MEMS技术所具有的小型化的优点使得基于MEMS技术的剪应力传感器具有显著的优点。基于MEMS技术的表面剪切应力传感器主要可以分为两类，一种是直接测量技术，例如浮动单元型器件；另一种是间接测量技术，例如热敏型传感器。相对于传统的热敏型剪切应力传感器，基于MEMS技术的热敏型剪切应力传感器提高了敏感元件与衬底之间的热绝缘，同时由于MEMS技术所有具有的微小尺度的特点，使得基于MEMS技术的热敏型剪切应力具有以下优点：提高了时间和空间分辨率、较高灵敏度、较低功耗，而且降低了敏感元件与衬底之间的不稳定热传导所带来的复杂性。

已有报道的利用MEMS技术制作的结构如图1、图2所示(Liu C，Tai YC，HuangJ，Ho CM.Surface micromachined thermal shear-stress sensor.In：Proceedings，The ASMESymposium on Application of Microfabrication to Fluid Mechanics，ASME Winter AnnualMeeting，Chicago，1994.p.9-15.)，图1为目前利用微加工技术制作的热敏表面剪切应力传感器的结构示意图。图2为该结构的剖面示意图。其中，10是加热及热敏电阻丝，20是流体的流动方向，该方向垂直于电阻丝10，30是支撑薄膜，40是硅衬底，50是隔热腔体，降低电阻丝10与硅衬底40之间的热交换。传感器工作时，对电阻丝10加热，使电阻丝的温度高于流体的温度。当流体运动经过电阻丝表面时，电阻丝10的温度随着在流体环境中对流传热的变化而变化，同时，电阻丝10的温度变化也会导致所述电阻丝电阻的变化，通过监控所述电阻丝10的电阻变化与温度的关系可以获得流体在传感器表面产生的表面剪切应力的大小。

这种结构的最大问题是需要将加热及热敏电阻丝10定向放置，使其垂直于流体的运动方向。因而，这种结构只能测量表面剪切引力的大小，无法同时获得表面剪切应力 的方向的信息。当应用于方向未知的流体、或者方向会发生改变的流体，所述传感器结构具有很大局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热敏表面剪切应力传感器，该传感器能够确定流体运动的方向，同时测量流体运动在固体表面所产生的表面剪切应力的大小。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种热敏表面剪切应力传感器，包括加热/热敏线圈、支撑薄膜、隔热沟、支撑梁、热敏电极、电绝缘薄膜、硅衬底和引线电极，通过淀积在所述的硅衬底表面形成支撑薄膜和电绝缘薄膜，该支撑薄膜下面的衬底被刻蚀掉，并对加热/热敏线圈起支撑作用；该支撑薄膜和电绝缘薄膜通过支撑梁连接，并在电绝缘薄膜上制备出相互独立的热敏电极，该热敏电极均匀分布在所述加热/热敏线圈的外边缘，在该加热/热敏线圈与热敏电极之间为隔热沟，同时该加热/热敏线圈与热敏电极分别通过引线电极与外部电路相连；支撑薄膜和加热/热敏线圈均为圆形。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)能够确定平面内流体的方向，同时对流体在固体表面所产生的表面剪切应力的大小进行测量。(2)使用成熟可行的MEMS工艺制造，实现了器件的小型化，提高了传感器的时间以及空间的分辨率。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的结构示意图。

图2是本发明目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的剖面结构示意图。

图3是本发明提供的热敏表面剪切应力传感器的结构示意图。

图4是本发明图3所示的热敏表面剪切应力传感器的剖面结构示意图。

图5是本发明提供的热敏表面剪切应力传感器的另一种实施结构示意图。

具体实施方式