[发明专利]一种微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法

说明书

所属领域：

本发明涉及一种微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法，尤其是一种可对壁面剪应力进行流场非破坏性测量的微型装置及其制作方法，属于传感器技术领域。

背景技术：

近壁流动参数，尤其是壁面剪应力是研究、判断流场形态以及边界层状态等的重要基础参数，也是对飞行器和水下航行器开展外形优化设计以及减阻降噪设计等的重要依据。传统的用于壁面剪应力测量的装置主要有热线仪、皮托管、激光多普勒测速仪(LDV)等。壁面剪应力的测量不仅需要测量装置具有一定的时间分辨率，还需要其具有一定的空间分辨率以便于分布式测量。传统测量装置由于尺寸上的限制，在时间、空间分辨率以及能量消耗等方面存在不足。

微机电系统(MEMS)技术的特点是可以使器件微型化、集成化，基于MEMS技术设计制造的传感器在时间和空间分辨率、能量消耗和批量生产方面的优势使得微型壁面剪应力传感器在流动测量领域有很大的发展、应用空间。利用MEMS加工技术有望加工出整体尺寸很小、可用于近壁分布式精密测量的微传感器。

压阻式传感器由弹性元件和压敏电阻组成，当弹性元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，附着于弹性元件上的压敏电阻将应变转换成阻值的变化。这样，通过测量压敏电阻阻值的变化，可以确定被测量的大小。压阻式传感器是应用最广泛的传感器之一，主要优点有：(1)由于尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性，适用于静态和动态测量；(2)测量应变的灵敏度和精度高，可测量1-2微米的应变，误差小于1％-2％；(3)能适应各种环境，可在高(低)温、超低温、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。虽然新型传感器不断出现，为测试技术开拓了新的领域，但由于压阻式传感器具有独特的优点，仍然是目前非常重要的测量手段之一。

目前，基于MEMS技术的压阻式壁面剪应力传感器主要有浮动结构压阻式壁面剪应力传感器和栅栏压阻式壁面剪应力传感器两类。浮动结构压阻式壁面剪应力传感器又分为轴向和横向两种。

参阅图4，轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器由基底8、浮动块9、压敏电阻10和直梁11组成。压敏电阻10感测直梁11上的轴向，即图4中X方向的拉力和压力。由于直梁11轴向的刚度很大，而且由于装置尺寸的限制，浮动块9的感测面积一般很小，作用于浮动块9上的剪应力合力也很小，所以轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器灵敏度不高。Ngetal Goldberg在“A Liquid Shear-Stress Sensor Using Wafer-Bonding Technology”中提到的轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器只能检测1.0kPa以上的壁面剪应力。

参阅图5，横向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器的结构组成与轴向浮动结构压阻式壁面剪应力传感器相同，不同的是压敏电阻12感测直梁13上的弯曲应力，而且通过增加直梁13的长度可以增加灵敏度。根据测量原理，为了具有较高的测量灵敏度，压敏电阻12必须制作在直梁13的侧面，即图5中垂直于XOY平面的方向，Arnoldus Alvin Barlian在“Microfabricated piezoresistive shear stress sensor for underwater applications”中提到，侧面压敏电阻的制作方法主要有斜角度离子注入技术(oblique-angle ion-implantation technique)和掺杂选择性外延沉积技术(doped selective epitaxial deposition technique)，而这两种技术相对于通常使用的掺杂技术而言，可靠性、可控制性不高，工艺难度大，制作困难。

参阅图6、图7，栅栏压阻式壁面剪应力传感器由栅栏14、压敏电阻15和固定于待测结构16上的基底17组成，栅栏14位于壁面之上。来流作用于栅栏14，在其上游和下游形成压力差，使其产生应变，根据流体力学相关理论可以推导出壁面剪应力和压力差之间的关系，而压力差则通过压敏电阻15对栅栏14产生应变的测量获得，从而完成壁面剪应力的测量。栅栏压阻式壁面剪应力传感器是一种侵入式流体测量器件，用于近壁面流动参数测量时需要考虑由于侵入测量而产生的误差，对流场的干扰是其存在的主要问题。

发明内容：

发明目的：

为克服现有基于MEMS技术的压阻式壁面剪应力传感器存在的灵敏度低、工艺制作困难、对流场产生干扰等不足，本发明提供了一种综合性能良好的微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法。

技术方案：