[发明专利]一种可用于高温环境下壁面剪应力测量的底层隔板微传感器及其制造方法

说明书

一、所属领域：

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种可用于高温下壁面剪应力测量的底层隔板微传感器及其制造方法。

二、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参数，也是对飞行器以及水下航行器开展外形优化设计以及减阻降噪设计的重要参考依据。随着国防工业的持续发展，对爆震发动机、火箭冲压发动机等的进气道、燃烧室在冷流高温恶劣工作环境下的流场研究提出了越来越高的要求。现今，此类环境的壁面剪应力研究仍然依赖于数值仿真分析，相应的壁面剪应力传感器还未出现。

采用MEMS技术加工的壁面剪应力传感器具有微型化、集成化优点，且在剪应力的动态、精密测量方面有独特优势，常规的流体壁面剪应力传感器由于工作原理及加工工艺所限，往往只适用于一般条件下的风洞试验研究，无法工作于高温环境。例如：文献《Piezoresistive shear stress sensor for turbulent boundary layer measurement》中提出了一种在弹性梁侧壁植入压敏电阻的微剪应力传感器，虽然该传感器在低速湍流剪应力测量有较好的表现，但由于其敏感电阻采用PN结隔离原理制备，故在非常温状态下，传感器的性能将大打折扣甚至因高温自身遭到损坏。文献《Wall shear stress sensor based on the optical resonances of dielectric microspheres》中制作了一种基于微米尺度光学球形回音壁模式谐振器的剪应力传感器，其工作原理是：支撑梁后端的致动膜片会挤压微球发生变形，导致球形谐振器的回音壁模式频率发生偏移，通过检测频率的偏移量计算所施加的剪应力的大小。若该传感器处于进气道、燃烧室冷流高温环境，致动膜片与微球的力传导性能将受到严重影响，铜金属膜片在高温环境下的局部过热也可能使得传感器内部结构遭到破坏。

三、发明内容：

发明目的：

为克服类似于发动机进气道、燃烧室等的冷流高温环境下的壁面剪应力测量难题，本发明提出了一种可用于高温环境下壁面剪应力测量的底层隔板微传感器及其制造方法。

技术方案：

本发明提出的底层隔板微传感器的制备材料为器件层厚度小于1微米的SOI硅片，微传感器的敏感电阻制备在绝缘层上，保持相互独立且仅通过耐高温金属薄膜连接，能够有效降低由于高温引起的敏感电阻及金属引线失效问题，实现类似于发动机进气道、燃烧室等的冷流高温环境下的壁面剪应力测量。

参阅附图1，一种可用于高温环境下壁面剪应力测量的底层隔板微传感器，包括凸出隔板2、悬臂梁3、梁根部4、U型环凹槽5、力敏电阻6、基体7、导线8和焊盘9；所述凸出隔板2通过多个悬臂梁3及其梁根部4支撑于基体7上；凸出隔板2与来流方向垂直，且凸出隔板2部分凸出于待测流场壁面；基体7、凸出隔板2、悬臂梁3、梁根部4的材料均为SOI硅片基底层硅；且基体7的硅材料表面沉积有二氧化硅层和氮化硅层；

所述力敏电阻6通过绝缘材料置于悬臂梁3最下端的梁根部4表面；

布有力敏电阻6的梁根部4表面依次沉积有二氧化硅层和氮化硅层；

力敏电阻6两端的电信号通过穿透二氧化硅层和氮化硅层的导线8引出至基体7表面的氮化硅层上。

为了减少微传感器在使用前的破坏，该微传感器还有一个U型环1置于基体7上方，且在凸出隔板2和悬臂梁3外围形成保护环；U型环1与基体7之间形成U型环凹槽5；所述U型环1前端面与凸出隔板2前端面在同一平面。

为了增大灵敏度，悬臂梁3截面为上宽下窄的梯形。

工作时，将该传感器垂直安装在待测壁面，去除U型环1使凸出隔板2部分凸出于待测表面，参阅附图2。当流体垂直流过凸出隔板2时，凸出隔板2受其两侧压差作用而产生挠曲，位于梁根部4的力敏电阻6的阻值随之改变，导线8和焊盘9与外部电路连接，将电阻变化量转化为传感器输出信号，最后结合标准剪应力输入环境，即可建立壁面剪应力与输出信号的关系。

一种可用于高温环境下壁面剪应力测量的底层隔板微传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI硅片器件层制作相互独立的力敏电阻6，参阅附图3(a)；

制作力敏电阻6的方式为：先在器件层表面进行扩散或离子注入，再通过硅刻蚀得到相互独立的力敏电阻6。

为了简化工艺，可以优选器件层厚度小于1微米的SOI硅片。由于器件层厚度小于1微米，可以通过仅一次恒定源扩散工艺和硅刻蚀，即可形成相互独立的力敏电阻6及其欧姆接触区。