[发明专利]一种陶瓷基耐高温流体壁面剪应力微传感器芯片及其制造工艺

说明书

本发明涉及一种陶瓷基耐高温流体壁面剪应力微传感器芯片，包括：敏感单元(1)、支撑梁(2)、陶瓷基压敏电阻(3)、弹性膜片(4)、间隙(5)、基底(6)和空腔(7)。本发明的一种陶瓷基耐高温流体壁面剪应力微传感器芯片及其制造工艺，微传感器的敏感电阻采用聚合物转化陶瓷基耐高温材料制备，使得微传感器具备对1000℃以上高温流场的测量能力。此外，微传感器制造基于MEMS微加工技术，使得微传感器的空间分辨率能够达到微米量级，时间分辨率能够达到亚毫米量级，适用于对高频脉动流场的实时精细化测量，满足先进飞行器、高性能发动机等研制过程中对高温流场的测试需求。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基耐高温流体壁面剪应力微传感器芯片及其制造工艺，属于传感器技术领域。

背景技术

流体壁面剪应力是新一代先进飞行器和高性能发动机研制过程中必须关注的重要参量之一。剪应力的精确测量是掌握摩擦阻力的前提，为飞行器和发动机的气动结构设计和摩阻特性分析具有重要意义；同时，剪应力是判断流体边界层内转捩、分离以及再附等现象的直接判据，而延迟流体转捩有助于对新一代飞行器运行效率的提升，抑制飞行器表面流动分离有助于避免失速现象的发生。因此，精确测量流体壁面剪应力大小与分布规律、实时监测飞行器表面和发动机内流动状态对维护飞行安全至关重要，也为先进飞行器和高性能发动机的改进积累重要数据。

先进飞行器高速巡航时，因流体边界层底部粘性阻力做功而产生高温，飞行器表面流体边界层的流动状态和流场结构及高频脉动情况难以捕捉；此外，高性能发动机内流场涉及1000℃以上的高温环境，同时包括高速、高压以及燃烧等复杂过程，难以有效测量和捕捉。高温、高频脉动流场的精细化测量已经成为新一代先进战机和高性能发动机研制必须解决的关键问题，这既要求(微)传感器能够耐受1000℃以上高温环境，同时也要保证较高的分辨率和动态响应频率，难度可想而知。

传统摩阻天平在不锈钢弹片上粘结应变片，用于测量流体壁面剪应力。这种方法的主要问题在于天平的尺寸较大，导致动态性能和灵敏度不足；同时，压敏应变片耐温不超过200℃，难以满足实际测试需求。基于微机电系统(MEMS)技术的剪应力微传感器具有很好的灵敏度和响应频率，能够满足对流场高频脉动信息的有效捕捉，但同样难以耐受超过1000℃的高温环境。因此，要想解决高温流体壁面剪应力测量难题，必须采用新材料、新方法研发新一代耐高温流体壁面剪应力微型传感器。

发明内容

为了解决高温流体壁面剪应力的精细化测量难题，本发明提出一种陶瓷基耐高温流体壁面剪应力微传感器芯片及其制造工艺。该剪应力微传感器芯片采用最新研究的聚合物转化陶瓷材料(Polymer Derived Ceramic，PDC)作为压敏材料,基于MEMS微加工技术制造，可实现对高温流场及其高频脉动的实时、精细化测量。采用的陶瓷材料能够在超过1000℃以上保持无定形态，稳定物理和化学性质稳定，同时具有超高的压阻特性，可适用于新型耐高温压力、剪应力和热流等(微)传感器的研制。采用的MEMS微加工技术，可以保证微传感器具有较高的分辨率和动态响应频率，能够满足对流场高频脉动信息的捕捉。

本发明采用以下方案：

本发明涉及的一种陶瓷基耐高温流体壁面剪应力微传感器芯片，如图1所示，包括：敏感单元1、支撑梁2、陶瓷基压敏电阻3、弹性膜片4、间隙5、基底6和空腔7；其中，所述的支撑梁2一端与敏感单元1固连，另一端与弹性膜片4固连；敏感单元1四周与基底6之间是间隙5，支撑梁2四周是空腔7；陶瓷基压敏电阻3制作在弹性膜片4的上表面，位置处于支撑梁2与基底6之间；弹性膜片4的下表面与基底6固连，同时其下方是空腔7。该微传感器的工作原理可以表述如下：当流体流过微传感器表面时，敏感单元1“感受”到粘性剪应力的作用，并将面积分后的合力通过支撑梁2传递到弹性膜片4；受力的弹性膜片4产生应变，导致陶瓷基压敏电阻3的阻值改变，通过检测该阻值变化量，即可推算出被测粘性剪应力的值。