[发明专利]一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器

说明书

本发明属于微机电系统中的MEMS传感器领域，公开了一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器。该MEMS摩阻传感器由封装盖板、表头结构、接口电路和封装管座构成；封装盖板和封装管座为上下叠放的圆柱体，封装盖板和封装管座的中心空腔安装有表头结构和接口电路；表头结构是MEMS摩阻传感器的主要构件，由浮动元件、硅微结构和电极基板构成，用来感应飞行器模型表面的摩阻并转化为差分电容信号。该MEMS摩阻传感器采用浮动元件与待测壁面平齐、信号输出微结构与风洞流场隔离的立体式MEMS表头结构和平板电容差分检测测量方法。

技术领域

本发明属于微机电系统中的MEMS传感器领域，具体涉及一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器。

背景技术

MEMS摩阻传感器主要用于测试飞行器表面的摩阻，进而确定飞行器表面摩阻的大小和分布情况，对飞行器设计具有重要意义。传统的表面摩阻测量器件主要是微量应变式摩阻天平，但其受灵敏度、温度、体积和成本等因素限制，难以在飞行器设计领域广泛应用。以微机电系统技术为基础的MEMS摩阻传感器具有体积小、成本低、可靠性高等突出优点，能够广泛应用于飞行器设计等领域。

目前，介绍MEMS摩阻传感器的文献较多，主要分为梳齿电容式和压阻式等，但主要应用于低速风洞的表面摩阻测量试验。2001年，Jiang Zhe等人[A MEMS device formeasurement of skin friction with capacitive sensing, MicroelectromechanicalSystems Conference, 24-26 August, 2001[C].]设计了一款悬臂梁支撑的平板差分电容式MEMS摩阻传感器，其量程仅为0.1-2Pa，适用于低速风洞。2011年，Jessica Meloy等人[Experimental verification of a MEMS based skin friction sensor forquantitative wall shear stress measurement, 41st AIAA Fluid DynamicsConference and Exhibit, 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii[C].]设计了一款四梁支撑的梳齿电容式MEMS摩阻传感器，其量程为0.1-5Pa，为了不破坏流场，浮动元件和梳齿电容必须暴露在风洞流场中，因此仅适用于气体纯度较高的低速风洞。

许多应用场合要求在高超声速风洞流场中进行表面摩阻测量，目前高超声速速风洞流场中模型表面的摩阻测量主要采用传统的微量摩阻天平。2010年，Joseph A. Schetz等人[Direct measurement of skin friction in complex flows, 48th AIAAAerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and AerospaceExposition 4-7 January 2010, Orlando, Florida [C].]研制了一款应变式微量摩阻天平，在Ma=4的高超声速风洞流场中进行模型表面的摩阻测量试验，但这种微量天平灵敏度较低、温度稳定性差、体积较大，不能用来精确测量飞行器表面摩阻的分布情况。此外，高超声速风洞流场法向载荷大，对MEMS摩阻传感器设计和研制提出了更高要求。