一种可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器及其制造方法，属于传感器技术领域。该微传感器主要包括上电极及引线1，下电极及引线2，金属弹性层3，压电薄膜4，绝缘层5，柔性衬底6，聚合物绝缘防护层7。所述柔性衬底6上分别为金属弹性层3、绝缘层5，构成传感器敏感单元底层结构；上电极及引线1‑压电薄膜4‑下电极及引线2形成“三明治结构”式的敏感单元，置于绝缘层5之上。所述柔性衬底6背面与敏感单元相应的位置处有背腔，用于平衡深水静压；整个传感器传感器表面沉积有聚合物绝缘防护层7。柔性基脉动压力微传感器采用标准的MEMS制造工艺，空间时间分辨率高，且谐振频率高，满足水下湍流边界层脉动压力宽频测试需求，便于阵列化，适合于水下航行器曲面贴附。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器及其制造方法一、所属领域：本专利技术属于传感器
，涉及一种可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器及其制造方法。二、
技术介绍
：湍流边界层脉动压力(Pressurefluctuation)，又称压力脉动，是表征边界层及艇体近壁流动状况的最重要参量之一，是研究湍流边界层结构及其发展，掌握边界层分离、转捩等流动状态的重要依据。同时，随机脉动压力一方面直接产生辐射噪声，另一方面激励物面弹性结构振动产生辐射噪声，因此脉动压力也是引起水动力噪声的重要声源。随着国防海事的持续发展，对水下航行器隐身降噪性能提出了更高的要求。实现脉动压力准确多点测量对航行器性能的提升、评估工作意义重大，也是实现减阻降噪、主动流动控制的技术基础。现今，水域流场研究大多依赖于数值仿真分析，传统的测量传感器包括微麦克风、水听器等均为硬质基底，体积相对较大，阵列化程度及安装不便捷，且不适用于曲面测量。微机电系统(MEMS)技术的发展为壁面脉动压力的测量提供了一种新手段。采用MEMS技术加工的柔性基脉动压力微传感器，具有柔性化、微型化、阵列化、集成化等特点，对水下艇体平滑表面、大曲率表面的湍流边界层脉动压力的精细测量应用具有独特优势。例如：文献《FlexibleandSurface-MountablePiezoelectricSensorArraysforUnderwaterSensinginMarineVehicles》中研制了一种基于压电PZT的水下无源压力传感器，可以实现航行器对近场移动物体的无源检测。传感器阵列使用PDMS柔性材料封装，可检测1～200Hz的压力信号。文献《Carbonblack-PDMScompositeconformalpressuresensorarraysfornear-bodyflowdetection》基于高聚物掺杂导电粒子的渗流现象制备了全柔性PDMS掺杂炭黑的海绵块状水下压力传感器，可实现对水下动态低频压力场的测量。以上两种柔性压力传感器虽然可以进行水下动态压力场的测试，但精度较低，仅对低频脉动压力信号灵敏，不能实现水下湍流边界层宽频压力脉动的精细测量。三、
技术实现思路
专利技术目的：为实现水下湍流边界层宽频压力脉动的精细测量，为航行器减阻降噪、主动流动控制提供技术参考，本专利技术提出了一种可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器及其制造方法。技术方案：参阅附图1，可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，主要包括上电极及引线1，下电极及引线2，金属弹性层3，压电薄膜4，绝缘层5，柔性衬底6，聚合物绝缘防护层7。所述柔性衬底6上分别为金属弹性层3、绝缘层5，构成传感器敏感单元底层结构；上电极及引线1-压电薄膜4-下电极及引线2形成“三明治结构”式的敏感单元，置于绝缘层5之上。所述柔性衬底6背面与敏感单元相应的位置处有背腔，用于平衡深水静压；整个传感器传感器表面沉积有聚合物绝缘防护层7。作为一种更优的方案，所述压电薄膜4采用离子掺杂的氧化锌压电薄膜，氧化锌压电薄膜具有自主的C轴取向性，通过离子掺杂，可以显著提升薄膜压电性能。所述下电极2采用金属钛，钛与氧化锌晶格常数相近，失配小，利于氧化锌压电薄膜晶向生长。所述绝缘层5可采用二氧化硅或氮化硅等材料，考虑热膨胀系数、杨氏模量等物性参数，二氧化硅更利于氧化锌压电薄膜生长。所述聚合物绝缘防护层7采用C型聚对二甲苯(ParyleneC)，ParyleneC具有更好的耐酸碱腐蚀和绝缘性，对器件防护的同时不影响敏感单元响应测试。所述柔性衬底6采用聚酰亚胺薄膜，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围200～300℃，具有高绝缘性能。一种可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测量的柔性基微传感器的制造方法，包括如下主要步骤：步骤1：柔性衬底6表面旋涂PDMS做为粘结剂，使柔性聚酰亚胺薄膜基底与硬质衬底紧密粘结，并进行标准清洗；步骤2：在柔性衬底6表面依次制备金属弹性层3、绝缘层5；步骤3：图形化金属弹性层3、绝缘层5，形成单元底层结构步骤4：在底层结构上制备下电极及引线2；步骤5：在下电极及引线2表面制备敏感薄膜，图像化得到压电薄膜4，并形成下电极引出孔；步骤6：制备上电极及引线1；步骤7：柔性衬底6背腔刻蚀，释放敏感单元。步骤8：器件整体表面沉积聚合物绝缘防护层7。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的柔性基脉动压力微传感器的基底材料为柔性聚酰亚胺薄膜，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围200～300℃，具有高绝缘性能。为提高器件谐振频率，满足水下湍流脉动压力宽频测试特性，微传感器敏感单元采用离子掺杂的氧化锌压电薄膜，具有高压电特性，响应频率高，测试灵敏度好；采用二氧化硅作为绝缘层的同时，提高了器件整体刚度。器件整体采用绝缘耐酸碱腐蚀的C型聚对二甲苯封装防护，满足于水下测试的需求。(1)可在水下环境工作；器件整体采用耐酸、耐碱、耐腐蚀性强的Parylene封装，提高了器件水下工作的可靠性；将敏感单元释放，使敏感薄膜与外界流场直接接触，从而平衡了水下静压作用，进一步提高了传感器在水下工作的灵敏度。(2)时间、空间分辨率高，灵敏度优异，便于阵列化；传感器的压电敏感单元尺寸在微米量级，相对毫米级微麦克风、水听器等传声器的尺寸下降了一个量级，空间分辨率提高；氧化锌压电薄膜通过离子掺杂，具有高压电特性，灵敏度优异；再者，将传感器通过有序排列制备在同一张PI薄膜上，方便阵列化设计，实现了湍流边界层脉动压力的多点有效精细测量。(3)柔性可弯，可实现艇体曲面直接贴附，对流场干扰小；柔性PI膜作为器件基底材料，可灵活贴附于大曲面艇体表面，方便航行器实时在线测量工作；器件整体厚度低于100μm，对流场干扰小。四、附图说明图1.是本专利技术提出的一种新型的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测量的柔性基微传感器示意图图2.是本专利技术提出的柔性基脉动压力微传感器的工艺步骤示意图图中：1-上电极及引线，2-下电极及引线，3-金属弹性层，4-压电薄膜，5-绝缘层，6-柔性衬底，7-绝缘防护层。五、具体实施方式本实施例中，可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，主要包括上电极金及引线1，下电极钛及引线2，铝金属弹性层3，钒离子掺杂氧化锌压电薄膜4，二氧化硅绝缘层5，聚酰亚胺柔性衬底6，C型聚对二甲苯防护层7。微传感器的制造方法主要步骤如下：步骤1：硬质玻璃衬底表面旋涂PDMS做为粘结剂，使柔性聚酰亚胺薄膜基底与硬质衬底紧密粘结，并进行标准清洗；参考附图2(a)。子步骤1：硬质玻璃衬底清洗；子步骤2：玻璃衬底表面旋涂PDMS；子步骤3：将厚度为50微米的聚酰亚胺薄膜贴附于旋涂有PDMS的玻璃表面，抽真空静置；子步骤4：RCA标准清洗工艺；步骤2：在聚酰亚胺薄膜表面依次制备铝金属弹性层、二氧化硅绝缘层并图形化，形成单元底层结构；参考附图2(b)(c)。子步骤1：在聚酰亚胺薄膜表面磁控溅射1um金属铝；子步骤2：采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在铝金属层表面沉积200nm二氧化硅做为绝缘层；步骤3：图形化铝金属弹性层、二氧化硅绝缘层，形成单元底层结构；参考附图2(c)。子步骤1：涂胶、软烘、光刻、显影、坚膜；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，主要包括上电极及引线1，下电极及引线2，金属弹性层3，压电薄膜4，绝缘层5，柔性衬底6，聚合物绝缘防护层7；所述柔性衬底6上分别为金属弹性层3、绝缘层5，构成传感器敏感单元底层结构；上电极及引线1‑压电薄膜4‑下电极及引线2形成“三明治结构”式的敏感单元，置于绝缘层5之上；所述柔性衬底6背面与敏感单元相应的位置处有背腔；整个传感器传感器表面沉积有聚合物绝缘防护层7。

【技术特征摘要】
1.可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，主要包括上电极及引线1，下电极及引线2，金属弹性层3，压电薄膜4，绝缘层5，柔性衬底6，聚合物绝缘防护层7；所述柔性衬底6上分别为金属弹性层3、绝缘层5，构成传感器敏感单元底层结构；上电极及引线1-压电薄膜4-下电极及引线2形成“三明治结构”式的敏感单元，置于绝缘层5之上；所述柔性衬底6背面与敏感单元相应的位置处有背腔；整个传感器传感器表面沉积有聚合物绝缘防护层7。2.如权利要求1所述的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，所述压电薄膜4采用离子掺杂的氧化锌压电薄膜。3.如权利要求1所述的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，所述下电极2采用金属钛。4.如权利要求1所述的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，所述绝缘层5采用二氧化硅或氮化硅材料。5.如权利要求1所述的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，所述聚合物绝缘防护层7采用C型聚对二甲苯。6.如权利要求1所述的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测试的柔性基微传感器，其特征在于，所述柔性衬底6采用聚酰亚胺薄膜。7.一种如权利要求1所述的可用于水下湍流边界层壁面脉动压力测量的柔性基微传感器的制造方法，其特征在于，包括如下主要步骤：步骤1：柔性衬底6表面旋涂PDMS做为粘结剂，使柔性聚酰亚胺薄膜基底与硬质衬底紧密粘结，并进行标准清洗；步骤2：在柔性衬底6表面依次制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：马炳和，高伟，邓进军，罗剑，张忠刚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61