一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，包括：T形浮动元件(1)、弹性梁(2)、可动梳齿(3)、固定梳齿(4)和基底(5)。本发明专利技术的一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，极大简化了微传感器结构的力学模型，提高了设计效率。同时，所述的T形浮动元件覆盖在弹性梁和梳齿结构的上方，减小了梳齿结构被阻塞或黏附的概率，提高了微传感器在实际测量中的可靠性与持续、可重复测量能力。

A Capacitive Shear Stress Microsensor Chip with T-shaped Floating Element

【技术实现步骤摘要】
一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片
本专利技术涉及一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，属于传感器

技术介绍
当流体流过物体表面时，因其粘性作用会对物体表面产生粘性阻力，单位面积上作用的粘性阻力称为剪切应力，简称剪应力。作为最基本的流体力学参量之一，剪应力的精确测量能够为分析流体边界层内的转捩、分离以及再附等流动现象提供重要参考，也为验证计算流体力学模型提供有效数据。此外，剪应力能够直接反映摩擦阻力，其精确测量为飞行器、高速列车等结构优化设计、减阻降噪等具有重要参考价值。由于剪应力量值极小，常规手段难以实现其精确测量，而理论仿真计算剪应力的方法包含诸多边界条件和假设，计算结果与实际值存在差异。20世纪末期，MEMS技术的兴起与发展为先进流动测量提供了新的思路和手段。基于微加工技术的浮动元件电容式剪应力微传感器具有浮动元件、弹性梁和梳齿等结构，工作原理简单、工艺兼容性好。浮动元件电容式剪应力微传感器能够直接测量剪应力，具有较高的空间和时间分辨率，可满足流场的精细化、原位测量需求，具有良好的发展前景。2013年，西北工业大学吕海峰等人研发了一款浮动元件电容式剪应力微传感器，实现了对流体壁面剪应力的有效测量。然而，浮动元件电容式剪应力微传感器芯片直接暴露在空气流场中，其浮动元件、弹性梁和梳齿均会受到剪应力作用，导致在分析微传感器力学模型时计算量较大，不利于微传感器结构的优化设计。此外，梳齿结构容易受被测流场中颗粒污染物、水雾等影响，可能出现梳齿结构的阻塞或黏附情况，导致微传感器失效。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提出一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，所述的T形浮动元件结构采用MEMS微加工工艺实现整体制造，有效避免了装配误差对微传感器性能的影响。将T形浮动元件的上半部分覆盖在弹性梁和梳齿结构的上方，仅有T形浮动元件的上表面直接与被测流场接触。同时，实现弹性梁和梳齿结构与被测流场隔离，使其不易被流场中颗粒污染物、水雾等污染和阻塞。考虑到现有技术的上述问题，根据本专利技术公开的一个方面，本专利技术采用以下技术方案：一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，包括：T形浮动元件(1)、弹性梁(2)、可动梳齿(3)、固定梳齿(4)和基底(5)；其中，所述的T形浮动元件(1)具有上表面(6)和下部中轴(7)，检测时上表面(6)平齐于微传感器所测流体壁面表面，T形浮动元件(1)的上表面(6)同时覆盖在弹性梁(2)、可动梳齿(3)和固定梳齿(4)的上方，T形浮动元件(1)四周环绕有四块基底(5)，所述的弹性梁(2)有四根，位于T形浮动元件(1)前后两端部，每根的弹性梁(2)的两端分别固连于T形浮动元件(1)的下部中轴(7)前后端和前、后基底(5)上，弹性梁(2)为T形浮动元件(1)和可动梳齿(3)提供弹性支撑，使它们在剪应力的作用下产生位移，多根所述的可动梳齿(3)固连于T形浮动元件(1)的下部中轴(7)左右侧面，多根固定梳齿(4)固连于基底(5)上，与可动梳齿(3)相对且错位排列，可动梳齿(3)和固定梳齿(4)组成梳齿电容器，用于检测T形浮动元件(1)的微小位移变化。有益效果：本专利技术的一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，极大简化了微传感器结构的力学模型，提高了设计效率。同时，所述的T形浮动元件覆盖在弹性梁和梳齿结构的上方，减小了梳齿结构被阻塞或黏附的概率，提高了微传感器在实际测量中的可靠性与持续、可重复测量能力。附图说明图1是T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片的剖视图，剖视面平行于弹性梁(2)，并通过微传感器芯片中心线；图2是T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片的A－A视图；图3是T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片的俯视图；图4是T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片工艺流程图；图中：1－T形浮动元件；2－弹性梁；3－可动梳齿；4－固定梳齿；5－基底。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术的一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，包括：T形浮动元件(1)、弹性梁(2)、可动梳齿(3)、固定梳齿(4)和基底(5)；如图1－3所示。T形浮动元件(1)具有上表面(6)和下部中轴(7)，检测时上表面(6)平齐于微传感器所测流体壁面表面，T形浮动元件(1)的上表面(6)同时覆盖在弹性梁(2)、可动梳齿(3)和固定梳齿(4)的上方，T形浮动元件(1)四周环绕有四块基底(5)，所述的弹性梁(2)有四根，位于T形浮动元件(1)前后两端部，每根的弹性梁(2)的两端分别固连于T形浮动元件(1)的下部中轴(7)前后端和前、后基底(5)上，弹性梁(2)为T形浮动元件(1)和可动梳齿(3)提供弹性支撑，使它们在剪应力的作用下产生位移，多根所述的可动梳齿(3)固连于T形浮动元件(1)的下部中轴(7)左右侧面，多根固定梳齿(4)固连于基底(5)上，与可动梳齿(3)相对且错位排列，可动梳齿(3)和固定梳齿(4)组成梳齿电容器，用于检测T形浮动元件(1)的微小位移变化。加工时，电容式剪应力微传感器芯片采用微加工工艺进行，主要工序包括：加工微传感器整体结构；释放弹性梁和梳齿结构；释放浮动元件结构。本专利技术的一个实施例中：一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片的整体制造，采用SOI硅片作为微传感器结构制造材料，采用Borofloat33玻璃晶片作为基底，通过光刻、体硅加工、释放、键合和溅射等工艺完成芯体整体加工。主要步骤如下：步骤一：在Borofloat33玻璃晶片上加工凹腔和通孔子步骤1：去离子水清洗Borofloat33玻璃晶片，光刻并图形化凹腔结构，如图4中步骤a；子步骤2：采用湿法腐蚀工艺，在Borofloat33玻璃晶片上加工凹腔结构，去掩膜，如图4中步骤b；子步骤3：采用喷砂工艺，在Borofloat33玻璃晶片上加工通孔，如图4中步骤c。步骤二：在SOI硅片上加工微传感器芯体结构子步骤1：去离子水清洗SOI硅片，在基底层光刻并图形化微传感器结构，如图4中步骤d；子步骤2：采用ICP刻蚀工艺，加工微传感器结构至氧化层，去掩膜，如图4中步骤e；子步骤3：采用湿法腐蚀工艺，腐蚀氧化层，释放微传感器部分结构，如图4中步骤f；步骤三：将SOI硅片与Borofloat33玻璃晶片对准键合。子步骤1：采用对准键合机，将SOI硅片上的微传感器结构与Borofloat33玻璃晶片的凹腔进行对准；子步骤2：采用阳极键合工艺，SOI硅片与Borofloat33玻璃晶片键合在一起，如图4中步骤g。步骤四：Borofloat33玻璃晶片的通孔，在SOI硅片基底层上溅射电极。子步骤1：制作电极掩膜，与Borofloat33玻璃晶片的通孔对齐；子步骤2：采用溅射工艺，在SOI基底层上溅射电极，去掩膜，如图4中步骤h。步骤五：释放微传感器结构，完成制造工艺。子步骤1：清洗键合后的晶片，在SOI硅片器件层光刻并图形化浮动元件结构，如图4中步骤i；子步骤2：采用ICP刻蚀工艺，加工微传感器浮动元件，完成结构释放，去掩膜，如图4中步骤j；子步骤3：划片，完成微传感器芯片制造。上述方法制造出的T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，工作时，仅有T形浮动元件(1)的上表面直接暴露在被测流场中，用于“感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，包括：T形浮动元件(1)、弹性梁(2)、可动梳齿(3)、固定梳齿(4)和基底(5)；其中，T形浮动元件(1)覆盖在弹性梁(2)、可动梳齿(3)和固定梳齿(4)的上方，T形浮动元件(1)四周环绕有四块基底(5)，所述的弹性梁(2)有四根，位于T形浮动元件(1)前后两端部，每根的弹性梁(2)的两端分别固连于T形浮动元件(1)的前后端和前、后基底(5)上，弹性梁(2)为T形浮动元件(1)和可动梳齿(3)提供弹性支撑，使它们在剪应力的作用下产生位移，多根所述的可动梳齿(3)固连于T形浮动元件(1)下部的左右侧面，多根固定梳齿(4)固连于基底(5)上，与可动梳齿(3)相对且错位排列，可动梳齿(3)和固定梳齿(4)组成梳齿电容器，用于检测T形浮动元件(1)的微小位移变化。

【技术特征摘要】
1.一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，包括：T形浮动元件(1)、弹性梁(2)、可动梳齿(3)、固定梳齿(4)和基底(5)；其中，T形浮动元件(1)覆盖在弹性梁(2)、可动梳齿(3)和固定梳齿(4)的上方，T形浮动元件(1)四周环绕有四块基底(5)，所述的弹性梁(2)有四根，位于T形浮动元件(1)前后两端部，每根的弹性梁(2)的两端分别固连于T形浮动元件(1)的前后端和前、后基底(5)上，弹性梁(2)为T形浮动元件(1)和可动梳齿(3)提供弹性支撑，使它们在剪应力的作用下产生位移，多根所述的可动梳齿(3)固连于T形浮动元件(1)下部的左右侧面，多根固定梳齿(4)固连于基底(5)上，与可动梳齿(3)相对且错位排列，可动梳齿(3)和固定梳齿(4)组成梳齿电容器，用于检测T形浮动元件(1)的微小位移变化。2.如权利要求书1所述的一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，其特征在于：所述的T形浮动元件(1)具有上表面(6)和下部中轴(7)，T形浮动元件(1)的上表面(6)同时覆盖在弹性梁(2)、可动梳齿(3)和固定梳齿(4)的上方，每根的弹性梁(2)的两端分别固连于T形浮动元件(1)的下部中轴(7)前后端和前、后基底(5)上，多根所述的可动梳齿(3)固连于T形浮动元件(1)的下部中轴(7)左右侧面。3.如权利要求书2所述的一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，其特征在于：检测时T形浮动元件(1)的上表面(6)平齐于微传感器所测流体壁面表面。4.如权利要求书1所述的一种T形浮动元件电容式剪应力微传感器芯片，其特征在于：T形浮动元件(1)、弹性梁(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑伟政，丁光辉，马炳和，邓进军，罗剑，杜希奇，刘康，刘国政，
申请(专利权)人：西北工业大学，中国航空工业空气动力研究院，
类型：发明
国别省市：陕西,61