热敏表面剪切应力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种热敏表面剪切应力传感器，包括加热／热敏线圈、支撑薄膜、隔热沟、支撑梁、热敏电极、电绝缘薄膜、硅衬底和引线电极，通过淀积在所述的硅衬底表面形成支撑薄膜和电绝缘薄膜，该支撑薄膜下面的衬底被刻蚀掉，并对加热／热敏线圈起支撑作用；该支撑薄膜和电绝缘薄膜通过支撑梁连接，并在电绝缘薄膜上制备出相互独立的热敏电极，该热敏电极均匀分布在所述加热／热敏线圈的外边缘，在该加热／热敏线圈与热敏电极之间为隔热沟，同时该加热／热敏线圈与热敏电极分别通过引线电极与外部电路相连。本发明专利技术能够确定平面内流体的方向，同时对流体在固体表面所产生的表面剪切应力的大小进行测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机电系统(MEMS)
，特别是一种热敏表面剪切应力传感器。技术背景表面剪切应力的测量在基础科学研究、工业控制以及生物医学应用中具有非常重要 的意义。例如，在高超音速条件下，准确地获得飞行器表面摩擦应力的大小以及边界层 转捩的信息，将为正确的热防护设计提供可靠的依据。传统的宏观尺度的测量技术无法满足获得精确的表面剪应力数据的要求。MEMS 技术所具有的小型化的优点使得基于MEMS技术的剪应力传感器具有显著的优点。基 于MEMS技术的表面剪切应力传感器主要可以分为两类， 一种是直接测量技术，例如 浮动单元型器件；另一种是间接测量技术，例如热敏型传感器。相对于传统的热敏型剪 切应力传感器，基于MEMS技术的热敏型剪切应力传感器提高了敏感元件与衬底之间 的热绝缘，同时由于MEMS技术所有具有的微小尺度的特点，使得基于MEMS技术的 热敏型剪切应力具有以下优点提高了时间和空间分辨率、较高灵敏度、较低功耗，而 且降低了敏感元件与衬底之间的不稳定热传导所带来的复杂性。已有报道的利用MEMS技术制作的结构如图1 、图2所示(Liu C， Tai YC， Huang J， Ho CM. Surface micromachined thermal shear-stress sensor. In: Proceedings, TheASME Symposium on Application of Microfabrication to Fluid Mechanics ， ASME Winter Annual Meeting, Chicago, 1994. p. 9-15.)，图1为目前利用微加工技术制作的热敏表面剪切应 力传感器的结构示意图。图2为该结构的剖面示意图。其中，IO是加热及热敏电阻丝， 20是流体的流动方向，该方向垂直于电阻丝IO， 30是支撑薄膜，40是硅衬底，50是隔 热腔体，降低电阻丝10与硅衬底40之间的热交换。传感器工作时，对电阻丝10加热， 使电阻丝的温度高于流体的温度。当流体运动经过电阻丝表面时，电阻丝10的温度随 着在流体环境中对流传热的变化而变化，同时，电阻丝10的温度变化也会导致所述电 阻丝电阻的变化，通过监控所述电阻丝10的电阻变化与温度的关系可以获得流体在传 感器表面产生的表面剪切应力的大小。这种结构的最大问题是需要将加热及热敏电阻丝10定向放置，使其垂直于流体的 运动方向。因而，这种结构只能测量表面剪切引力的大小，无法同时获得表面剪切应力的方向的信息。当应用于方向未知的流体、或者方向会发生改变的流体，所述传感器结构具有很大局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热敏表面剪切应力传感器，该传感器能够确定流体运动 的方向，同时测量流体运动在固体表面所产生的表面剪切应力的大小。实现本专利技术目的的技术解决方案为 一种热敏表面剪切应力传感器，包括加热\热敏 线圈、支撑薄膜、隔热沟、支撑梁、热敏电极、电绝缘薄膜、硅衬底和引线电极，通过 淀积在所述的硅衬底表面形成支撑薄膜和电绝缘薄膜，该支撑薄膜下面的衬底被刻蚀 掉，并对加热\热敏线圈起支撑作用；该支撑薄膜和电绝缘薄膜通过支撑梁连接，并在电 绝缘薄膜上制备出相互独立的热敏电极，该热敏电极均匀分布在所述加热\热敏线圈的外 边缘，在该加热\热敏线圈与热敏电极之间为隔热沟，同时该加热\热敏线圈与热敏电极 分别通过引线电极与外部电路相连。本专利技术与现有技术相比，其显著优点(1)能够确定平面内流体的方向，同时对流 体在固体表面所产生的表面剪切应力的大小进行测量。(2)使用成熟可行的MEMS工 艺制造，实现了器件的小型化，提高了传感器的时间以及空间的分辨率。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。 附图说明图1是本专利技术目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的结构示意图。 图2是本专利技术目前利用微加工技术制作的表面剪切应力传感器的剖面结构示意图。 图3是本专利技术提供的热敏表面剪切应力传感器的结构示意图。 图4是本专利技术图3所示的热敏表面剪切应力传感器的剖面结构示意图。 图5是本专利技术提供的热敏表面剪切应力传感器的另一种实施结构示意图。 具体实施例方式结合图3和图4，本专利技术热敏表面剪切应力传感器，包括加热\热敏线圈1，支撑薄 膜2，隔热沟3a、 3b、 3c、 3d，支撑梁4a、 4b、 4c、 4d，热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h，电绝缘薄膜6，硅衬底7和引线电极8，通过淀积在所述的硅衬底7表面 形成支撑薄膜2和电绝缘薄膜6，该支撑薄膜2下面的衬底被刻蚀掉，并对加热\热敏线 圈l起支撑作用；该支撑薄膜2和电绝缘薄膜6通过支撑梁4a、 4b、 4c、 4d连接，并4在电绝缘薄膜6上制备出热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h，该热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h均匀分布在所述加热\热敏线圈1的外边缘，在该加热\热 敏线圈l与热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h之间为隔热沟3a、 3b、 3c、 3d， 同时该加热\热敏线圈1与热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h分别通过引线电 极8与外部电路相连。本专利技术热敏表面剪切应力传感器的支撑薄膜2和加热\热敏线圈1均为圆形，为了增 加加热\热敏线圈1的电阻值，以提高测量的精度和灵敏度，可以把加热\热敏线圈1设 计为折叠状的，然后再连接为圆形，如图5所示。加热\热敏线圈1由多晶硅或者Pt与 Ti构成。支撑薄膜2由二氧化硅，或氮化硅，或者二氧化硅和氮化硅两者构成。加热\ 热敏线圈1淀积在支撑薄膜2的表面,加热\热敏线圈1的电连接线通过支撑梁引出与外 部电路相连，以四根支撑梁4a、 4b、 4c、 4d的情况为例，电连接线通过支撑梁4a、 4b、 4c、 4d中不相邻的两根支撑梁与外部电源相连。其中所有的支撑梁4a、 4b、 4c、 4d均 匀分布在支撑薄膜2的四周，并且支撑梁4a、 4b、 4c、 4d所在的直线通过支撑薄膜2 的圆心。可以使用干法或者湿法的方法将薄膜下面的衬底刻蚀掉以形成薄膜，从而降低 加热\热敏线圈1与衬底之间的热传导，同时也降低了热容，降低热容是降低传感器响应 时间的一个非常重要的方法。使用剥离法在电绝缘薄膜6上制备出热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h。热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h均匀分布在加热、热敏 线圈1的四周，每个热敏电极之间相互独立。并且热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h形状为等长弧段，该弧段与加热\热敏线圈1具有相同圆心。隔热沟3a、 3b、 3c、 3d位于热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h和加热\热敏线圈1的中间，以降低 热敏电极5a、 5b、 5c、 5d、 5e、 5f、 5g、 5h和加热\热敏线圈1之间的热交换。其中隔 热沟3a、 3b、 3c、 3d为圆形，与加热\热敏线圈1具有相同圆心。工作的时候，加热\热敏线圈1被加热到一个设定的温度，而且该设定温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热敏表面剪切应力传感器，其特征在于包括加热＼热敏线圈（１）、支撑薄膜（２）、隔热沟（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）、支撑梁（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）、热敏电极（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ）、电绝缘薄膜（６）、硅衬底（７）和引线电极（８），通过淀积在所述的硅衬底（７）表面形成支撑薄膜（２）和电绝缘薄膜（６），该支撑薄膜（２）下面的衬底被刻蚀掉，并对加热＼热敏线圈（１）起支撑作用；该支撑薄膜（２）和电绝缘薄膜（６）通过支撑梁（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）连接，并在电绝缘薄膜（６）上制备出相互独立的热敏电极（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ），该热敏电极（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ）均匀分布在所述加热＼热敏线圈（１）的外边缘，在该加热＼热敏线圈（１）与热敏电极（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ）之间为隔热沟（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ），同时该加热＼热敏线圈（１）与热敏电极（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ）分别通过引线电极（８）与外部电路相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄钦文，苏岩，裘安萍，明晓，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]