本发明专利技术涉及微机电系统技术领域，公开了一种集成了外部封装壳体、敏感结构、处理电路的表面摩擦剪切应力传感器，所述表面摩擦剪切应力传感器由外部封装壳体、敏感结构和处理电路三个部分组成。所述敏感结构的上表面与传感器测试表面齐平，在表面摩擦剪切应力的作用下产生位移，梳齿结构将位移信号转化为电容信号，通过处理电路，将电容信号线性转化为电压信号后输出。整个传感器壳体的最大直径仅为15.4mm，长度25mm。利用本发明专利技术，能够有效地测试在超高音速气体流场下的表面摩擦剪切应力，传感器整体体积具有小型化的特点，并且在环境复杂的气体流场中有效地保护了敏感结构和处理电路。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微机电系统(MEMS)
，特别是一种集成了敏感结构和处理电 路的表面摩擦剪切应力传感器。
技术介绍
表面摩擦剪切应力传感器是测量气体流经固体表面时与固体表面摩擦剪切应力 的器件，应用于流体力学和航空航天领域。表面摩擦剪切应力的测量可以通过直接方式或 者间接方式，其中间接方式的测量不适合流速较高的流体。对于直接测量传感器，一般采用 MEMS技术加以实现。MEMS技术所具有的小型化特点使得表面摩擦剪切应力传感器具有较 高的时间和空间分辨率，从而不仅提高了对表面摩擦剪切应力检测的精度，而且减小了对 流场的影响。1988年khmidt首次提出了微制造浮子式剪切应力传感器并加以实现。作为直 接测量的浮子式剪切应力传感器在理论上具有检测复杂流场表面摩擦力的能力，因此这种 形式的传感器被广泛研究并得到了改进。在上个世纪90年代初，Ng K和Goldberg HD对 khmidt的工作做了进一步延伸。1999年，Pan Τ,Hyman D等提出了一种力反馈电容设计。 到最近几年，Α.0’ Grady利用新型衬底通孔互连和电容远程测量电路来使得传感器可以应 用于高温、高剪切力工作环境。在国内，也有关于浮子式表面摩擦剪切应力传感器的报道。 例如南京理工大学的黄钦文、苏岩在2008年12月申请的专利“双轴表面摩擦剪切应力传感 器”中，提出了 一种双轴式的表面摩擦剪切应力传感器，这种结构不仅可以确定剪切应力的 大小，还可以检测应力的方向。但是上述报道都是对基于MEMS传感器敏感结构的研究。由于测试环境复杂，通常 为超高音速气体流场，如果对敏感结构和处理电路保护不当，不仅影响传感器的测试精度， 甚至可能导致敏感结构或者处理电路的损坏和失效；另一方面，基于MEMS技术的敏感结构 具有小型化的特点，因此传感器整体体积小型化才能体现敏感结构小型化的优势，传感器 整体体积小型化是测试表面摩擦剪切应力场合的需要，也是减小传感器对流场影响的必要 条件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种体积小、测试精度高、抗环境能力强的表面摩擦剪切 应力传感器。实现本专利技术的技术解决方案为一种表面摩擦剪切应力传感器，集成了外部封装 壳体、敏感结构和处理电路，外部封装壳体由上壳体、下壳体连接而成，上壳体分为从上到 下内径逐步增大的三段腔体，敏感结构固定在上层PCB板上，敏感结构和上层PCB板作为 一个整体安装在上腔体内，敏感结构的上表面构成传感器测试表面，该测试表面与上壳体 上端面齐平，且敏感结构周围通过填充胶填充，处理电路分别设置在上下层PCB板上，下层 PCB板安装在下腔体内，上下层PCB板通过导线连接，下壳体上加工一个与外部连接的固定装置，测试导线一端连接下层PCB板，另一端穿过下壳体的通孔与外部测试设备连接；处理 电路包括载波发生电路、差分放大电路、解调电路和低通滤波电路，敏感结构分别与载波发 生电路、差分放大电路连接，载波发生电路、差分放大电路分别与解调电路连接，解调电路 与低通滤波电路连接，敏感结构将表面摩擦剪切应力转化为敏感结构的位移信号，梳齿结 构则将位移信号转化为两路电容信号，载波信号由载波发生电路产生，载波信号作用在敏 感结构上，对电容信号进行调制，将两路电容信号转化为两路调制过的电流信号，再通过差 分放大电路将两路电流信号差分放大后输出电压信号，该电压信号通过解调电路对输出的 电压信号解调成解调信号，该解调信号通过低通滤波电路得到的直流电压信号经过测试导 线输出。本专利技术和现有技术相比，其显著优点(1)集成了外部封装壳体、敏感结构和处理 电路；(2)敏感结构通过填充胶与外部封装壳体连接，安装简单，且大大减小了超高音速流 场中的振动、冲击等恶劣环境对敏感结构的影响，使得敏感结构可以正常工作在恶劣的流 场环境下；(3)传感器采用了基于MEMS技术加工的敏感结构，并且设计了上下两层PCB板 作为处理电路，充分利用了纵向的空间，大大减小了传感器的体积；(4)处理电路安装在外 部封装壳体内，在环境复杂的气体流场中有效地保护了处理电路，大大减小了流场对微弱 信号的影响；( 传感器的体积小，且敏感结构上表面与传感器的测试面齐平，大大减小了 对流场的影响；(6)传感器外部封装壳体中的定位平面保证了装配的方向性，并采用填充 胶连接各个组成部分，从而整表装配简单。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是表面摩擦剪切应力传感器结构示意图。图2是表面摩擦剪切应力传感器敏感结构的结构示意图。图3是表面摩擦剪切应力传感器系统工作原理示意图。具体实施例方式结合图1，本专利技术表面摩擦剪切应力传感器，集成了外部封装壳体100、敏感结构 200和处理电路300，外部封装壳体100由上壳体110、下壳体120连接而成，上壳体110分 为从上到下内径逐步增大的三段腔体，敏感结构200固定在上层PCB板310上，敏感结构 200和上层PCB板310作为一个整体安装在上腔体内，敏感结构200的上表面构成传感器测 试表面101，该测试表面101与上壳体110上端面113齐平，大大减小了对流场的影响，且大 大减小了超高音速流场中的振动、冲击等恶劣环境对敏感结构的影响，使得敏感结构可以 正常工作在恶劣的流场环境下。敏感结构200周围通过填充胶130填充，处理电路300分 别设置在上下层PCB板310、320上，下层PCB板320安装在下腔体内，上下层PCB板310、 320通过导线330连接。下层PCB板320通过上壳体110中的凸台112定位，通过周围填充 胶140固定。上下两层PCB板设计，有效地利用了纵向空间，节省了平面空间；且处理电路 300安装在上壳体110内，在环境复杂的气体流场中有效地保护了处理电路，大大减小了流 场对微弱信号的影响。下壳体120上加工一个与外部连接的固定装置122(可以是外螺纹、 法兰结构、卡口结构)，测试导线340 —端连接下层PCB板320，另一端穿过下壳体120的通孔121与外部测试设备连接。上壳体110和下壳体120之间采用连接胶150连接和固定。 如图1 (b)所示，上壳体110上表面113含有确定传感器方向的定位半圆111，在装配敏感结 构200时，敏感结构200的敏感轴201方向与定位半圆111所指的方向垂直。整个传感器 壳体的最大直径仅为15. 4mm，长度25mm，体积小对流场的影响较小。处理电路300包括载波发生电路390、差分放大电路360、解调电路370和低通滤 波电路380，敏感结构200分别与载波发生电路390、差分放大电路360连接，载波发生电路 390、差分放大电路360分别与解调电路370连接，解调电路370与低通滤波电路380连接， 敏感结构200将表面摩擦剪切应力001转化为敏感结构200的位移信号002，梳齿结构则将 位移信号002转化为两路电容信号003a、003b，载波信号301由载波发生电路390产生，载 波信号301作用在敏感结构200上，对电容信号003进行调制350，将两路电容信号003a、 003b转化为两路调制过的电流信号0(Ma、004b，再通过差分放大电路360将两路电流信号 差分放大后输出电压信号005，该电压信号005通过解调电路370对输出的电压信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种表面摩擦剪切应力传感器，其特征在于集成了外部封装壳体（１００）、敏感结构（２００）和处理电路（３００），外部封装壳体（１００）由上壳体（１１０）、下壳体（１２０）连接而成，上壳体（１１０）分为从上到下内径逐步增大的三段腔体，敏感结构（２００）固定在上层ＰＣＢ板（３１０）上，敏感结构（２００）和上层ＰＣＢ板（３１０）作为一个整体安装在上腔体内，敏感结构（２００）的上表面构成传感器测试表面（１０１），该测试表面（１０１）与上壳体（１１０）上端面（１１３）齐平，且敏感结构（２００）周围通过填充胶（１３０）填充，处理电路（３００）分别设置在上下层ＰＣＢ板（３１０、３２０）上，下层ＰＣＢ板（３２０）安装在下腔体内，上下层ＰＣＢ板（３１０、３２０）通过导线（３３０）连接，下壳体（１２０）上加工一个与外部连接的固定装置（１２２），测试导线（３４０）一端连接下层ＰＣＢ板（３２０），另一端穿过下壳体（１２０）的通孔（１２１）与外部测试设备连接；处理电路（３００）包括载波发生电路（３９０）、差分放大电路（３６０）、解调电路（３７０）和低通滤波电路（３８０），敏感结构（２００）分别与载波发生电路（３９０）、差分放大电路（３６０）连接，载波发生电路（３９０）、差分放大电路（３６０）分别与解调电路（３７０）连接，解调电路（３７０）与低通滤波电路（３８０）连接，敏感结构（２００）将表面摩擦剪切应力（００１）转化为敏感结构（２００）的位移信号（００２），梳齿结构则将位移信号（００２）转化为两路电容信号（００３ａ、００３ｂ），载波信号（３０１）由载波发生电路（３９０）产生，载波信号（３０１）作用在敏感结构（２００）上，对电容信号（００３）进行调制（３５０），将两路电容信号（００３ａ、００３ｂ）转化为两路调制过的电流信号（００４ａ、００４ｂ），再通过差分放大电路（３６０）将两路电流信号差分放大后输出电压信号（００５），该电压信号（００５）通过解调电路（３７０）对输出的电压信号（００５）解调成解调信号（００６），该解调信号（００６）通过低通滤波电路（３８０）得到的直流电压信号（００７）经过测试导线（３４０）输出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：施芹，苏岩，裘安萍，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84
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