[發明專利]雙軸表面剪切應力傳感器

有效

• 申請號: 200810243664.5
• 申請日: 2008-12-11
• 公開（公告）號: CN101482441A
• 公開（公告）日: 2009-07-15
• 發明（設計）人: 黃欽文;蘇巖;裘安萍;明曉
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01L9/12
• 分類號: G01L9/12;B81B7/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心
• 代理人: 唐代盛

技術領域

本發明屬于微機電系統(MEMS)技術領域，特別是一種雙軸表面剪切應力傳感器。?

背景技術

表面剪切應力的測量在基礎科學研究、工業控制以及生物醫學應用中具有非常重要的意義。例如，在高超音速條件下，準確地獲得飛行器表面摩擦應力的大小以及邊界層轉捩的信息，將為正確的熱防護設計提供可靠的依據。?

傳統的宏觀尺度的測量技術無法滿足獲得精確的表面剪應力數據的要求。MEMS技術所具有的小型化的優點使得基于MEMS技術的剪應力傳感器可具有足夠高的空間分辨率，具有潛力能夠顯著提高時間的以及空間的測量帶寬，滿足對表面剪應力測量數據的高標準要求。?

已有報道的利用微加工技術制作的結構如圖1所示(Nicholas?Tiliakos?and?GeorgePapadopoulos?etc，MEMS?Shear?Stress?Sensor?for?Hypersonic?Aeropropulsion?Test?andEvaluation，2006?Annual?ITEA?Technology?Review?August?710，2006)。圖1為目前利用微加工技術制作的表面剪切應力傳感器的結構示意圖。其中，1a、1b、1c、1d是固定基座，2a、2b是固定梳齒電極，3a、3b、3c、3d是支撐梁，7是可動的浮動單元，8a、8b是固定電極，9a、9b是敏感電極，6是流體的方向。流體運動在浮動單元表面所產生的表面剪切應力使浮動單元在流體的方向上產生位移。固定電極8a與敏感電極9a構成一敏感電容200，固定電極8b與敏感電極9b構成另一敏感電容201，并且敏感電容200和敏感電容201構成差分電容結構，用于測量浮動單元的位移量。?

這種結構的最大問題是需要將表面剪切應力傳感器放置于使流體的運動方向垂直于支撐梁的長度方向。當應用于方向未知的流體、或者方向會發生改變的流體，所述傳感器結構具有很大局限性，無法同時實現對表面剪切應力大小的測量和流體方向的確定。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種雙軸表面剪切應力傳感器，該傳感器能夠確定流體運動的方向，同時測量流體運動在固體表面所產生的表面剪切應力的大小。?

實現本發明目的的技術解決方案為：一種雙軸表面剪切應力傳感器，包括固定基座、外部固定梳齒電極、外部支撐梁、浮動單元、外部固定梳齒和外部敏感梳齒，所述的外?部固定梳齒與外部敏感梳齒分別構成敏感電容，該兩個敏感電容之間構成差分電容結構，所述的外部固定梳齒分別與外部固定梳齒電極連接，由上下層構成，上層為制作在單晶硅片上的表面剪切應力傳感器機械結構，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，將固定基座、外部固定梳齒電極、外部固定梳齒、外部敏感梳齒、外部支撐梁、支撐框架、內部支撐梁、內部固定梳齒電極、內部固定梳齒、內部敏感梳齒、浮動單元設置在上層機械結構，外部敏感梳齒與支撐框架連接，該支撐框架通過外部支撐梁分別連接到固定基座，所述的固定基座安裝在玻璃襯底上的第一金屬引線鍵合點上，使上層的機械結構部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上；所述的內部支撐梁將浮動單元連接到支撐框架上；外部固定梳齒電極被固定在玻璃襯底上的第二金屬引線鍵合點上；所述的內部固定梳齒與內部固定梳齒電極連接，內部固定梳齒電極被固定在玻璃襯底上的第三金屬引線鍵合點上；所述的內部敏感梳齒與浮動單元連接，所述的內部固定梳齒與內部敏感梳齒分別構成敏感電容。?

外部敏感梳齒在平行于外部支撐梁的方向上與支撐框架連接；在流體作用下，支撐框架在垂直方向上產生位移時，外部敏感梳齒的位移方向垂直于外部固定梳齒；內部敏感梳齒在垂直于內部支撐梁的方向上與浮動單元連接；在流體作用下，浮動單元在水平方向上產生位移時，內部敏感梳齒的位移方向平行于內部固定梳齒。?

本發明與現有技術相比，其顯著優點：(1)本發明提供的這種表面剪切應力傳感器，能夠確定平面內流體的方向，同時對流體在固體表面所產生的表面剪切應力的大小進行測量。(2)本發明提供的這種表面剪切應力傳感器，采用差分電容式結構進行信號的讀出，有利于和信號采集處理電路的集成。并使用成熟可行的MEMS工藝制造，實現了器件的小型化，提高了傳感器的時間以及空間的分辨率。(3)傳感器采用差分電容的結構讀出信號，有利于器件的大量生產以及和信號采集處理電路的集成。?

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。?

圖1為目前利用微加工技術制作的表面剪切應力傳感器的結構示意圖；?

圖2為本發明提供的雙軸表面剪切應力傳感器的俯視圖；?