[發(fā)明專利]熱敏表面剪切應力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910029924.3
• 申請日: 2009-03-27
• 公開（公告）號: CN101520351A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發(fā)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: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20;G01N13/00;B81B7/02;B81C5/00
• 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(fā)明屬于微機電系統(MEMS)技術領域，特別是一種熱敏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(yè)控制以及生物醫(yī)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(yōu)點使得基于MEMS技術的剪應力傳感器具有顯著的優(yōu)點。基于MEMS技術的表面剪切應力傳感器主要可以分為兩類，一種是直接測量技術，例如浮動單元型器件；另一種是間接測量技術，例如熱敏型傳感器。相對于傳統的熱敏型剪切應力傳感器，基于MEMS技術的熱敏型剪切應力傳感器提高了敏感元件與襯底之間的熱絕緣，同時由于MEMS技術所有具有的微小尺度的特點，使得基于MEMS技術的熱敏型剪切應力具有以下優(yōu)點：提高了時間和空間分辨率、較高靈敏度、較低功耗，而且降低了敏感元件與襯底之間的不穩(wěn)定熱傳導所帶來的復雜性。

已有報道的利用MEMS技術制作的結構如圖1、圖2所示(Liu?C，Tai?YC，HuangJ，Ho?CM.Surface?micromachined?thermal?shear-stress?sensor.In：Proceedings，The?ASMESymposium?on?Application?of?Microfabrication?to?Fluid?Mechanics，ASME?Winter?AnnualMeeting，Chicago，1994.p.9-15.)，圖1為目前利用微加工技術制作的熱敏表面剪切應力傳感器的結構示意圖。圖2為該結構的剖面示意圖。其中，10是加熱及熱敏電阻絲，20是流體的流動方向，該方向垂直于電阻絲10，30是支撐薄膜，40是硅襯底，50是隔熱腔體，降低電阻絲10與硅襯底40之間的熱交換。傳感器工作時，對電阻絲10加熱，使電阻絲的溫度高于流體的溫度。當流體運動經過電阻絲表面時，電阻絲10的溫度隨著在流體環(huán)境中對流傳熱的變化而變化，同時，電阻絲10的溫度變化也會導致所述電阻絲電阻的變化，通過監(jiān)控所述電阻絲10的電阻變化與溫度的關系可以獲得流體在傳感器表面產生的表面剪切應力的大小。

這種結構的最大問題是需要將加熱及熱敏電阻絲10定向放置，使其垂直于流體的運動方向。因而，這種結構只能測量表面剪切引力的大小，無法同時獲得表面剪切應力?的方向的信息。當應用于方向未知的流體、或者方向會發(fā)生改變的流體，所述傳感器結構具有很大局限性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種熱敏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(fā)明目的的技術解決方案為：一種熱敏表面剪切應力傳感器，包括加熱/熱敏線圈、支撐薄膜、隔熱溝、支撐梁、熱敏電極、電絕緣薄膜、硅襯底和引線電極，通過淀積在所述的硅襯底表面形成支撐薄膜和電絕緣薄膜，該支撐薄膜下面的襯底被刻蝕掉，并對加熱/熱敏線圈起支撐作用；該支撐薄膜和電絕緣薄膜通過支撐梁連接，并在電絕緣薄膜上制備出相互獨立的熱敏電極，該熱敏電極均勻分布在所述加熱/熱敏線圈的外邊緣，在該加熱/熱敏線圈與熱敏電極之間為隔熱溝，同時該加熱/熱敏線圈與熱敏電極分別通過引線電極與外部電路相連；支撐薄膜和加熱/熱敏線圈均為圓形。

本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點：(1)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)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。

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明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是本發(fā)明目前利用微加工技術制作的表面剪切應力傳感器的剖面結構示意圖。

圖3是本發(fā)明提供的熱敏表面剪切應力傳感器的結構示意圖。

圖4是本發(fā)明圖3所示的熱敏表面剪切應力傳感器的剖面結構示意圖。

圖5是本發(fā)明提供的熱敏表面剪切應力傳感器的另一種實施結構示意圖。

具體實施方式