專利名稱：表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種集成了敏感結(jié)構(gòu)和處理電 路的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器。
背景技術(shù)：
表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器是測(cè)量氣體流經(jīng)固體表面時(shí)與固體表面摩擦剪切應(yīng)力 的器件，應(yīng)用于流體力學(xué)和航空航天領(lǐng)域。表面摩擦剪切應(yīng)力的測(cè)量可以通過(guò)直接方式或 者間接方式，其中間接方式的測(cè)量不適合流速較高的流體。對(duì)于直接測(cè)量傳感器，一般采用 MEMS技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。MEMS技術(shù)所具有的小型化特點(diǎn)使得表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器具有較 高的時(shí)間和空間分辨率，從而不僅提高了對(duì)表面摩擦剪切應(yīng)力檢測(cè)的精度，而且減小了對(duì) 流場(chǎng)的影響。1988年khmidt首次提出了微制造浮子式剪切應(yīng)力傳感器并加以實(shí)現(xiàn)。作為直 接測(cè)量的浮子式剪切應(yīng)力傳感器在理論上具有檢測(cè)復(fù)雜流場(chǎng)表面摩擦力的能力，因此這種 形式的傳感器被廣泛研究并得到了改進(jìn)。在上個(gè)世紀(jì)90年代初，Ng K和Goldberg HD對(duì) khmidt的工作做了進(jìn)一步延伸。1999年，Pan Τ,Hyman D等提出了一種力反饋電容設(shè)計(jì)。 到最近幾年，Α.0’ Grady利用新型襯底通孔互連和電容遠(yuǎn)程測(cè)量電路來(lái)使得傳感器可以應(yīng) 用于高溫、高剪切力工作環(huán)境。在國(guó)內(nèi)，也有關(guān)于浮子式表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器的報(bào)道。 例如南京理工大學(xué)的黃欽文、蘇巖在2008年12月申請(qǐng)的專利“雙軸表面摩擦剪切應(yīng)力傳感 器”中，提出了 一種雙軸式的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，這種結(jié)構(gòu)不僅可以確定剪切應(yīng)力的 大小，還可以檢測(cè)應(yīng)力的方向。但是上述報(bào)道都是對(duì)基于MEMS傳感器敏感結(jié)構(gòu)的研究。由于測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，通常 為超高音速氣體流場(chǎng)，如果對(duì)敏感結(jié)構(gòu)和處理電路保護(hù)不當(dāng)，不僅影響傳感器的測(cè)試精度， 甚至可能導(dǎo)致敏感結(jié)構(gòu)或者處理電路的損壞和失效；另一方面，基于MEMS技術(shù)的敏感結(jié)構(gòu) 具有小型化的特點(diǎn)，因此傳感器整體體積小型化才能體現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)小型化的優(yōu)勢(shì)，傳感器 整體體積小型化是測(cè)試表面摩擦剪切應(yīng)力場(chǎng)合的需要，也是減小傳感器對(duì)流場(chǎng)影響的必要 條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、測(cè)試精度高、抗環(huán)境能力強(qiáng)的表面摩擦剪切 應(yīng)力傳感器。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，集成了外部封裝 殼體、敏感結(jié)構(gòu)和處理電路，外部封裝殼體由上殼體、下殼體連接而成，上殼體分為從上到 下內(nèi)徑逐步增大的三段腔體，敏感結(jié)構(gòu)固定在上層PCB板上，敏感結(jié)構(gòu)和上層PCB板作為 一個(gè)整體安裝在上腔體內(nèi)，敏感結(jié)構(gòu)的上表面構(gòu)成傳感器測(cè)試表面，該測(cè)試表面與上殼體 上端面齊平，且敏感結(jié)構(gòu)周圍通過(guò)填充膠填充，處理電路分別設(shè)置在上下層PCB板上，下層 PCB板安裝在下腔體內(nèi)，上下層PCB板通過(guò)導(dǎo)線連接，下殼體上加工一個(gè)與外部連接的固定裝置，測(cè)試導(dǎo)線一端連接下層PCB板，另一端穿過(guò)下殼體的通孔與外部測(cè)試設(shè)備連接；處理 電路包括載波發(fā)生電路、差分放大電路、解調(diào)電路和低通濾波電路，敏感結(jié)構(gòu)分別與載波發(fā) 生電路、差分放大電路連接，載波發(fā)生電路、差分放大電路分別與解調(diào)電路連接，解調(diào)電路 與低通濾波電路連接，敏感結(jié)構(gòu)將表面摩擦剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)化為敏感結(jié)構(gòu)的位移信號(hào)，梳齒結(jié) 構(gòu)則將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路電容信號(hào)，載波信號(hào)由載波發(fā)生電路產(chǎn)生，載波信號(hào)作用在敏 感結(jié)構(gòu)上，對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將兩路電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路調(diào)制過(guò)的電流信號(hào)，再通過(guò)差 分放大電路將兩路電流信號(hào)差分放大后輸出電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過(guò)解調(diào)電路對(duì)輸出的 電壓信號(hào)解調(diào)成解調(diào)信號(hào)，該解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通濾波電路得到的直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)試導(dǎo) 線輸出。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(1)集成了外部封裝殼體、敏感結(jié)構(gòu)和處理 電路；(2)敏感結(jié)構(gòu)通過(guò)填充膠與外部封裝殼體連接，安裝簡(jiǎn)單，且大大減小了超高音速流 場(chǎng)中的振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的影響，使得敏感結(jié)構(gòu)可以正常工作在惡劣的流 場(chǎng)環(huán)境下；(3)傳感器采用了基于MEMS技術(shù)加工的敏感結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)了上下兩層PCB板 作為處理電路，充分利用了縱向的空間，大大減小了傳感器的體積；(4)處理電路安裝在外 部封裝殼體內(nèi)，在環(huán)境復(fù)雜的氣體流場(chǎng)中有效地保護(hù)了處理電路，大大減小了流場(chǎng)對(duì)微弱 信號(hào)的影響；( 傳感器的體積小，且敏感結(jié)構(gòu)上表面與傳感器的測(cè)試面齊平，大大減小了 對(duì)流場(chǎng)的影響；(6)傳感器外部封裝殼體中的定位平面保證了裝配的方向性，并采用填充 膠連接各個(gè)組成部分，從而整表裝配簡(jiǎn)單。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器敏感結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器系統(tǒng)工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，集成了外部封裝殼體100、敏感結(jié)構(gòu) 200和處理電路300，外部封裝殼體100由上殼體110、下殼體120連接而成，上殼體110分 為從上到下內(nèi)徑逐步增大的三段腔體，敏感結(jié)構(gòu)200固定在上層PCB板310上，敏感結(jié)構(gòu) 200和上層PCB板310作為一個(gè)整體安裝在上腔體內(nèi)，敏感結(jié)構(gòu)200的上表面構(gòu)成傳感器測(cè) 試表面101，該測(cè)試表面101與上殼體110上端面113齊平，大大減小了對(duì)流場(chǎng)的影響，且大 大減小了超高音速流場(chǎng)中的振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的影響，使得敏感結(jié)構(gòu)可以 正常工作在惡劣的流場(chǎng)環(huán)境下。敏感結(jié)構(gòu)200周圍通過(guò)填充膠130填充，處理電路300分 別設(shè)置在上下層PCB板310、320上，下層PCB板320安裝在下腔體內(nèi)，上下層PCB板310、 320通過(guò)導(dǎo)線330連接。下層PCB板320通過(guò)上殼體110中的凸臺(tái)112定位，通過(guò)周圍填充 膠140固定。上下兩層PCB板設(shè)計(jì)，有效地利用了縱向空間，節(jié)省了平面空間；且處理電路 300安裝在上殼體110內(nèi)，在環(huán)境復(fù)雜的氣體流場(chǎng)中有效地保護(hù)了處理電路，大大減小了流 場(chǎng)對(duì)微弱信號(hào)的影響。下殼體120上加工一個(gè)與外部連接的固定裝置122(可以是外螺紋、 法蘭結(jié)構(gòu)、卡口結(jié)構(gòu))，測(cè)試導(dǎo)線340 —端連接下層PCB板320，另一端穿過(guò)下殼體120的通孔121與外部測(cè)試設(shè)備連接。上殼體110和下殼體120之間采用連接膠150連接和固定。 如圖1 (b)所示，上殼體110上表面113含有確定傳感器方向的定位半圓111，在裝配敏感結(jié) 構(gòu)200時(shí)，敏感結(jié)構(gòu)200的敏感軸201方向與定位半圓111所指的方向垂直。整個(gè)傳感器 殼體的最大直徑僅為15. 4mm，長(zhǎng)度25mm，體積小對(duì)流場(chǎng)的影響較小。處理電路300包括載波發(fā)生電路390、差分放大電路360、解調(diào)電路370和低通濾 波電路380，敏感結(jié)構(gòu)200分別與載波發(fā)生電路390、差分放大電路360連接，載波發(fā)生電路 390、差分放大電路360分別與解調(diào)電路370連接，解調(diào)電路370與低通濾波電路380連接， 敏感結(jié)構(gòu)200將表面摩擦剪切應(yīng)力001轉(zhuǎn)化為敏感結(jié)構(gòu)200的位移信號(hào)002，梳齒結(jié)構(gòu)則將 位移信號(hào)002轉(zhuǎn)化為兩路電容信號(hào)003a、003b，載波信號(hào)301由載波發(fā)生電路390產(chǎn)生，載 波信號(hào)301作用在敏感結(jié)構(gòu)200上，對(duì)電容信號(hào)003進(jìn)行調(diào)制350，將兩路電容信號(hào)003a、 003b轉(zhuǎn)化為兩路調(diào)制過(guò)的電流信號(hào)0(Ma、004b，再通過(guò)差分放大電路360將兩路電流信號(hào) 差分放大后輸出電壓信號(hào)005，該電壓信號(hào)005通過(guò)解調(diào)電路370對(duì)輸出的電壓信號(hào)005解 調(diào)成解調(diào)信號(hào)006，該解調(diào)信號(hào)006通過(guò)低通濾波電路380得到的直流電壓信號(hào)007經(jīng)過(guò)測(cè) 試導(dǎo)線340輸出。如圖2所示為本發(fā)明提供的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器敏感結(jié)構(gòu)200的結(jié)構(gòu)示意 圖。敏感結(jié)構(gòu)基于MEMS技術(shù)，通過(guò)體微加工SOG工藝制造。敏感結(jié)構(gòu)200采用MEMS技術(shù) 加工，由上下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的 金屬引線270a、270b、270c，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊210，基座220a、220b、220c、220d，活動(dòng)梳 齒 280a、280b、280c、280d，固定梳齒 240a、240b、240c、240d，支撐梁 230a、230b、230c、230d， 固定電極250a、250b、250c、250d，質(zhì)量塊210通過(guò)四個(gè)角上的支撐梁230a、230b、230c、230d 分別與基座220a、220b、220c、220d相連，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部 分之上；活動(dòng)梳齒280a、^Ob、280c、^Od沿敏感軸201對(duì)稱分布在質(zhì)量塊210的兩側(cè)上，并 與固定梳齒240a、MOb、240c、MOd形成四組檢測(cè)電容，固定梳齒240a、MOb、240c、240d通 過(guò)固定電極250a、250b、250c、250d固定在玻璃襯底上。當(dāng)質(zhì)量塊210在表面摩擦剪切應(yīng)力 001的作用下，敏感結(jié)構(gòu)200沿敏感軸201方向產(chǎn)生位移信號(hào)002，從而四組檢測(cè)電容發(fā)生 變化，且上下兩組檢測(cè)電容構(gòu)成差分檢測(cè)。四組檢測(cè)電容分為上下兩部分，形成差分檢測(cè)。當(dāng)質(zhì)量塊210在表面摩擦剪切應(yīng) 力001的作用下，敏感結(jié)構(gòu)200沿著敏感軸201方向產(chǎn)生位移002，從而改變檢測(cè)電容，檢測(cè) 電容的變化量正比于位移002，通過(guò)處理電路準(zhǔn)確地讀出該電容變化值就能準(zhǔn)確反映測(cè)試 表面101摩擦剪切應(yīng)力001的大小。如圖3所示為本發(fā)明提供的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器系統(tǒng)工作原理示意圖。輸入 信號(hào)表面摩擦剪切應(yīng)力001作用在敏感結(jié)構(gòu)200的質(zhì)量塊210上產(chǎn)生位移002。如式(1) 所示mfZ + D^- + ky = -TA(1)其中，m為質(zhì)量塊210的質(zhì)量，k為敏感結(jié)構(gòu)200等效的彈性系數(shù)，D為敏感結(jié)構(gòu) 200的阻尼系數(shù)，y為敏感結(jié)構(gòu)200在敏感軸201方向的位移，τ為輸入信號(hào)表面摩擦剪切 應(yīng)力001，A為質(zhì)量塊210與流場(chǎng)接觸的表面積。位移信號(hào)002通過(guò)梳齒結(jié)構(gòu)(固定梳齒280和對(duì)應(yīng)的活動(dòng)梳齒240所構(gòu)成的結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)化成為一組電容信號(hào)303a、303b。如式(2)所示，在一定范圍內(nèi)，這組電容信號(hào)的差 分值和位移y成正比。
權(quán)利要求
1.一種表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，其特征在于集成了外部封裝殼體(100)、敏感結(jié)構(gòu) (200)和處理電路(300)，外部封裝殼體(100)由上殼體(110)、下殼體(120)連接而成， 上殼體(110)分為從上到下內(nèi)徑逐步增大的三段腔體，敏感結(jié)構(gòu)(200)固定在上層PCB 板(310)上，敏感結(jié)構(gòu)(200)和上層PCB板(310)作為一個(gè)整體安裝在上腔體內(nèi)，敏感結(jié) 構(gòu)O00)的上表面構(gòu)成傳感器測(cè)試表面(101)，該測(cè)試表面(101)與上殼體(110)上端面 (113)齊平，且敏感結(jié)構(gòu)(200)周圍通過(guò)填充膠(130)填充，處理電路(300)分別設(shè)置在上 下層PCB板(310、320)上，下層PCB板(320)安裝在下腔體內(nèi)，上下層PCB板(310、320) 通過(guò)導(dǎo)線(330)連接，下殼體(120)上加工一個(gè)與外部連接的固定裝置(122)，測(cè)試導(dǎo)線 (340) 一端連接下層PCB板(320)，另一端穿過(guò)下殼體(120)的通孔(121)與外部測(cè)試設(shè)備 連接；處理電路(300)包括載波發(fā)生電路(390)、差分放大電路(360)、解調(diào)電路(370)和 低通濾波電路(380)，敏感結(jié)構(gòu)(200)分別與載波發(fā)生電路(390)、差分放大電路(360)連 接，載波發(fā)生電路(390)、差分放大電路(360)分別與解調(diào)電路(370)連接，解調(diào)電路(370) 與低通濾波電路(380)連接，敏感結(jié)構(gòu)(200)將表面摩擦剪切應(yīng)力(001)轉(zhuǎn)化為敏感結(jié)構(gòu) (200)的位移信號(hào)(002)，梳齒結(jié)構(gòu)則將位移信號(hào)(002)轉(zhuǎn)化為兩路電容信號(hào)(003a、00;3b)， 載波信號(hào)(301)由載波發(fā)生電路(390)產(chǎn)生，載波信號(hào)(301)作用在敏感結(jié)構(gòu)(200)上，對(duì) 電容信號(hào)(00 進(jìn)行調(diào)制(350)，將兩路電容信號(hào)(003a、003b)轉(zhuǎn)化為兩路調(diào)制過(guò)的電流 信號(hào)(004a、004b)，再通過(guò)差分放大電路(360)將兩路電流信號(hào)差分放大后輸出電壓信號(hào)(005)，該電壓信號(hào)(00 通過(guò)解調(diào)電路(370)對(duì)輸出的電壓信號(hào)(00 解調(diào)成解調(diào)信號(hào)(006)，該解調(diào)信號(hào)(006)通過(guò)低通濾波電路(380)得到的直流電壓信號(hào)(007)經(jīng)過(guò)測(cè)試導(dǎo) 線(340)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，其特征在于上殼體(110)上 表面(113)含有確定傳感器方向的定位半圓(111)，在裝配敏感結(jié)構(gòu)(200)時(shí)，敏感結(jié)構(gòu) (200)的敏感軸(201)方向與定位半圓(111)所指的方向垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，其特征在于下層PCB板(320)通 過(guò)上殼體(110)中的凸臺(tái)(112)定位，通過(guò)周圍填充膠(140)固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，其特征在于敏感結(jié)構(gòu)(200)采 用MEMS技術(shù)加工，由上下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在 玻璃襯底上的金屬引線(270a、270b、270c)，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊QlO)，基座(220a、220b、 220c、220d)，活動(dòng)梳齒(280a、280b、280c、280d)，固定梳齒(240a、240b、240c、240d)，支撐 梁(230a、230b、230c、230d)，固定電極(250a、250b、250c、250d)，質(zhì)量塊(210)通過(guò)四個(gè)角 上的支撐梁(230a、230b、230c、230d)分別與基座(220a、220b、220c、220d)相連，使上層的 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上；活動(dòng)梳齒O80a、280bJ80C、280d)沿敏感 軸(201)對(duì)稱分布在質(zhì)量塊O10)的兩側(cè)上，并與固定梳齒(M0a、240b、M0c、240d)形成 四組檢測(cè)電容，固定梳齒(240a,240b,240c,240d)通過(guò)固定電極(250a、250b、250c、250d) 固定在玻璃襯底上；當(dāng)質(zhì)量塊(210)在表面摩擦剪切應(yīng)力(001)的作用下，敏感結(jié)構(gòu)(200) 沿敏感軸O01)方向產(chǎn)生位移信號(hào)(002)，從而四組檢測(cè)電容發(fā)生變化，且上下兩組檢測(cè)電 容構(gòu)成差分檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種集成了外部封裝殼體、敏感結(jié)構(gòu)、處理電路的表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器，所述表面摩擦剪切應(yīng)力傳感器由外部封裝殼體、敏感結(jié)構(gòu)和處理電路三個(gè)部分組成。所述敏感結(jié)構(gòu)的上表面與傳感器測(cè)試表面齊平，在表面摩擦剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生位移，梳齒結(jié)構(gòu)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電容信號(hào)，通過(guò)處理電路，將電容信號(hào)線性轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后輸出。整個(gè)傳感器殼體的最大直徑僅為15.4mm，長(zhǎng)度25mm。利用本發(fā)明，能夠有效地測(cè)試在超高音速氣體流場(chǎng)下的表面摩擦剪切應(yīng)力，傳感器整體體積具有小型化的特點(diǎn)，并且在環(huán)境復(fù)雜的氣體流場(chǎng)中有效地保護(hù)了敏感結(jié)構(gòu)和處理電路。
文檔編號(hào)G01L9/12GK102109402SQ20101056514
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)