第42卷第7期 雷强等:MEMS壁面剪切应力传感器研究进展 3 移位移(剪切应力)呈线性关系,这个位移变量通过容值与剪切应力的大小成正比。该传感器采用多晶 片外的跨阻放大器进行检测。在校准过程中,该传感硅表面微加工制造和片上封装工艺,在层流层中的 器的差分电容检测方案在层流层中线性响应可以达线性响应输出可达4Pa(5Pa时表现出非线性),这 到12Pa,但是该传感器的谐振频率和本地噪声却没种叉指电极浮动元件结构大大促进了浮动元件剪切 有报道。由于湿度的变化会改变聚酰亚胺的机械性应力传感器的发展。 能(残余应力),这会导致机械灵敏度的漂移,传感器 Zha等报道了一种 MEMS浮动元件传感器 的平行板空气介质界面带电物质的积累也会造成灵阵列用于剪切应力测量。该传感器拥有一个可移动的 敏度的漂移,高输入阻抗使得电磁干扰对灵敏度的中心梭子(浮动元件),中心梭子通过折叠梁攴撑悬 影响很大。 空,通过检测中心梭子两侧叉指电极差分电容的变化 Pan和 Hyman等首次将叉指电极引入浮动量来测量横向位移。传感器的机械机构如图4所示, 元件剪切应力传感器,减少了制造工艺的复杂度,从4个内梁和外梁通过锚点固定在基底上,折叠梁结构 此便将叉指电极应用到浮动元件剪切应力电容检用来减少制造过程所引入的残余应力。 测。如图3所示,其工作原理是浮动元件在流体中偏为了增加传感器的灵敏度,可以增加浮动元件 移改变了两个叉指的重叠区域面积(电容),差分电与流体相互接触的有效面积,在中心梭子的表面上 制造一些表面凸起物,如图4所示。整个芯片(1cm2) 浮动元件 内嵌导体 的256个传感器单元被分成16组(2mm2),可以单 独测量每组的局部剪切应力和平均剪切应力。传感 器阵列结构的主要优点是单个元件或者单组在制造 或工作过程中发生故障不会影响整个芯片的功能, 钝化电极 这有利于传感器在非常恶劣的环境中工作。 Padmanabhan等2-提出了基于光电二极管的 检测方法,用于湍流测量的剪切应力传感器。如图5 520μm 片内 片外 图2 Schmidt差分电容读出电路示意图 折叠梁 中心梭子 浮动元件 ■结构层 表面凸起物 000000 000000 叉指 000000 000.000 图4Zhao浮动元件传感器结构原理图 相干于光源 (a)俯视图 浮动元件 C 光电二极管 (b)又指结构示意图 型硅基底 图3Pan和 Hyman差分电容传感器结构示意图 图5光电二极管检测原理图第 42 卷第 7 期 + - Vd 片外 片内 Csb1 Csb2 VDS 钝化电极 硅 Cps1 Cdp Cps2 浮动元件 内嵌导体 图 2 Schmidt 差分电容读出电路示意图 流体 n+ n+ p-型硅基底 光电二极管 n-型硅 浮动元件 相干光源 图 5 光电二极管检测原理图 移位移渊剪切应力冤呈线性关系袁这个位移变量通过 片外的跨阻放大器进行检测遥在校准过程中袁该传感 器的差分电容检测方案在层流层中线性响应可以达 到 12 Pa袁但是该传感器的谐振频率和本地噪声却没 有报道遥 由于湿度的变化会改变聚酰亚胺的机械性 能渊残余应力冤袁这会导致机械灵敏度的漂移袁传感器 的平行板空气介质界面带电物质的积累也会造成灵 敏度的漂移袁高输入阻抗使得电磁干扰对灵敏度的 影响很大遥 Pan 和 Hyman 等[7-9]首次将叉指电极引入浮动 元件剪切应力传感器袁减少了制造工艺的复杂度袁从 此便将叉指电极应用到浮动元件剪切应力电容检 测遥如图 3 所示袁其工作原理是浮动元件在流体中偏 移改变了两个叉指的重叠区域面积渊电容冤袁差分电 容值与剪切应力的大小成正比遥 该传感器采用多晶 硅表面微加工制造和片上封装工艺袁在层流层中的 线性响应输出可达 4 Pa渊5 Pa 时表现出非线性冤袁这 种叉指电极浮动元件结构大大促进了浮动元件剪切 应力传感器的发展遥 Zhao 等[10-11]报道了一种 MEMS 浮动元件传感器 阵列用于剪切应力测量遥该传感器拥有一个可移动的 中心梭子渊浮动元件冤袁中心梭子通过折叠梁支撑悬 空袁通过检测中心梭子两侧叉指电极差分电容的变化 量来测量横向位移遥 传感器的机械机构如图 4 所示袁 4 个内梁和外梁通过锚点固定在基底上袁折叠梁结构 用来减少制造过程所引入的残余应力遥 为了增加传感器的灵敏度袁可以增加浮动元件 与流体相互接触的有效面积袁在中心梭子的表面上 制造一些表面凸起物袁如图 4 所示遥整个芯片渊1 cm2冤 的 256 个传感器单元被分成 16 组渊2 mm2冤袁可以单 独测量每组的局部剪切应力和平均剪切应力遥 传感 器阵列结构的主要优点是单个元件或者单组在制造 或工作过程中发生故障不会影响整个芯片的功能袁 这有利于传感器在非常恶劣的环境中工作遥 Padmanabhan 等[12-13]提出了基于光电二极管的 检测方法袁用于湍流测量的剪切应力传感器遥 如图 5 雷 强等：MEMS 壁面剪切应力传感器研究进展 图 3 Pan 和 Hyman 差分电容传感器结构示意图 V- V+ C1 C2 渊b冤叉指结构示意图 渊a冤俯视图 V- 系绳 浮动元件 锚 释放孔 V+ 图 4 Zhao 浮动元件传感器结构原理图 L W d 520滋m 叉指 折叠梁 中心梭子 锚层 结构层 表面凸起物 3