一种具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器及制备方法

本发明涉及结冰除冰监测领域，具体涉及一种具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器及制备方法。

背景技术：

1、飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，过冷水碰到飞机机体后许多关键部件会凝固出现结冰现象，如在机翼、尾翼前缘、螺旋桨、发动机进气口和风挡玻璃等处结冰。飞机发生轻度结冰将会降低飞机的飞行性能，主要表现为升力下降、阻力增加、升阻比大幅下降等，进而造成飞机在小迎角下出现失速或造成操纵翼面发生失效等现象而造成机毁人亡。因此对飞机关键部位的结冰状态进行精准监测预警，实时启动飞机防/除冰系统，是飞机结冰保护的基础前提和关键环节。国外对结冰探测技术的研究始于上世纪50年代，到80年代中期，结冰传感器已成为美国的多种军用及民用飞机标准装置。目前典型结冰监测技术原理主要包括光纤、磁致伸缩和压电平膜等技术。以上的结冰传感技术，均可给出飞机结冰信号，开启飞机除冰系统。但目前鲜有针对结冰传感器本身的除冰考虑。

2、声表面波传感器因其体积小、可无线无源测量的特点，符合在航空、轨道交通等领域结冰监测的发展趋势。而乐甫波是一种传播于层状结构的剪切极化的表面导波，即在支持水平剪切型声表面波(sh-saw)传播的压电基片表面覆盖波导薄层，将基片内激发的弹性波耦合到表面波导薄层之中，有效的降低声波衰减。乐甫波结冰传感的基本原理是：利用结冰过程对乐甫波产生的质量负载等物理效应所导致的声表面波传播速度及声衰减的对应变化，来实现对结冰状态及厚度的实时监测。相比于光纤、磁致伸缩、压电平膜等技术等结冰监测技术，声表面波技术具有微型、低功耗、快速响应、高灵敏、抗干扰性强等特点，特别是可以利用电磁波激励原理可实现传感器“无源”感知和传感信号的“无线”传输特点，符合航空、轨道交通等领域结冰监测的发展趋势。

3、专利201811603907.1公开了一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，包括声表面波器件和振荡电路，封装管壳、透水膜；声表面波器件外部采用封装管壳封装；透水膜设置于封装管壳开口处；声表面波振荡器表面覆盖sio2保护薄层；声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路，振荡电路检测电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。具有较高检测灵敏度、良好温度稳定性、可以及时预警结冰，使声表面波技术较为容易实施。水汽通过所述透水膜在sio2保护薄层表面结冰，使得声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路，从而进行结冰监测。

4、专利201811603907.1公开的一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，没有对结冰传感器进行封装，密闭性差；其公开的技术方案是将透过透水膜的水蒸气直接在保护薄层上结冰；一旦保护薄层破裂，水蒸气、冰层或融化的水将直接接触声表面波振荡器；水泄露会造成结冰监测不准确、电极短路或者结冰传感器的损坏。。专利201811603907.1公开的一种基于声表面波振荡器的结冰传感器还不具备自除冰功能；由于透气膜会对水蒸气进行阻隔作用，气温较低时，水蒸气会透水膜上直接结冰，从而导致水蒸气可能渗透不进传感器表面；在实际应用过程中还会导致残留液体滞留在传感芯片表面，不能及时恢复，从而影响传感器的准确度。

5、本发明提出了一种具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器及其制备方法，具有体积小、灵敏度高、温度稳定性好、工艺简单等特点，通过mems工艺将微加热器与乐甫波传感器件集成，有效的解决了实时结冰监测与传感器除冰处理的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有结冰传感器实时性差、不易实施和本身不具备除冰能力的问题，提出一种具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器及其制备方法，使得整体传感器具有小型化、高灵敏、响应快、功耗低及低成本等优点，提高了检测结冰的灵敏度、稳定性及除冰的实时性，使声表面波技术较为容易实施。本发明提出的一种具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器，包括:压电基底1、波导层2、输入换能器3、输出换能器4、透水膜7和金属封装管壳8，所述压电基底1上方依次设置有第一微加热器501、输入换能器3、pdms微流控芯片、输出换能器4和第二微加热器502；其中，

2、pdms微流控芯片与所述波导层2键合，并利用芯片封装围挡进行封装；所述pdms微流控芯片与所述芯片封装围挡共同形成pdms储水腔6；其中，

3、所述芯片封装围挡为由竖直隔板组成的矩形框，所述芯片封装围挡的下边缘与所述波导层2键合，所述芯片封装围挡的上边缘与所述金属封装管壳7的封装管帽连接；

4、所述金属封装管壳8封装管帽在pdms储水腔6对应位置设有开口；所述透水膜7设置于所述金属封装管壳8开口处；

5、所述第一微加热器501和第二微加热器502包括：由下至上依次排列的基底层51、下绝缘层522、导电层53和上绝缘层521；

6、所述第一微加热器501和所述第二微加热器502通过所述基底层51与所述压电基底1键合，并通过所述导电层53与外部控制电路连接。

7、基底层应选取具有较低热导率的材料，以便减少传热损耗，提高加热功率。

8、作为上述装置的一种改进，所述输入换能器3和输出换能器4沉积在压电基片1上；

9、所述波导层2沉积在压电基底1、输入换能器3、输出换能器4、第一微加热器501和所述第二微加热器502上；

10、金属封装管壳8，用于对声表面波器件进行封装；

11、所述声表面波器件包括：压电基片1、波导层2、输入换能器3、输出换能器4、第一微加热器501、所述第二微加热器502和pdms储水腔6；

12、所述金属封装管壳8顶部有封装管帽，并在封装管帽顶部开孔；所述透水膜7设置在所述金属封装管壳8开口处。

13、作为上述装置的一种改进，所述导电层53设计为弯曲蛇形结构，包括：加热薄膜电阻531、测温薄膜电阻532和接触电极533；其中,

14、所述加热薄膜电阻531与所述接触电极533相连，用于将电能转换为热量；

15、所述测温薄膜电阻532与另一组接触电极533相连，用于测量所述加热薄膜电阻531产生热量的温度；

16、所述接触电极533还与外控制电路相连，用于为所述加热薄膜电阻531和所述测温薄膜电阻532提供输入电流；还用于在所述加热薄膜电阻531加热过程中，测量所述测温薄膜电阻532的阻值，并基于所述测温薄膜电阻532的电阻-温度特性得到微加热器的温度。

17、作为上述装置的一种改进，所述外控制电路包括：温度采集电路和加热控制电路；其中，所述温度采集电路包括：半导体智能温度传感器；所述温度采集电路用于采集测温薄膜电阻532测量的热量温度；用于将采集到的所述热量温度转换为电压信号并发送至加热控制电路；

18、所述加热控制电路包括：加热部分和控制部分；用于控制所述加热薄膜电阻531启动；其中，

19、所述加热部分包括：三极管和继电器；所述控制部分包括：单片机。

20、作为上述装置的一种改进，所述压电基片1材料包括：36°yxlitao3、41°yxlitao3、64°yxlitao3或st-90°x石英晶体；

21、所述波导层2材料包括：su-8、pmma和sio2；所述波导层2厚度为1-3％λ；其中，λ为沿声波传播方向的声波波长

22、所述输入换能器3和输出换能器4的电极厚度为1％λ～1.5％λ；所述电极为金电极、铝电极或金铝合金电极；其中，λ为沿声波传播方向的声波波长；

23、所述透水膜7为氧化石墨烯隔气透水薄膜或聚乙烯醇壳聚糖共混复合透水膜。透水膜7为孔径大小能透过体积较小的水分子的，具有渗透蒸发分离性能的透水膜，使得水分进入到传感器件表面，水汽通过透水膜，在满足一定的温湿度条件下，可在pdms储水腔内实现结冰表征。

24、为实现本发明的再一目的，本发明提供一种具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器的制备方法，包括以下步骤：

25、所述压电基底1上方依次设置有第一微加热器501、输入换能器3、pdms微流控芯片、输出换能器4和第二微加热器502；其中，

26、pdms微流控芯片与所述波导层2键合，并利用芯片封装围挡进行封装；所述pdms微流控芯片与所述芯片封装围挡共同形成pdms储水腔6；其中，

27、所述芯片封装围挡为由竖直隔板组成的矩形框，所述芯片封装围挡的下边缘与所述波导层2键合，所述芯片封装围挡的上边缘与所述金属封装管壳7的封装管帽连接；

28、所述金属封装管壳8封装管帽在pdms储水腔6对应位置设有开口；所述透水膜7设置于所述金属封装管壳8开口处；

29、所述第一微加热器501和第二微加热器502包括：由下至上依次排列的基底层51、下绝缘层522、导电层53和上绝缘层521；

30、所述第一微加热器501和所述第二微加热器502通过所述基底层51与所述压电基底1键合，并通过所述导电层53与外部控制电路连接。

31、作为上述方法的一种改进，所述芯片封装围挡的制作方法包括：模塑法。

32、作为上述方法的一种改进，所述第一微加热器501和第二微加热器502的所述下绝缘层522、导电层53和上绝缘层521采用mems工艺制作。

33、作为上述方法的一种改进，所述第一微加热器501和第二微加热器502的具体制作过程包括：

34、对所述基底层51进行预处理，所述预处理包括：射频等离子体处理、预键合处理和热处理；并将所述基底层51与所述压电基底1通过化合键结合进行键合；

35、将所述下绝缘层522镀在所述基底层51上；

36、通过溅射工艺在所述下绝缘层522上方制作导电层53，并对导电层53进行刻蚀得到所需的形状；

37、所述上绝缘层521镀在所述导电层53上方。

38、作为上述方法的一种改进，所述导电层53的材质包括：铝、银、铜、铂、镍、镉、铝基复合材料、银基复合材料、铜基复合材料、铂基复合材料、镍基复合材料、镉基复合材料、正温度系数陶瓷ptc陶瓷或铁电半导体陶瓷；所述导电层53厚度为0.5％λ～20％λ；所述上绝缘层521和下绝缘层522的材质包括：硅或硅基复合材料；所述上绝缘层521和下绝缘层522的厚度为0.5％λ～5％λ；

39、作为上述方法的一种改进，基底层51、绝缘层52、和导电层53的材料，采用与相邻层材料附着力较强的材料进行组合，以增强微加热器整体的性能和寿命。

40、本发明的优点在于：

41、1、本发明的具有自除冰功能的乐甫波结冰传感器设计及其制备方法利用mems工艺实现微加热器与乐甫波传感器件的集成，通过温度采集电路和加热控制电路控制，在有冰出现的同时开启除冰功能，具有良好的实时性与可操作性，实现结冰监测与除冰一体化。

42、2、本发明用于除冰功能的微加热器采用通过多层薄膜工艺，结合应力消除方法和各层材料的合理搭配，可以克服普通微加热器结构脆弱、快速升温时易碎及耐磨性低的缺陷，具有升温效率高、耐功率强、工作稳定寿命长的特点；

43、3、本发明的乐甫波结冰传感器件采用的pdms材料设计微流控芯片与芯片封装围挡共同形成pdms储水腔6，将微流控芯片键合在传感器上，利用储水腔6对器件表面进行封装，可以防止水泄露引起电极短路。