一种薄膜应变式摩阻传感器的制作方法

本发明涉及测量测试，具体涉及一种薄膜应变式摩阻传感器。

背景技术：

1、近年来以超燃冲压发动机为动力的吸气式高超声速技术得到了快速发展。高超声速飞行器飞行时，气流与进气道、外表面和喷管等产生摩擦，导致表面温度升高，同时表面摩擦产生较大阻力，影响飞行效率。而表面摩擦随着气流速度的增加成平方增加，所以高速气流的表面摩擦更大。此外，高超速飞行器的表面气流温度、压力很大，增加了表面摩擦复杂性。摩擦阻力最大时可占飞行器总阻力的50％，直接影响到各种飞行器的有效航程，甚至影响到超燃冲压发动机的推阻平衡，从而严重制约飞行器的性能。摩擦阻力作为阻力的重要组成部分，在整个高超声速飞行器的设计中是要首先减小的，而减阻工作必须建立在对摩擦阻力准确的测量上，所以对于高超声速摩擦阻力测量技术的研究更是具有重大意义。

2、国内外对摩擦阻力传感器的研究逐渐增多，涉及原理涵盖摩阻天平型、基于电阻或电容的浮动单元型、热膜型和preston管型。其中摩阻天平型和浮动单元型以直接测量的方式获得表面参数数据，其结果准确性最高，但是基于直接测量的方式导致温度过高、强度和灵敏度难以兼顾。专利cn103115703b公开了一种基于硅通孔技术的微型电容式壁面剪应力传感器制作方法，该传感器通过直接测量流场带来的浮动元件位移转换的电容变化反演摩擦阻力的大小，传感器核心部件本体材料为soi压阻材料，在超高声速环境下易发生损坏，且其本身对于高温环境的耐受性较差。专利cn114216648b公开了一种高频响、大量程的mems摩阻传感器，传感器基于3d视觉对准的mems微组装工艺，实现了大量程1pa～1000pa、毫秒级响应的剪应力测量，其测量原理也是基于硅材料的mems差分电容的方式，其结构安全性难以保障。

3、因此亟需发明一种能够耐受高温、结构强度、测量精度高的摩阻传感器，满足超高声速飞行器设计所需的壁面摩擦力测试技术需求。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有直接测量摩阻传感器高温耐受性差、测量灵敏度及分辨率差的问题，提供一种薄膜应变式摩阻传感器，浮动单元、应力传递杆、十字架由机加成型，通过焊接、螺纹连接、粘接的方式互连，应变电路通过mems薄膜沉积、微纳图形光刻刻蚀等工艺制备。该结构设计的薄膜电路远离浮动单元，温度耐受性更强，且由mems工艺加工制备的微电路图形一致性更好，传感器的性能指标更高。

2、本发明提供一种薄膜应变式摩阻传感器，包括相连的受力浮动单元、应力传递杆，与应力传递杆底部相连的应变十字架，连接在应变十字架上表面的绝缘介质膜层，连接在绝缘介质膜层上方且互连的温度补偿金属电路、惠斯通电路，与温度补偿金属电路、惠斯通电路均连接的金属焊盘，与金属焊盘电连接的印制板和将温度补偿金属电路、惠斯通电路与印制板电连接的金属引线；

3、应力传递杆为垂直连接在应变十字架上表面的杆状结构，受力浮动单元连接在应力传递杆上远离应变十字架的一端，受力浮动单元与应变十字架平行设置，绝缘介质膜层进行温度补偿金属电路、惠斯通电路的电隔离，印制板连接在应变十字架上表面边缘处的绝缘介质膜层上方，温度补偿金属电路进行温度补偿，惠斯通电路进行压力应变测量，温度补偿金属电路和惠斯通电路组成力电信号转换电路。

4、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，受力浮动单元为机加工成型的片状圆盘，受力浮动单元的密度小于应力传递杆的密度，应力传递杆的刚度大于受力浮动单元的刚度；

5、应变十字架为设置梁结构的板状结构；

6、绝缘介质膜层的材质为非金属绝缘材料、通过化学气相沉积或物理气相沉积方式制备；

7、绝缘介质膜层面积最小为覆盖温度补偿金属电路、惠斯通电路的底部。

8、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，受力浮动单元的材质为镁铝合金，应力传递杆的材质为不锈钢，应力传递杆与受力浮动单元、应变十字架的连接方式均为螺栓连接，受力浮动单元、应力传递杆和应变十字架均通过机加工成型；应力传递杆连接在应变十字架的中心处，受力浮动单元连接在应力传递杆的中心处；

9、绝缘介质膜层的材质为氧化硅或氮化铝。

10、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，在气动测量时，受力浮动单元表面制备与待测装备表面材料相同的涂层。

11、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，温度补偿金属电路的材料为对温度敏感的金属材料，温度补偿金属电路为温敏电阻；惠斯通电路为对应变敏感的金属或合金材料；

12、温度补偿金属电路和惠斯通电路的膜厚为100nm～1μm、通过光刻套刻的方式依次图形化；

13、温度补偿金属电路和惠斯通电路的制备方法相同；

14、温度补偿金属电路和惠斯通电路的制备方法均为：通过图形化工艺制备牺牲层后，利用离子束刻蚀沉积或者电子束蒸发的方式涂覆图层，再通过有机溶剂去除牺牲层，获得温度补偿金属电路和惠斯通电路；

15、或者通过预先沉积金属薄膜，然后采用光刻工艺制备窗口掩膜层，使用化学腐蚀或者干法刻蚀的方法去除多余金属涂层，进行温度补偿金属电路和惠斯通电路的图形化。

16、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，温度补偿金属电路的材料为镍或铂，惠斯通电路的材料为镍铬系合金或铂依合金或镍铜合金。

17、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，惠斯通电路为包括电阻r1、r2、r3、r4的电桥电路，温度补偿金属电路包括电阻r5，电阻r5与电阻r2、r3均电连接，电阻r5的另一端为信号负输入端，电阻r1、r2电连接的一端为信号正输出端，电阻r3、r4电连接的一端为信号负输出端，电阻r1、r4电连接的一端为信号正输入端；

18、温度补偿金属电路与惠斯通电路部分重叠。

19、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，金属焊盘的材质为金属；

20、印制板为中空的方框形状，印制板连接在绝缘介质膜层的上表面边缘处；

21、印制板通过螺钉紧固或高温复合胶粘接的方式与应变十字架边缘上的绝缘介质膜层固定；

22、金属引线将惠斯通桥路上的信号输入端连接至印制板的信号输入端，将惠斯通桥路上的信号输出端连接至印制板的信号输出端，将惠斯通桥路上的地端连接至印制板的地端。

23、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，薄膜应变式摩阻传感器的制备方法包括以下步骤：

24、s1、机加工制备应变十字架，通过化学气相沉积或物理气相沉积方式在应变十字架上表面沉积绝缘介质膜层；

25、s2、通过图形化工艺制备牺牲层后，利用离子束刻蚀沉积或者电子束蒸发的方式涂覆图层，使用有机溶剂去除牺牲层，获得温度补偿金属电路和惠斯通电路；

26、或者通过预先沉积金属薄膜，后采用光刻工艺制备窗口掩膜层，使用化学腐蚀或者干法刻蚀的方法去除多余金属涂层，进行温度补偿金属电路和惠斯通电路的图形化制备；

27、得到制备在绝缘介质膜层上表面且互连的温度补偿金属电路和惠斯通电路；

28、s3、通过电子束蒸发并进行高温退火的方式在温度补偿金属电路和惠斯通电路的上表面制备金属焊盘；

29、s4、通过螺钉紧固或胶接的方式将中空的印制板与应变十字架的上表面边缘处固定，温度补偿金属电路和惠斯通电路设置在印制板的中空处，使用金丝键合方式将印制板与金属焊盘互连；

30、s5、机加工制备受力浮动单元、应力传递杆，并通过螺栓拧紧的方式将受力浮动单元、应力传递杆和应变十字架连接，薄膜应变式摩阻传感器制备完成。

31、本发明所述的一种薄膜应变式摩阻传感器，作为优选方式，步骤s2中，温度补偿金属电路和惠斯通电路通过离子束刻蚀沉积，再使用光刻套刻制备掩膜、湿法腐蚀制备图形化电路。

32、受力浮动单元选用低密度材料，减小浮动单元质量，如有气动测量需求，表面制备和待测装备表面材料一致的涂层。

33、应力传递杆选用刚度大的材料，避免出现应力抵消的状况。

34、绝缘介质膜层的上方设置有温度补偿金属电路和惠斯通电路，绝缘介质膜层一般为氧化硅、氮化铝等非金属绝缘材料，采用化学气相沉积或物理气相沉积方式制备。

35、温度补偿金属电路一般为镍、铂等对温度敏感的金属材料，可以通过图形化工艺制备牺牲层后，利用离子束刻蚀沉积或者电子束蒸发的方式涂覆图层，通过有机溶剂去除牺牲层，获得补偿电路。或者通过预先沉积金属薄膜，后采用光刻工艺制备窗口掩膜层，使用化学腐蚀或者干法刻蚀的方法去除多余金属涂层，实现电路的图形化制备。

36、惠斯通电路一般选用镍铬系合金、铂依合金、镍铜合金等对应变敏感的金属或合金材料，制备方式和上述温补偿金属电路(5)方式一致。

37、印制板(8)通过螺钉紧固或高温复合胶粘接的方式与应变十字架边缘固定。

38、本发明具有以下优点：

39、(1)本发明提出的一种薄膜应变式摩阻传感器，采用半导体沉积薄膜工艺、光刻套刻及刻蚀工艺在应变敏感基体十字架上制备出微纳米级别的应变电阻薄膜，工艺简单，精准度高。灵敏度高，对高温环境耐受性强。

40、(2)本发明提出的一种薄膜应变式摩阻传感器，相比于以往的在应变梁上粘贴式应变片的摩阻传感器，应变电路部分距离热源输入处更远，且应变电路上集成了温度补偿电路，提升了传感器的耐温性能。