CN112978670B - 扭转式仿生纤毛流速传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扭转式仿生纤毛流速传感器装置，包括：纤毛、硅结构层、金属电极与引线引脚层以及Pyrex玻璃层；自上而下依次设置纤毛、硅结构层、金属电极与引线引脚层以及Pyrex玻璃层；所述硅结构层包括：电容上极板；所述纤毛紧固连接于电容上极板上；所述金属电极与引线引脚层包括：电容上极板电极引线引脚、电容下极板与其电极引线引脚；所述电容上极板电极引线引脚和电容下极板电极引线引脚设置于金属引脚层的上部；所述电容下极板设置于金属引脚层的下部；所述Pyrex玻璃层设置于扭转式仿生纤毛流速传感器装置的底部。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域的传感器技术领域，具体地，涉及一种扭转式仿生纤毛流速传感器装置。
背景技术
流速和壁面剪应力传感器是流体测量中重要的传感器，它们被广泛地用于环境气象监测、流体传输的过程控制、飞行器和水中航行体的流场检测和主动流场控制等。
流体运动与人类的生活息息相关，大到海洋和空气，小到人类的血液循环。精细化流速测量水平对于航空航天、医疗、制药、汽车制造、工业控制和化工等研究和应用领域发展有着重要的影响。传统的流体流速测量方法主要包括气压法、机械法、散热法和激光粒子图像测速法。对于气压法、散热率法、机械法测量流速时虽然有着测量原理简单和制作方便等优点，但是较难精确测量，一般来说只有1-5％的精度且测量量程较小。
近年来，微机电***(MEMS)技术的发展，为高灵敏度、高分辨率、结构简单、小型化、高集成度、可在恶劣环境下工作、抗干扰性能好等提供了可靠的技术途径。纤毛感受器广泛存在于自然界的动物中，运用纤毛感受器进行流场感知的动物依靠纤毛感知***可以完成导航定位、躲避捕食者、实现捕食。经过千百万年的优胜劣汰、自然进化，它们的纤毛感知***形成了对复杂多变自然流场环境的高度适应性，整体性能极为完善和高效。为此，科研人员开展了仿生纤毛流速传感器研究工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种扭转式仿生纤毛流速传感器装置。
根据本发明提供的一种扭转式仿生纤毛流速传感器装置，包括：纤毛、硅结构层、金属电极与引线引脚层以及Pyrex玻璃层；自上而下依次设置纤毛、硅结构层、金属电极与引线引脚层以及Pyrex玻璃层；所述硅结构层包括：电容上极板；所述纤毛紧固连接于电容上极板上；所述金属引脚层包括：电容上极板电极引线引脚、电容下极板电极引线引脚、电容下极板；所述电容上极板电极引线引脚和电容下极板电极引线引脚设置于金属引脚层的上部；所述电容下极板设置于金属引脚层的下部；所述Pyrex玻璃层设置于扭转式仿生纤毛流速传感器装置的底部。
优选地，包括：所述Pyrex玻璃层包括：Pyrex玻璃；
所述Pyrex玻璃的表面向下刻蚀形成电容间隙。
优选地，所述硅结构层包括：悬臂梁、支撑结构。
所述悬臂梁与支撑结构相连。
优选地，所述硅结构层使用干法刻蚀制备。
优选地，硅结构层使用湿法刻蚀制备。
优选地，硅结构层采用如下方法制备：
步骤S1：清洗Pyrex玻璃作为基片；
步骤S2：在Pyrex玻璃上溅射Cr；
步骤S3：在溅射Cr的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S4：湿法刻蚀玻璃，随后除去光刻胶和铬；
步骤S5：Pyrex玻璃上溅射Cr/Au；
步骤S6：在溅射Cr/Au的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S7：离子束刻蚀Cr/Au得到电极引线引脚和电容下极板，然后去胶；
步骤S8：阳极键合低阻硅片和Pyrex玻璃；
步骤S9：减薄键合后的硅至设定的厚度；
步骤S10：采用光刻胶掩膜，DRIE刻蚀硅玻璃片制作电容上极板；
步骤S11：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛柱。
优选地，硅结构层采用如下方法制备：
步骤M1：清洗Pyrex玻璃作为基片；
步骤M2：在Pyrex玻璃上溅射Cr；
步骤M3：在溅射Cr的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤M4：湿法刻蚀玻璃，随后除去光刻胶和铬；
步骤M5：Pyrex玻璃上溅射Cr/Au；
步骤M6：在溅射Cr/Au的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤M7：离子束刻蚀Cr/Au得到电极引线引脚和电容下极板，然后去胶；
步骤M8：阳极键合低阻硅片和Pyrex玻璃；
步骤M9：减薄键合后的硅至设定的厚度；
步骤M10：在硅表面制备一层二氧化硅；
步骤M11：光刻胶掩膜，干法/湿法刻蚀二氧化硅；
步骤M12：二氧化硅掩膜，湿法刻蚀硅-玻璃片制作电容上极板；
步骤M13：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛柱。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提前制备运动间隙，可以解决现有技术中牺牲层释放易黏附的缺陷；
2、本发明中，传感器加工工艺流程相对于其他流速传感器较少，易于加工；
3、本发明采用差分电容的工作原理，检测灵敏度高，受环境温度影响较小。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的结构正视示意图。
图2为本发明实施例中的结构俯视示意图。
图3为本发明实施例中的结构轴侧示意图。
图4为本发明实施例中的制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种仿生纤毛电容式微传感器，如图1、图2、图3所示，从图中可以看出该传感器主要由四层结构组成：第一层结构为纤毛，纤毛1作为外界流场作用的输入端。第二层结构是硅结构层，包括三个部分，即悬浮的硅电容上极板4、第一扭转梁301，第二扭转梁302以及第一支撑结构201，第二支撑结构202，悬浮的硅电容上极板通过扭转梁与支撑结构相连，支撑结构与玻璃底层11连接作为固定支撑，硅结构层采用干法刻蚀。第三层结构为金属电极与引线引脚层，包含两块上极板金属引脚，第一上极板金属引脚7,第二上极板金属引脚8，两块下极板电极引脚，第一下极板及其电极引脚5、第二下极板及其电极引脚6。第四层结构是Pyrex玻璃层11，玻璃表面向下刻蚀形成电容间隙，并布置前后两块电容下极板，下极板和电极引脚5连通，下极板和电极引脚6连通。
当传感器被置于流场中，运动流体作用于纤毛柱1上，引起纤毛柱变形，从而导致与纤毛柱相连的硅电容上极板4产生扭转变形，第一下电容极板9、第二下电容极板10与上极板之间的间隙发生相反变化，形成差分电容，通过测量差分电容的变化得到硅上极板的变形，从而得到被测矢量流速或剪应力信息。
本发明的传感器以Pyrex玻璃为衬底，基于光刻、湿法刻蚀、阳极键合及离子束刻蚀等微加工工艺来制备。
实施例2
一种扭转式仿生纤毛流速传感器，与实施例1的区别之处在于，硅结构层采用湿法刻蚀。
实施例3
实施例1中一种仿生纤毛电容式微传感器的制备方法，采用MEMS微细加工工艺制作，工艺流程如图3所示，具体流程为：
1、清洗Pyrex玻璃作为基片
2、在Pyrex玻璃上溅射Cr
3、在溅射Cr的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
4、湿法刻蚀玻璃制备电容下极板，随后除去光刻胶和铬
5、Pyrex玻璃上溅射Cr/Au
6、在溅射Cr/Au的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形
7、离子束刻蚀玻璃上Cr/Au，然后去胶
8、阳极键合低阻硅片和Pyrex玻璃有图形的一面
9、减薄键合后的硅至一定的厚度
10、光刻胶掩膜，DRIE刻蚀硅-玻璃片制作电容上极板
11、黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛柱。
实施例4
实施例2中一种仿生纤毛电容式微传感器的制备方法，采用MEMS微细加工工艺制作，工艺流程如图3所示，具体流程为：
1、清洗Pyrex玻璃作为基片
2、在Pyrex玻璃上溅射Cr
3、在溅射Cr的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形
4、湿法刻蚀玻璃制备电容下极板，随后除去光刻胶和铬
5、Pyrex玻璃上溅射Cr/Au
6、在溅射Cr/Au的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形
7、离子束刻蚀玻璃上Cr/Au，然后去胶
8、阳极键合低阻硅片和Pyrex玻璃有图形的一面
9、减薄键合后的硅至一定的厚度
10、在硅表面制备一层二氧化硅
11、光刻胶掩膜，干法刻蚀二氧化硅
12、在二氧化硅掩膜，湿法刻蚀硅-玻璃片制作电容上极板
13、黏贴SU-8干膜或旋涂SU-8负胶，光刻图形化后固化得到SU-8纤毛。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种扭转式仿生纤毛流速传感器装置，其特征在于，包括：纤毛、硅结构层、金属引脚层以及Pyrex玻璃层；
自上而下依次设置纤毛、硅结构层、金属引脚层以及Pyrex玻璃层；
所述硅结构层包括：电容上极板；
所述纤毛紧固连接于电容上极板上；
所述金属引脚层包括：电容上极板电极引线引脚、电容下极板电极引线引脚、电容下极板；
所述电容上极板电极引线引脚和电容下极板电极引线引脚设置于金属引脚层的上部；
所述电容下极板设置于金属引脚层的下部；
所述Pyrex玻璃层设置于扭转式仿生纤毛流速传感器装置的底部；
所述Pyrex玻璃层包括：Pyrex玻璃；
所述Pyrex玻璃的表面向下刻蚀形成电容间隙；
所述硅结构层包括：悬臂梁、支撑结构；
所述悬臂梁与支撑结构相连。
2.根据权利要求1所述的扭转式仿生纤毛流速传感器装置，其特征在于，所述硅结构层使用干法刻蚀制备。
3.根据权利要求1所述的扭转式仿生纤毛流速传感器装置，其特征在于，硅结构层使用湿法刻蚀制备。
4.根据权利要求2所述的扭转式仿生纤毛流速传感器装置，其特征在于，硅结构层采用以下方法制备：
步骤S1：清洗Pyrex玻璃作为基片；
步骤S2：在Pyrex玻璃上溅射Cr；
步骤S3：在溅射Cr的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S4：湿法刻蚀玻璃，随后除去光刻胶和铬；
步骤S5：Pyrex玻璃上溅射Cr/Au；
步骤S6：在溅射Cr/Au的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S7：离子束刻蚀Cr/Au得到电极引线引脚和电容下极板，然后去胶；
步骤S8：阳极键合低阻硅片和Pyrex玻璃；
步骤S9：减小键合后的硅至设定的厚度；
步骤S10：采用光刻胶掩膜，DRIE刻蚀硅玻璃片制作电容上极板；
步骤S11：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛柱。
5.根据权利要求3所述的扭转式仿生纤毛流速传感器装置，其特征在于，硅结构层采用以下方法制备：
步骤M1：清洗Pyrex玻璃作为基片；
步骤M2：在Pyrex玻璃上溅射Cr；
步骤M3：在溅射Cr的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤M4：湿法刻蚀玻璃，随后除去光刻胶和铬；
步骤M5：Pyrex玻璃上溅射Cr/Au；
步骤M6：在溅射Cr/Au的玻璃上旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤M7：离子束刻蚀Cr/Au得到电极引线引脚和电容下极板，然后去胶；
步骤M8：阳极键合低阻硅片和Pyrex玻璃；
步骤M9：减小键合后的硅至设定的厚度；
步骤M10：在硅表面制备一层二氧化硅；
步骤M11：光刻胶掩膜，干法/湿法刻蚀二氧化硅；
步骤M12：二氧化硅掩膜，湿法刻蚀硅-玻璃片制作电容上极板；
步骤M13：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛柱。
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