[发明专利]MEMS应变式结冰传感器及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及结冰厚度检测技术领域，是一种MEMS应变式结冰传感器及检测方法，可对飞机、输电线等物体表面亚毫米量级的结冰厚度进行定点在线连续监测。

背景技术

目前已提出的定量检测飞机、输电线、杆塔、绝缘子及其他相对静止物体表面结冰厚度的传感器及其检测方法可分为下面两类。

第一类是直接测量方法，这种方法通过人工或其他设备直接测量物体表面的结冰厚度。几种典型的直接测量方法有：(1)人工测量，依靠人工用尺直接到现场测量结冰厚度；(2)目测法，依靠人眼观察探针或其他部件表面结冰厚度；(3)红外阻断法，通过测量红外线光路上的探针对红外线的阻挡程度，来检测探针表面结冰厚度；(4)摄像法，用摄像头拍摄冰层横面照片，并用数字图像处理技术识别照片中冰层的上下界面，以确定冰层厚度。

第二类是间接测量方法，这种方法基于冰与空气及水的光学、电学、机械等特性的不同，通过检测这些特性参数来检测结冰厚度。几种典型的间接测量方法有：(1)光纤式，根据冰对光线的反射、折射和散射特性，通过检测冰层对入射光线的反射、折射和散射程度，检测冰层的厚度。(2)电容式和电阻式，电容法根据冰、空气及水的介电常数的不同，电阻法则根据电阻率的不同，通过检测两电极之间的电容值或电阻值，判断电极之间的物质是否是冰。再将多对电极等距离排列，每个电极作为一个结冰厚度刻度，总的结冰厚度等于相邻电极对的距离与电极间物质为冰的电极对的个数的乘积。(3)谐振式，包括磁致伸缩振筒式和压电平膜式，磁致伸缩振筒式的原理是振筒上的结冰增加了振筒的质量，使振筒谐振频率减小；压电平膜式则基于平膜上结冰增加了平膜的刚度，使平膜谐振频率增大。(4)美国NASA于1997年提出了一种微加工工艺制作的电容式结冰传感器，传感器的制作基于硅-玻璃阳极键合工艺，检测原理基于平膜上结冰改变平膜刚度的原理。与压电平膜式不同，这种电容式结冰传感器的平膜为静态变形，平膜上结冰造成平膜刚度和变形量的变化，同时平膜与玻璃衬底之间的间隙距离改变。通过检测间隙距离的变化就可以知道结冰厚度。

上述几种典型的结冰厚度测量方法中，人工测量和目测法不能对结冰进行实时在线检测；红外阻断法和摄像法在被测物表面有振动时测量精度降低，摄像镜头结冰还会导致摄像法的失效；光纤式、电容式和电阻式对冰的状态(透明冰或霜冰)和成分(含杂质的种类和比例)非常敏感，冰状态和成分的不确定性会造成检测结果的不确定性；磁致伸缩振筒式和压电平膜式分别需要电磁线圈和压电陶瓷的激励源，难以实现微型化；美国NASA提出的电容式结冰传感器实现了微型化，但其制作工艺较复杂，制作过程中的静电键合工艺容易引入应力，传感器输出的结冰信号是非常微小的电容变化，检测起来非常困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS应变式结冰传感器及检测方法，是对结冰厚度进行高分辨率、高灵敏度的检测，既实现微型化，降低工艺难度，又检测容易，接口电路简单。

为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案是：

一种MEMS应变式结冰传感器，其包括回形框平膜、检测电阻、参考电阻、融冰电阻、电极引线，其中，正方形平膜与回形框内孔相适配，覆于回形框内孔上，平膜的四条边与回形框内孔边缘固接；检测电阻在平膜四条边缘的中部，参考电阻位于正对检测电阻的外侧，在回形框上靠外边缘处；融冰电阻在平膜的中央；电极引线分别位于回形框上一对角线的两端，以平膜的中心对称；整个传感器以回形框的另一对角线相对称；

检测电阻、参考电阻、融冰电阻均为箔式应变电阻；

检测电阻为四个箔式应变电阻，每两个应变电阻相串联，两端分别与电极引线或电极引线相连为一组，共两组：检测电阻和检测电阻；参考电阻为四个箔式应变电阻，每两个应变电阻相串联，两端分别与电极引线或电极引线相连为一组，共两组：参考电阻和参考电阻；

检测电阻，参考电阻分别作为电桥的一臂，组成双臂惠斯通电桥。

所述的MEMS应变式结冰传感器，其所述回形框、平膜、检测电阻、参考电阻、融冰电阻、电极引线采用体微加工工艺制作，材料是单晶硅，工艺流程是：(a)用热氧化和LPCVD方法在单晶硅表面生长氧化硅/氮化硅双层薄膜结构，(b)分层剥离(lift-off)工艺制作检测电阻、参考电阻、融冰电阻和电极引线，(c)反应离子刻蚀(RIE)在硅片背面开湿法腐蚀的窗口，(d)湿法各向异性腐蚀制作回形框和平膜。