[发明专利]一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法。MEMS摩阻传感器分解为浮动元件、硅微结构、电极基板、接口电路和封装管壳5个部分，硅微结构和电极基板采用MEMS加工工艺制作，浮动元件采用和装管壳采用精密机械加工技术制作，接口电路采用陶瓷基精密微带电路技术制作。MEMS摩阻传感器采用专门的微组装设备和微组装工艺，微组装设备由精密视觉定位系统、三自由度微操作对准平台、真空吸头和图像辨识系统构成；利用视觉精密定位和微操作对准技术完成MEMS摩阻传感器的组装。本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，提高了MEMS摩阻传感器加工、组装精度，进而提高了其在高超声速风洞内表面摩擦阻力测量的精准度。

技术领域

本发明属于微机电系统中的微机械传感器领域，具体涉及一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，特别是涉及一种适用于高超声速风洞流场中表面摩擦阻力精确测量的MEMS摩阻传感器制作方法。

背景技术

MEMS摩阻传感器主要用于测试飞行器的表面摩擦阻力，进而确定飞行器表面摩擦阻力的大小和分布情况，对飞行器设计具有重要意义。传统的表面摩擦阻力测试器件主要是微量应变式摩阻天平，但其受灵敏度、温度、体积和成本等因素限制，难以在飞行器设计领域广泛应用。以微机电系统技术为基础的MEMS摩阻传感器具有体积小、成本低、可靠性高等突出优点，能够广泛应用于飞行器设计等领域。

目前，介绍MEMS摩阻传感器的文献较多，主要分为梳齿电容式和压阻式等，但主要应用于低速风洞的表面摩擦阻力测量试验。2001年，Jiang Zhe等人[A MEMS device formeasurement of skin friction with capacitive sensing, MicroelectromechanicalSystems Conference, 24-26 August, 2001[C].]设计了一款悬臂梁支撑的平板差分电容式MEMS摩阻传感器，其量程仅为0.1-2Pa，适用于低速风洞。2011年，Jessica Meloy等人[Experimental verification of a MEMS based skin friction sensor forquantitative wall shear stress measurement, 41st AIAA Fluid DynamicsConference and Exhibit, 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii[C].]设计了一款四梁支撑的梳齿电容式MEMS摩阻传感器，其量程为0.1-5Pa，为了不破坏流场，浮动元件和梳齿电容必须暴露在风洞流场中，因此仅适用于气体纯度较高的低速风洞。许多应用场合要求在高超声速风洞流场中进行表面摩擦阻力测试，目前高超声速速风洞流场中模型表面摩擦阻力的测试还是采用传统的微量摩阻天平。2010年，Joseph A. Schetz等人[Directmeasurement of skin friction in complex flows, 48th AIAA Aerospace SciencesMeeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition 4-7 January2010, Orlando, Florida [C].]研制了一款应变式微量摩阻天平，在Ma=4的高超声速风洞流场中进行模型表面的摩擦阻力测量试验，但这种微量天平灵敏度较低、温度稳定性差、体积较大，不能用来精确测量飞行器表面摩阻的分布情况。此外，高超声速风洞流场中法向载荷较大，对MEMS摩阻传感器的设计和研制提出了更高的要求。