技术摘要：
本发明公开了一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器及其制备方法，涉及微机电技术领域，包括纤毛、柔性膜、SOI硅‑玻璃电容结构，SOI硅‑玻璃电容结构包括上层硅结构(Z向及转角检测电极、公共电极及支撑层)、中间层硅结构(动梳齿电极的检验质量块、X向水平电极、静梳齿  全部
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。传统的 流场测量装置包括热线风速仪、多普勒超声测速仪、粒子图像测速仪(PIV)等，但是它们存 在体积大、结构复杂，难以满足高精度在线流场工程测试的需求。另外，对于飞行器及水中 航行体，周围流动结构十分复杂，流动现象具有时间和位置的不确定性特征，流动结构尺度 小，生命周期短，而且在大雷诺数流动条件下，流动对外界的干扰更加敏感。要实现复杂流 体状态的检测，传感器必须满足相应的时间和空间尺度要求。随着MEMS技术的出现和发展， 为实现大雷诺数下的实时的、准确的流速和壁面剪应力测量提供了一种可行的技术实现途 径。 运用纤毛流场感知系统，蟋蟀和鱼等动物可以完成导航定位、捕食和躲避捕食者。 经过长期进化和优胜劣汰，它们的纤毛感知系统具有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。借鉴蟋蟀和鱼的纤毛流场感知系统，近年来各国科研工作者 相继开展了仿生纤毛传感器的研究工作。目前，报道的纤毛微传感器大多数以开放式的悬 臂梁或扭转梁结构作为传感器的变形结构，易在实际测试环境中失效。 为此，2014年A.G.P.Kottapalli等人在《Bioinspiration&Biomimetics》(2014年 第9期046011)上发表的“Touch  at  a  distance  sensing:lateral-line  inspired  MEMS  flow  sensors”论文中报道了基于柔性液晶聚合物的压阻式纤毛微传感器，但该传感器对 环境温度变化敏感，只能开环工作，较难获得高灵敏度和大量程兼顾的性能要求。
技术实现要素：
为解决现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种柔性聚合物封闭膜仿生纤 毛微传感器及其制备方法。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传 感器，包括依次设置的纤毛、柔性膜、SOI硅-玻璃电容结构；所述SOI硅-玻璃电容结构包括 上层硅结构、中间层硅结构、底层玻璃结构； 所述上层硅结构包括硅连接柱、上层硅轴向电极、Y向上层硅结构、X向上层硅结 构、公共电极上层硅结构； 所述中间层硅结构包括检验质量块、中间层硅轴向电极、Y向中间层硅结构、X向中 间层硅结构、公共电极中间层硅结构、铜柱；所述铜柱嵌设于中间层硅轴向电极、Y向中间层 硅结构、X向中间层硅结构、公共电极中间层硅结构内部；用于实现X向电极、Y向电极、轴向 4 CN 111609887 A 说　明　书 2/6 页 电极、公共电极电信号连接； 所述底层玻璃结构包括pyrex玻璃以及设置于pyrex玻璃上的底层金属公共电极 (含引线引脚)、底层金属轴向电极(含引线引脚)、硅轴向电极底层金属引线引脚、Y向硅结 构底层金属引线引脚、X向硅结构底层金属引线引脚。 优选地，所述硅连接柱位于上层硅结构中央，所述上层硅轴向电极的数量为4个， 所述Y向上层硅结构的数量为2个，所述X向上层硅结构的数量为4个，所述公共电极上层硅 结构的数量为1个。 优选地，所述检验质量块位于中间层硅结构中央，所述中间层硅轴向电极的数量 为4个，所述Y向中间层硅结构的数量为2个，所述X向中间层硅结构的数量为4个，所述公共 电极中间层硅结构的数量为2个。 优选地，所述底层金属公共电极(含引线引脚)位于底层玻璃结构中央，所述底层 金属轴向电极的数量为4个，硅轴向电极底层金属引线引脚的数量为4个，所述Y向硅结构底 层金属引线引脚的数量为2个，所述X向硅结构底层金属引线引脚的数量为4个。 优选地，所述Y向上层硅结构、Y向中间层硅结构、Y向硅结构底层金属引线引脚自 上而下一一对应，所述X向上层硅结构、X向中间层硅结构、X向硅结构底层金属引线引脚自 上而下一一对应。 优选地，所述上层硅轴向电极、中间层硅轴向电极、硅轴向电极底层金属引线引脚 自上而下一一对应；检测检验质量块与上层硅轴向电极、底层轴向金属电极(含引线引脚) 组成4对差分电容。 优选地，所述纤毛位于柔性膜中央，所述柔性膜为变形膜。 一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法，包括如下步骤： A、底层玻璃结构的制备： a、Pyrex玻璃刻蚀凸台；b、溅射Cr/Pt/Au并光刻、刻蚀出底层金属公共电极(含引 线引脚)、底层金属轴向电极(含引线引脚)、硅轴向电极底层金属引线引脚、Y向硅结构底层 金属引线引脚、X向硅结构底层金属引线引脚；c、通过PECVD淀积氮化硅薄膜保护上述电容 电极及引脚；再刻蚀键合凸台上的氮化硅； B、中间层硅结构的制备： d、DRIE刻蚀硅、RIE刻氧化硅得到电镀盲孔；e、溅射种子层、电镀铜，CMP磨平；f、 DRIE刻硅得到X向中间层硅结构、Y向中间层硅结构、氧化硅牺牲层释放孔和检验质量上铜 牺牲层释放槽；g、去除氧化硅牺牲层； C、上层硅结构、纤毛、柔性膜的制备： h、Pyrex玻璃与硅阳极键合；i、DRIE刻蚀上层硅轴向电极、硅连接柱；j、黏贴SU-8 干膜并固化，形成柔性膜；k、旋涂SU-8、光刻固化得到纤毛；l、去除铜牺牲层。 一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法，包括如下步骤： A1、底层玻璃结构的制备： a1、Pyrex玻璃刻蚀凸台；b1、溅射Cr/Pt/Au并光刻、刻蚀出底层金属公共电极(含 引线引脚)、底层金属轴向电极(含引线引脚)、硅轴向电极底层金属引线引脚、Y向硅结构底 层金属引线引脚、X向硅结构底层金属引线引脚；c1通过PECVD淀积氮化硅薄膜1微米保护电 容电极及引脚；再刻蚀键合凸台上的氮化硅； 5 CN 111609887 A 说　明　书 3/6 页 B1、中间层硅结构的制备： d1、DRIE刻蚀硅、RIE刻氧化硅得到电镀盲孔；e1、溅射种子层、电镀铜，CMP磨平； f1、DRIE刻硅得到X向中间层硅结构、Y向中间层硅结构、氧化硅牺牲层释放孔和检验质量上 铜牺牲层释放槽； C1、上层硅结构、纤毛、柔性膜的制备： g1、Pyrex玻璃与硅阳极键合；h1、DRIE刻蚀上层硅结构硅轴向电极、硅连接柱及氧 化硅刻蚀孔；i1、去除氧化硅；j1、黏贴SU-8干膜并固化，形成柔性膜；k1、旋涂SU-8、光刻固 化得到纤毛；l1、去除铜牺牲层。 一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法，包括如下步骤： A2、底层玻璃结构的制备： a2、Pyrex玻璃刻蚀凸台；b2、溅射Cr/Pt/Au并光刻、刻蚀出底层金属公共电极(含 引线引脚)、底层金属轴向电极(含引线引脚)、硅轴向电极底层金属引线引脚、Y向硅结构底 层金属引线引脚、X向硅结构底层金属引线引脚； B2、中间层硅结构的制备： c2、DRIE刻蚀硅、RIE刻氧化硅得到电镀盲孔；d2、溅射种子层、电镀铜，CMP磨平； e2、DRIE刻硅得到X向中间层硅结构、Y向中间层硅结构、氧化硅牺牲层释放孔和检验质量上 铜牺牲层释放槽；f2、去除氧化硅牺牲层； C2、上层硅结构、纤毛、柔性膜的制备： g2、Pyrex玻璃与硅阳极键合；h2、DRIE刻蚀上层硅结构硅轴向电极、硅连接柱；i2、 黏贴SU-8干膜并固化，形成柔性膜；j2、旋涂SU-8、光刻固化得到纤毛；k2、去除铜牺牲层。 传感器采用如图1所示的包含纤毛-柔性膜-SOI硅-玻璃的多层结构的电容式纤毛 微传感器结构,它包括实现流场感知的纤毛，纤毛运动转换为电容变化的柔性结构和轴向 电容结构，与轴向电容结构一起用于电刚度调节梳齿结构和水平电极，以及传感器信号引 出结构。纤毛位于柔性膜的中心位置，当纤毛受流场作用后，将带动硅连接柱及检验质量发 生角位移偏转，从而使检验质量与上、下轴向电极形成的转角电容发生变化。传感器以绝缘 衬底上的硅(SOI)圆片和Pyrex玻璃为衬底，基于UV-LIGA与DRIE、TSV镀铜及硅玻璃键合的 微加工方法集成制备微传感器表头，整个微加工工艺包括底层玻璃结构层工艺、包含检验 质量块和水平电极的中间层工艺、键合及之后的上层结构工艺。传感器的转角电容变化由 输入流场作用力矩、柔性膜扭转刚度和静电控制力矩决定。通过检测电容和静电力矩反馈 平衡电压，可以得到输入的流速或剪应力。 器件使用MEMS工艺制作，为实现SOI硅中埋层氧化硅两侧导电硅的电信号连接，采 用在导电硅中嵌入TSV刻蚀硅和二氧化硅的盲孔镀铜。 综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果： (1)采用变电容工作原理，相比压阻传感器，受环境温度影响较小； (2)通过检测硅检验质量与上、下电极之间转角差分电容的变化实现输入流速或 剪应力的检测，同时可以减小流场中共模压力输入的影响； (3)通过调节中间层Y向静梳齿电极或X向电极的输入电压，可以实施电刚度的附 加调节； (4)微传感器可以有两种模式工作：一种是开环工作模式，通过检测角位移电容值 6 CN 111609887 A 说　明　书 4/6 页 得到输入流速或剪应力值；另一种是闭环工作模式，通过施加静电力矩平衡控制，使检验质 量块保持原零位，反馈控制电压的变化即为流速或剪应力的变化，在闭环工作模式下，由于 检验质量块和轴向电极构成的为三明治结构，可以实现检测自由度上的双向反馈控制，可 以获得更大的量程和更高的精度。 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为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例1的等 轴侧结构示意图； 图2为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例1的测 控电路原理示意图； 图3为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例1的微 加工工艺掩模版叠合示意图； 图4为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例1的底 层玻璃结构工艺流程图； 图5为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例1的中 间层硅结构工艺流程图； 图6为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例2的上 层硅结构工艺流程方案A； 图7为本发明一种柔性聚合物封闭膜仿生纤毛微传感器的制备方法实施例3的上 层硅结构工艺流程方案图B。 附图标记： 1、纤毛；2、柔性膜；3、硅连接柱；4-1、上层硅轴向电极；4-2、中间层硅轴向电极；4- 3、硅轴向电极底层金属引线；5-1、Y向上层硅结构；5-2、Y向中间层硅结构；5-3、Y向硅结构 底层金属引线引脚；6-1、X向上层硅结构；6-2、X向中间层硅结构；7、铜柱；8、检验质量块；9- 1、公共电极上层硅结构；9-2、公共电极中间层硅结构；9-3、底层金属公共电极(含引线引 脚)；10、底层金属轴向电极(含引线引脚)；11、Pyrex玻璃基底。