壁面剪应力传感器的最新进展

研究生课程考试答题册考试课程微机电系统导论题目壁面剪应力微传感器的最新进展姓名项志杰学号2011200872学院机电学院导师马炳和西北工业大学研究生院得分：壁面剪应力微传感器的最新进展背景和介绍流体流过飞行器表面时，会在表面产生两个方向的作用力：一个是垂直于表面的压力P；另一个是与表面相切的剪应力（或摩擦应力、切应力）τ，压力与剪应力是空气动力学中非常重要的两个参数。精确的测量上下表面的压力差，可以评估飞行器的升力、阻力、载荷分布等参数指标，这对飞行器的结构设计、优化、定型具有重要的作用。精确测量剪应力可以进一步了解边界层内部结构，监测飞行器周围流体的运动状态，判断是否发生分离，维护飞行器的飞行安全。当飞行器表面流体发生分离时，分离点处的剪应力值为最小，流动分离可导致飞行器“失速”，更严重的则会导致空难。判断飞行器周围流体流动状态，防止流动分离引发的失速对于维护飞行安全具有重要意义。通过剪应力传感器可以直观的检测到流动分离，从而为流动控制提供依据，以防止或抑制流动分离的发生。因此壁面剪应力可以作为飞行器周围流体运动状态监测的一项重要指标，剪应力传感器的研制也广泛引起人们的关注在流体壁面边界的剪应力的准确测量，对于海军和空军有重要的意义。减少能量消耗和声音波动，加快操作速度和可控性。这些是对于湍流边界层的层流是真实的。评价和减少能量的消耗或增加操作速度这两者是联系在一起的，所以实现高保真平均壁面剪应力的测量是可取的。随着近年来流体操作雷诺数的增加，流体的粘性压力所占的百分比：飞行器是50%，水下航行器达到了90%。同时，在湍流边界层的能量转换发生在很小的规模和很宽的频率范围。实现这些测量在严酷和复杂的环境下，比如海水，多相气流，对于遥感技术有更高的限制。因此，当前先进的壁面剪应力传感器遥感技术，在高雷诺数的流体中分辨附近的壁面流体结构，即是此传感器能够分辨出频率达到10KHZ，大小100微米的结构。常规的技术，比如热线和热膜风速计，在要求的范围内不能提供充分准确的测量，而且也不能适应严酷的环境条件。近期，作为新的传感器的微机电系统器件的出现有潜力克服这些限制。微型制造工艺技术能够使传感器的体积减小，增加了空间和时间分辨率，达到100甚至10微米级别。三个主要型号的MEMS传感器的出现，每个传感器都有着不同的模态准确度和频率响应。这三个分别是：浮动单元式，热敏式和声/光MEMS。浮动单元MEMS传感器，利用一个或者多个可动机构，加上一个可动的支撑梁，在小区域内提供了一个表面摩擦的直接测量方法。基于热的MEMS传感器工作基于将的温度变动转换为电压信号。第三种MEMS传感器是利用超声或者激光多普勒效应来检测壁面粒子对光的散射而产生的频率变化。超声多普勒测速仪测量发射和反射信号的多普勒频率的改变。与光学对应的即是光学MEMS（MOEMS），以动态黏度，粒子通过不同条纹的多普勒散射频率，和条纹发散率的结果计算壁面剪应力。其他的新型剪应力传感器包括基于活性离子聚合物和光纤的传感器。此文全面介绍了这些当前先进的壁面剪应力测量技术。浮动单元式MEMS传感器浮动式MEMS传感器测量积分的力在柔性膜上，它通过很薄的100-500微米大小的柔性曲面支撑。这个测量方法的优势在于它是直接测量表面摩擦因此不需要很丰富的流体知识。尽管如此，传感器填充从误差相关的传感器浮动单元和缝隙的不对称，压力梯度，十字轴灵敏度到加速度和振动输入，缝隙和浮动单元之间的加工碎片和传感器安装。而且，浮动单元必须充分的灵活（影响其耐用性）可以感受出10e-12N大小的力。另外一个设计的限制就是压力的灵敏度。Maclean和Schetz发表了大量论文讨论了关于浮动式传感器的操作和误差分析，在压力梯度存在的情况下理论误差是17%。sheplak等人研究了浮动式MEMS传感器对于静态和动态壁面剪应力的的响应，很可能是迄今为止在文献里提出最全面的校准工作。该传感器组成是由一个500×500平方微米7微米厚的硅浮动单元悬挂在四个500微米长×7微米宽×7微米厚的硅片表面1微米以上。静态校准传感器的测量范围达到了0.0014~10Pa的范围，的本底噪声测量为0.0004Pa。这个工作的一个主要贡献在于动态校准中使用平面波管产生斯托克斯层震荡。该仪器允许波动剪切力限制在0.1帕到1帕，频率从100Hz10kHz；但频率不能超过4KHz，由于该管的频率共振。传感器的响应被证明在大部分剪应力和频率范围内是线性的。这项研究的一个限制是动态校准频率响应函数在波德图的幅度的形式表示的；在时域内的实际信号误差分析没有给出。这项发明作为美国专利在2005年11月专利号：20056966231。类似的发明，使用能够电容元件检测剪切力的大小和方向的专利为美国徐等人专利，专利号码20026341532。图1.浮动单元式MEMS剪应力传感器的侧壁和顶部安装的压阻单元设计Schober等人已经完成了MEMS表面栅栏传感器性能的调研，特别是对于浮动式传感器。传感器的工作原理是通过压差。此压差是柔性膜从硅片延伸到粘性子层测量得到的。此压差产生一个可测量的偏转量，偏转通过安装在任意一个栅栏末端的2个压阻负载得到。对于剪应力测量范围为-0.7~+0.7Pa，分辨率为0.02Pa的传感器静态校准在普雷斯顿管中进行；动态校准还没有进行尝试。此外，在阻碍的分离流下游地区，壁面剪切力时间平均的结果，表现出与时间平均脉冲热线数据的一致性。最近一段时间，Barlian等人制作一个浮动单元式MEMS传感器，结合了侧壁来测量的侧向力和应力，更传统的自上而下注入压阻测量压力和应力【如图1】这些传感器都是为应用于流体力学而设计的。氢退火工艺用来处理由深反应离子蚀刻（DRIE）工艺造成的不平的齿痕表面。这个过程中，发现本底噪声降低一个数量级。对温度的敏感性进行了分析，压阻元件的灵敏度是0.0081kOhms/C-1。该小组建议在未来的传感器制造中使用温度补偿信号调理。普利亚姆【Pulliam】等人开发了一种利用光学干涉浮动元素的剪应力传感器。光传送通过光学纤维在纤维和支撑浮动头之间创建一个干涉区域由于流体剪切力偏转浮动头，干涉地区发生了变化，这种变化与剪应力的相关。该传感器为美国专利，专利号码20026426796。Horowitz等人提出了一种新型的浮动单元剪应力传感器，该传感器使用光学莫尔技术【如图2】。摩尔技术是通过在两个不同强度的光栅上图案铝线实现的。两个光栅的结合，创建了一个依赖翻译的莫尔条纹图案，这是从晶片的一侧照亮，以尽量减少照明流动扰动。电荷耦合器件（CCD）相机用来记录的条纹图案。该传感器是免疫电磁干扰的影响，由于压力波动和振动，其输出不会受到横向单元运动的影响。初步结果显示，尽管从数据中可以明显看出传感器存在非线性，剪应力传感器的均值和动态的测量效果很客观，校准执行到1.3帕，灵敏度为6.2毫帕。此传感器已在美国申请专利。专利号20060137457。图2.基于微光机电系统的运用几何莫尔光学技术的壁面剪应力传感器热膜式剪应力传感器第二种MEMES剪应力传感器是基于热理论的，与热线风速计的原理一样，将温度浮动变化量转换为电信号。由于频率依赖的热传导到基板需要更加复杂的校准过程，这个技术的主要缺陷在于基于热的传感器的频率响应很难表征出来。这种传感器的最早形式是有Huang等人发明的，在美国的专利号为19995883310.传感器由1微米厚的基板加热2微米的真空分离元素，并具有内置自我频率和温度校正。Sheplak等人对基于热的剪应力传感器在动态和静态环境中进行测试。通过层流渠道实现静态标定高达1.7Pa，动态标定在平波管中进行，采用如上说叙的斯托克斯层震荡方法，理论上波动的剪应力在0.9mPa(0.2Hz)到6.1mPa(7kHz)。本底噪音为100nV/根号Hz，分辨率为9uPa/Hz。lofdahl等人。研究了在50至250微米之间的墙壁之上在不同的高度放置一个微型导线热丝MEMS传感器的响应。传感器标定的时间平均稳态剪切应力值介于0和0.5mPa；未进行动态校准。为了测量传感器的频率响应，时间分辨率测量是在一个距离传感器80mm的上游流体边界层进行，该流场定期吞入和呼出频率为260Hz，流场为流体提供了一个干扰流。LIU等人利用气动热风速仪的应用原理，已经制定了类似的薄膜传感器阵列来检测空气动力学分离点。【如图3】该传感器包括了位于硅氮化合物衬底上的铂薄膜电阻。薄膜电阻通过电流加热表面，剪应力传感器实现了从热-环境之间的转换。此传感器是用于检测圆柱流体的分离点。图3分离点检测的薄膜传感器阵列为了避免了热传递到基板上，最近Kim和Lee研制了一种热膜剪应力传感器【如图4】采用背面孔连接。小孔通过互连通道孔连接到基板上，中度低温热氧化应用于隔绝被蚀刻暴露在外面的基板。传感器使用旋转盘（库爱特流）进行静态标定【如图5】，在过热比为0.05~0.20范围内，剪应力大小范围为0~0.9Pa。传感器的灵敏度随过热比增加而增加，随着剪应力的幅度减小而减小。总体而言，该传感器显示比类似的热膜传感器灵敏度更高，范围在200至800毫伏/帕。阶梯旋转盘进行动态标定在达到400Hz，据推算该信号将分辨率超过1KHz在微流体中，Xu等人制造了一种基于MEMS应用于微管道的混合传感器，集合了剪应力、压力和温度传感器【如图6】所示。这个传感器的分辨率为82.9μV/(kPaV)。这个设备的传感器的部分在马赫数为0.2~0.6的微管道内测试，传感器之间的响应非常类似。然而，壁面剪应力传感器没有校准。Soundararajan等人开发一个应用于微循环的类似MEMS热膜的剪应力传感器。对于这个传感器，为了增加传感器单元的电阻率达到2.5k欧姆，多晶硅单元中掺杂有磷元素。但是最多晶硅中注入磷元素会使电阻温度系数【TCR】变为负数，有趣的是，电压与剪应力呈线性关系，由于TCR为负，所以斜率也为负的。更近的Tung等人成功地实现了在360微米长90微米宽的导电迹线上横向对齐的碳纳米管。【如图7】导电迹线是在两个三角电极之间施加高频交流电压实现对齐的。室温下580欧姆的电阻相应的电导率为27000s/m。绝对的电阻温度系数量级小于高度掺杂的多晶硅传感材料，范围从0.01至0.04％/C，这个电阻系数的减少是不利的，在纳米流体测量中不能产生任何能量损耗的改进，在纳流控应用中，创造体积更小和热质量比掺杂的多晶硅传感器质量好的传感器是具有独特的优势图4背面绝缘孔的热膜剪应力传感器图5(a)旋转盘(b)两个盘的详细图解图6混合传感器图7导电迹线上的三角形微电极之间的碳纳米管阵列光和声学剪应力传感器第三种MEMS传感器是利用超声或者激光多普勒效应来检测壁面粒子对光的散射而产生的频率变化来工作的。光学散射微型剪应力传感器是利用激光多普勒效应测量流体流动速度，进而转换成流体壁面剪应力。其测量原理可以表述为：根据多普勒效应，辐射源和接收器之间的相对运动会产生辐射频率的变化，当光源和接受器没有相对运动而光路某处光源被运动目标散射时，也会产生类似的多普勒频移，因此，只要测出随流体一起运动的微粒对激光束散射的多普勒频移，就可以获得流场中该点的速度，进而计算出流体壁面剪应力。光学部分，就是光学MEMS，通过动态黏度、不同的条纹模式产生的多普勒散射频率和发散率作为结果计算壁面剪切应力。这两种类型的传感器提供了直接测量现场的壁面剪切应力，在最佳条件下具有非侵入性，高度准确，高频率的波动响应。测量粒子传播，从而大大限制了数据传输速率，而且，这个方法也受限于复杂传感器制造技术，探头包含在整个粘性底层。在采用自然传播的流场中，测量的准确性受离子的大小和性能的影响，估计UDV的总误差为+/-8.4％。光学传感器有潜力提供高精度的剪应力测量技术，散射多普勒平移的方法是有效的。用激光二极管和传统的光学将发散的条纹图案投影到上述表面。【如图8】现场的边缘分离设计时线性的，通过公式=ky，k是边缘的发散率。假定测量位置是在线性黏性底层区域，这是不一定的情况下，速度梯度是频移和边缘发散率的结