1、 研究生課程考試答題冊得分：考試課程 微機電系統(tǒng)導(dǎo)論 題 目 壁面剪應(yīng)力微傳感器的最新進展 姓 名 項志杰 學(xué) 號 2011200872 學(xué) 院 機電學(xué)院 導(dǎo) 師 馬炳和 西北工業(yè)大學(xué)研究生院壁面剪應(yīng)力微傳感器的最新進展背景和介紹流體流過飛行器表面時，會在表面產(chǎn)生兩個方向的作用力：一個是垂直于表面的壓力P；另一個是與表面相切的剪應(yīng)力（或摩擦應(yīng)力、切應(yīng)力），壓力與剪應(yīng)力是空氣動力學(xué)中非常重要的兩個參數(shù)。精確的測量上下表面的壓力差，可以評估飛行器的升力、阻力、載荷分布等參數(shù)指標，這對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化、定型具有重要的作用。精確測量剪應(yīng)力可以進一步了解邊界層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，監(jiān)測飛行器周圍流體的運動狀態(tài)

2、，判斷是否發(fā)生分離，維護飛行器的飛行安全。當飛行器表面流體發(fā)生分離時，分離點處的剪應(yīng)力值為最小，流動分離可導(dǎo)致飛行器“失速”，更嚴重的則會導(dǎo)致空難。判斷飛行器周圍流體流動狀態(tài)，防止流動分離引發(fā)的失速對于維護飛行安全具有重要意義。通過剪應(yīng)力傳感器可以直觀的檢測到流動分離，從而為流動控制提供依據(jù)，以防止或抑制流動分離的發(fā)生。因此壁面剪應(yīng)力可以作為飛行器周圍流體運動狀態(tài)監(jiān)測的一項重要指標，剪應(yīng)力傳感器的研制也廣泛引起人們的關(guān)注在流體壁面邊界的剪應(yīng)力的準確測量，對于海軍和空軍有重要的意義。減少能量消耗和聲音波動，加快操作速度和可控性。這些是對于湍流邊界層的層流是真實的。評價和減少能量的消耗或增加操作速

3、度這兩者是聯(lián)系在一起的，所以實現(xiàn)高保真平均壁面剪應(yīng)力的測量是可取的。隨著近年來流體操作雷諾數(shù)的增加，流體的粘性壓力所占的百分比：飛行器是50%，水下航行器達到了90%。同時，在湍流邊界層的能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在很小的規(guī)模和很寬的頻率范圍。實現(xiàn)這些測量在嚴酷和復(fù)雜的環(huán)境下，比如海水，多相氣流，對于遙感技術(shù)有更高的限制。因此，當前先進的壁面剪應(yīng)力傳感器遙感技術(shù)，在高雷諾數(shù)的流體中分辨附近的壁面流體結(jié)構(gòu)，即是此傳感器能夠分辨出頻率達到10KHZ，大小100微米的結(jié)構(gòu)。常規(guī)的技術(shù)，比如熱線和熱膜風(fēng)速計，在要求的范圍內(nèi)不能提供充分準確的測量，而且也不能適應(yīng)嚴酷的環(huán)境條件。近期，作為新的傳感器的微機電系統(tǒng)器件的出

4、現(xiàn)有潛力克服這些限制。微型制造工藝技術(shù)能夠使傳感器的體積減小，增加了空間和時間分辨率，達到100甚至10微米級別。三個主要型號的MEMS傳感器的出現(xiàn)，每個傳感器都有著不同的模態(tài)準確度和頻率響應(yīng)。這三個分別是：浮動單元式，熱敏式和聲/光MEMS。浮動單元MEMS傳感器，利用一個或者多個可動機構(gòu)，加上一個可動的支撐梁，在小區(qū)域內(nèi)提供了一個表面摩擦的直接測量方法。基于熱的MEMS傳感器工作基于將的溫度變動轉(zhuǎn)換為電壓信號。第三種MEMS傳感器是利用超聲或者激光多普勒效應(yīng)來檢測壁面粒子對光的散射而產(chǎn)生的頻率變化。超聲多普勒測速儀測量發(fā)射和反射信號的多普勒頻率的改變。與光學(xué)對應(yīng)的即是光學(xué)MEMS（MOEM

5、S），以動態(tài)黏度，粒子通過不同條紋的多普勒散射頻率，和條紋發(fā)散率的結(jié)果計算壁面剪應(yīng)力。其他的新型剪應(yīng)力傳感器包括基于活性離子聚合物和光纖的傳感器。此文全面介紹了這些當前先進的壁面剪應(yīng)力測量技術(shù)。浮動單元式MEMS傳感器浮動式MEMS傳感器測量積分的力在柔性膜上，它通過很薄的100-500微米大小的柔性曲面支撐。這個測量方法的優(yōu)勢在于它是直接測量表面摩擦因此不需要很豐富的流體知識。盡管如此，傳感器填充 從誤差相關(guān)的傳感器浮動單元和縫隙的不對稱，壓力梯度，十字軸靈敏度到加速度和振動輸入，縫隙和浮動單元之間的加工碎片和傳感器安裝。而且，浮動單元必須充分的靈活（影響其耐用性）可以感受出10e-12N大

6、小的力。另外一個設(shè)計的限制就是壓力的靈敏度。Maclean和 Schetz發(fā)表了大量論文討論了關(guān)于浮動式傳感器的操作和誤差分析，在壓力梯度存在的情況下理論誤差是17%。sheplak等人研究了浮動式MEMS傳感器對于靜態(tài)和動態(tài)壁面剪應(yīng)力的的響應(yīng)，很可能是迄今為止在文獻里提出最全面的校準工作。該傳感器組成是由一個500×500平方微米7微米厚的硅浮動單元懸掛在四個500微米長×7微米寬×7微米厚的硅片表面1微米以上。靜態(tài)校準傳感器的測量范圍達到了0.001410Pa的范圍，的本底噪聲測量為0.0004Pa。這個工作的一個主要貢獻在于動態(tài)校準中使用平面波管產(chǎn)生斯托克斯

7、層震蕩。該儀器允許波動剪切力限制在0.1帕到1帕，頻率從100 Hz 10 kHz ；但頻率不能超過4KHz，由于該管的頻率共振。傳感器的響應(yīng)被證明在大部分剪應(yīng)力和頻率范圍內(nèi)是線性的。這項研究的一個限制是動態(tài)校準頻率響應(yīng)函數(shù)在波德圖的幅度的形式表示的；在時域內(nèi)的實際信號誤差分析沒有給出。這項發(fā)明作為美國專利在2005年11月專利號：20056966231。類似的發(fā)明，使用能夠電容元件檢測剪切力的大小和方向的專利為美國徐等人專利，專利號碼20026341532。圖1.浮動單元式MEMS剪應(yīng)力傳感器的側(cè)壁和頂部安裝的壓阻單元設(shè)計Schober等人已經(jīng)完成了MEMS表面柵欄傳感器性能的調(diào)研，特別是對

8、于浮動式傳感器。傳感器的工作原理是通過壓差。此壓差是柔性膜從硅片延伸到粘性子層測量得到的。此壓差產(chǎn)生一個可測量的偏轉(zhuǎn)量，偏轉(zhuǎn)通過安裝在任意一個柵欄末端的2個壓阻負載得到。對于剪應(yīng)力測量范圍為-0.7+0.7Pa，分辨率為0.02Pa的傳感器靜態(tài)校準在普雷斯頓管中進行；動態(tài)校準還沒有進行嘗試。此外，在阻礙的分離流下游地區(qū)，壁面剪切力時間平均的結(jié)果，表現(xiàn)出與時間平均脈沖熱線數(shù)據(jù)的一致性。最近一段時間，Barlian等人制作一個浮動單元式MEMS傳感器，結(jié)合了側(cè)壁來測量的側(cè)向力和應(yīng)力，更傳統(tǒng)的自上而下注入壓阻測量壓力和應(yīng)力【如圖1】這些傳感器都是為應(yīng)用于流體力學(xué)而設(shè)計的。氫退火工藝用來處理由深反應(yīng)離

9、子蝕刻（DRIE）工藝造成的不平的齒痕表面。這個過程中，發(fā)現(xiàn)本底噪聲降低一個數(shù)量級。對溫度的敏感性進行了分析，壓阻元件的靈敏度是0.0081kOhms/C-1。該小組建議在未來的傳感器制造中使用溫度補償信號調(diào)理。普利亞姆【Pulliam】等人開發(fā)了一種利用光學(xué)干涉浮動元素的剪應(yīng)力傳感器。光傳送通過光學(xué)纖維在纖維和支撐浮動頭之間創(chuàng)建一個干涉區(qū)域由于流體剪切力偏轉(zhuǎn)浮動頭，干涉地區(qū)發(fā)生了變化，這種變化與剪應(yīng)力的相關(guān)。該傳感器為美國專利，專利號碼20026426796。Horowitz等人提出了一種新型的浮動單元剪應(yīng)力傳感器，該傳感器使用光學(xué)莫爾技術(shù)【如圖2】。摩爾技術(shù)是通過在兩個不同強度的光柵上圖案

10、鋁線實現(xiàn)的。兩個光柵的結(jié)合，創(chuàng)建了一個依賴翻譯的莫爾條紋圖案，這是從晶片的一側(cè)照亮，以盡量減少照明流動擾動。電荷耦合器件（CCD）相機用來記錄的條紋圖案。該傳感器是免疫電磁干擾的影響，由于壓力波動和振動，其輸出不會受到橫向單元運動的影響。初步結(jié)果顯示，盡管從數(shù)據(jù)中可以明顯看出傳感器存在非線性，剪應(yīng)力傳感器的均值和動態(tài)的測量效果很客觀，校準執(zhí)行到1.3帕，靈敏度為6.2毫帕。此傳感器已在美國申請專利。專利號20060137457。圖2.基于微光機電系統(tǒng)的運用幾何莫爾光學(xué)技術(shù)的壁面剪應(yīng)力傳感器熱膜式剪應(yīng)力傳感器第二種MEMES剪應(yīng)力傳感器是基于熱理論的，與熱線風(fēng)速計的原理一樣，將溫度浮動變化量轉(zhuǎn)換

11、為電信號。由于頻率依賴的熱傳導(dǎo)到基板需要更加復(fù)雜的校準過程，這個技術(shù)的主要缺陷在于基于熱的傳感器的頻率響應(yīng)很難表征出來。這種傳感器的最早形式是有Huang等人發(fā)明的，在美國的專利號為19995883310. 傳感器由1微米厚的基板加熱2微米的真空分離元素，并具有內(nèi)置自我頻率和溫度校正。Sheplak等人對基于熱的剪應(yīng)力傳感器在動態(tài)和靜態(tài)環(huán)境中進行測試。通過層流渠道實現(xiàn)靜態(tài)標定高達1.7Pa，動態(tài)標定在平波管中進行，采用如上說敘的斯托克斯層震蕩方法，理論上波動的剪應(yīng)力在0.9mPa(0.2Hz)到6.1mPa(7kHz)。本底噪音為100nV/根號Hz，分辨率為9uPa/Hz。lofdahl等人

12、。研究了在50至250微米之間的墻壁之上在不同的高度放置一個微型導(dǎo)線熱絲MEMS傳感器的響應(yīng)。傳感器標定的時間平均穩(wěn)態(tài)剪切應(yīng)力值介于0和0.5mPa；未進行動態(tài)校準。為了測量傳感器的頻率響應(yīng)，時間分辨率測量是在一個距離傳感器80mm的上游流體邊界層進行，該流場定期吞入和呼出頻率為260Hz，流場為流體提供了一個干擾流。LIU等人利用氣動熱風(fēng)速儀的應(yīng)用原理，已經(jīng)制定了類似的薄膜傳感器陣列來檢測空氣動力學(xué)分離點。【如圖3】該傳感器包括了位于硅氮化合物襯底上的鉑薄膜電阻。薄膜電阻通過電流加熱表面，剪應(yīng)力傳感器實現(xiàn)了從熱-環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換。此傳感器是用于檢測圓柱流體的分離點。圖3 分離點檢測的薄膜傳感器

13、陣列為了避免了熱傳遞到基板上，最近Kim和Lee研制了一種熱膜剪應(yīng)力傳感器【如圖4】采用背面孔連接。小孔通過互連通道孔連接到基板上，中度低溫?zé)嵫趸瘧?yīng)用于隔絕被蝕刻暴露在外面的基板。傳感器使用旋轉(zhuǎn)盤（庫愛特流）進行靜態(tài)標定【如圖5】，在過熱比為0.050.20范圍內(nèi)，剪應(yīng)力大小范圍為00.9Pa。傳感器的靈敏度隨過熱比增加而增加，隨著剪應(yīng)力的幅度減小而減小。總體而言，該傳感器顯示比類似的熱膜傳感器靈敏度更高，范圍在200至800毫伏/帕。階梯旋轉(zhuǎn)盤進行動態(tài)標定在達到400Hz ，據(jù)推算該信號將分辨率超過1KHz在微流體中，Xu等人制造了一種基于MEMS應(yīng)用于微管道的混合傳感器，集合了剪應(yīng)力、壓力

14、和溫度傳感器【如圖6】所示。這個傳感器的分辨率為82.9 V/(kPa V)。這個設(shè)備的傳感器的部分在馬赫數(shù)為0.20.6的微管道內(nèi)測試，傳感器之間的響應(yīng)非常類似。然而，壁面剪應(yīng)力傳感器沒有校準。 Soundararajan等人開發(fā)一個應(yīng)用于微循環(huán)的類似MEMS熱膜的剪應(yīng)力傳感器。對于這個傳感器，為了增加傳感器單元的電阻率達到2.5 k歐姆，多晶硅單元中摻雜有磷元素。但是最多晶硅中注入磷元素會使電阻溫度系數(shù)【TCR】變?yōu)樨摂?shù)，有趣的是，電壓與剪應(yīng)力呈線性關(guān)系，由于TCR為負，所以斜率也為負的。更近的Tung等人成功地實現(xiàn)了在360微米長90微米寬的導(dǎo)電跡線上橫向?qū)R的碳納米管。【如圖7】導(dǎo)電跡

15、線是在兩個三角電極之間施加高頻交流電壓實現(xiàn)對齊的。室溫下580歐姆的電阻相應(yīng)的電導(dǎo)率為27000s/m。絕對的電阻溫度系數(shù)量級小于高度摻雜的多晶硅傳感材料，范圍從0.01至0.04/C，這個電阻系數(shù)的減少是不利的，在納米流體測量中不能產(chǎn)生任何能量損耗的改進，在納流控應(yīng)用中，創(chuàng)造體積更小和熱質(zhì)量比摻雜的多晶硅傳感器質(zhì)量好的傳感器是具有獨特的優(yōu)勢圖4 背面絕緣孔的熱膜剪應(yīng)力傳感器圖5 (a) 旋轉(zhuǎn)盤 (b) 兩個盤的詳細圖解 圖6 混合傳感器圖7導(dǎo)電跡線上的三角形微電極之間的碳納米管陣列光和聲學(xué)剪應(yīng)力傳感器第三種MEMS傳感器是利用超聲或者激光多普勒效應(yīng)來檢測壁面粒子對光的散射而產(chǎn)生的頻率變化來工

16、作的。光學(xué)散射微型剪應(yīng)力傳感器是利用激光多普勒效應(yīng)測量流體流動速度，進而轉(zhuǎn)換成流體壁面剪應(yīng)力。其測量原理可以表述為：根據(jù)多普勒效應(yīng)，輻射源和接收器之間的相對運動會產(chǎn)生輻射頻率的變化，當光源和接受器沒有相對運動而光路某處光源被運動目標散射時，也會產(chǎn)生類似的多普勒頻移，因此，只要測出隨流體一起運動的微粒對激光束散射的多普勒頻移，就可以獲得流場中該點的速度，進而計算出流體壁面剪應(yīng)力。光學(xué)部分，就是光學(xué)MEMS，通過動態(tài)黏度、不同的條紋模式產(chǎn)生的多普勒散射頻率和發(fā)散率作為結(jié)果計算壁面剪切應(yīng)力。這兩種類型的傳感器提供了直接測量現(xiàn)場的壁面剪切應(yīng)力，在最佳條件下具有非侵入性，高度準確，高頻率的波動響應(yīng)。測量

17、粒子傳播，從而大大限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，而且，這個方法也受限于復(fù)雜傳感器制造技術(shù)，探頭包含在整個粘性底層。在采用自然傳播的流場中，測量的準確性受離子的大小和性能的影響，估計UDV的總誤差為+ / - 8.4。光學(xué)傳感器有潛力提供高精度的剪應(yīng)力測量技術(shù)，散射多普勒平移的方法是有效的。用激光二極管和傳統(tǒng)的光學(xué)將發(fā)散的條紋圖案投影到上述表面。【如圖8】現(xiàn)場的邊緣分離設(shè)計時線性的，通過公式s=ky，k是邊緣的發(fā)散率。假定測量位置是在線性黏性底層區(qū)域，這是不一定的情況下，速度梯度是頻移和邊緣發(fā)散率的結(jié)果。Fourgette等人對光學(xué)MEMS剪應(yīng)力傳感器進行了靜態(tài)的標定，該小組理論上估計了低雷諾數(shù)的邊界層精

18、度在99%。然而這個方法的精度會隨著雷諾數(shù)的增加而減少，由于探頭的高度和粘性底層的高度有關(guān)。考慮到這兩個量的比例，他們估計精度低至70%。圖8 Fourgette等人研制的基于微光機電系統(tǒng)的剪應(yīng)力傳感器；由美國航空航天公司協(xié)會許可重印國內(nèi)對微剪應(yīng)力傳感器的研究起步較晚，且研究單位有限，目前僅有中國工程物理研究院流體物理研究所、中國空氣動力研究與發(fā)展中心、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位開展了相關(guān)研究工作。2006年，張旭等人對動態(tài)共振剪應(yīng)力傳感器進行了理論建模、數(shù)值模擬和實驗驗證，【圖9】為傳感器的方案模型。動態(tài)共振傳感器基于動態(tài)共振系統(tǒng)對環(huán)境微小變化敏感的特點，傳感器表面單元需要通過驅(qū)動系統(tǒng)在其結(jié)構(gòu)共振頻率點動態(tài)共振，同時需要有位移測量系統(tǒng)測量傳感器表面單元的位移。當作用在動態(tài)共振傳感器上剪應(yīng)力發(fā)生變化時，位移傳感器的輸出也隨之變化。該傳感器雖然靈敏度高，但驅(qū)動與檢測同時存在使得系統(tǒng)復(fù)雜，共振單元表面的運動是否對流體固有的流場產(chǎn)生影響未