第42卷第7期 雷强等:MEMS壁面剪切应力传感器研究进展 7 价值,如降低阻力、转捩控制、混合增强以及分离滞 参考文献 后等。瞬态壁面剪切应力对于壁面流动实现上述所口 SHEPLAK M, CATTAFESTA L, NISHIDA T.MEMS 有目标的反应流动控制十分有意义。为实现这 shear stress sensors: promIse progress[C∥24 th Alaa 目的,往往需要用传感器和执行器覆盖相当大的表 Aerodynamic Measurement Techlogy Testing Conference 面面积,如机身或者机翼。执行器阵列需要与传感器 IAA,2004:79104 阵列集成以实现局部流动区域的控制,通常是传感凹2」 BUSHNELL D M. Viscous drag reduction in boundary 器阵列提供相干结构的信息,执行器阵列根据反馈 yers M]. AIAA, 1990: 54-75. 信息进行动作,从而达到控制流场的目的。快速、小1 O GRADY A. Development of a MEMS sensor for sub 巧和低成本的壁面剪切应力传感器将有望实现这种 kPa shear stress measurements[D]. New York: Columbia 极富生命力的控制系统。 虽然MEMS剪切应力传感器已经取得了很大1 nauGHtoN J, All... Modern development 进步,但迫切需要解决以下难题,量化不确定度,使测 in shear-stress measurement[J Progress in Aerospace 量结果更加标准可靠。在直接测量方法中,常规浮动 Sciences,2002,38(6):515-570 元件的进一步目标就是通过特殊的封装工艺将光源5] SCHETZ J A. Direct measurement of skin friction in com 和传感器集成到同一芯片上,需提高传感器的鲁棒 plex flows(C)//Proceedings of the 48th AIAA Aerospace 性,减小间隙和光源所带来的误差;单悬臂梁浮动元 Sciences meeting Including the New Horizons forum and Aerospace Exposition. Orlando Florida, 2010: 1-28. 件可采用MEMS集成制造工艺,需通过一步成型工 SCHMIDT M, HOWE R T, SENTURIA S D,etal 艺同时形成浮动元件,保护壳和壁面,减少工艺带来 Design and calibration of a microfabricated floating-ele-. 的误差;微栅栏由于宽度的限制,沿翼展方向的空间 ment shear-stress sensor[J]. IEEE Transactions on Elec 分辨率很低,这就必须在空间分辨率和灵敏度之间 on devices,1988,35(6):750-75 进行权衡,校准曲线左右分支不对称的机理需要进 [7 PAN T, HYMAN D, MEHREGANY M, et al. Micro- 步研究,以确定这种不对称与不确定度之间的关 fabricated Shear Stress Sensors. Part 1. Desi 系。在间接测量方法中,热膜/热线可以通过数字仿 Fabrication[J) Aiaa Journal, 1999, 37(1): 66-72. 真加深对热传导静态和动态校准的理解优化热传8 HYMAN D,PANT, RESHOTKO E, et al. micro 感器的设计;微柱由于粘性底层的厚度限制了微柱 cated Shear Stress Sensors, Part 2: Testing and Cali 的高度,更高的谐振频率需要刚度更大的微柱(更低 bration[J]. Aiaa Journal, 1999, 37(1): 73-75 的纵横比),因此必须解决这种纵横比和谐振频率之p] PATEL M P, RESHOTKO E, HYMAN D. Microfabric 间的冲突。 cated Shear-Stress Sensors, Part 3: R 结束语 Uncertainty[J]. Aiaa Journal, 2002, 40(8): 155 随着雷诺数增大,湍流流动过程中将会自动产生[0 ZONG Z. MEMS floating element sensor array for wall 更小的特征尺度和更短的时间尺度,因此需要更小 shear stress measurement under a turbulent 更快的传感器以获得准确的流场信息。由于MEMS技 layer!D]. Massachusetts: Tufts University, 2014. 术可以加工出在空间和时间上同时具有 Kolmogorov [11 ZHAO Z, LONG K R, GALLMAN J, et al. Flow 微尺度量级的传感器,从而可以满足上诉湍流测量的 Testing of a MEMS Floating Element Shear Stress Sen- 苛刻技术指标。MEMS制造工艺依托并扩展了硅基 sor[]52nd American Institute of Aeronautics and As- 集成电路制造技术,以合成小型化的工程系统,这种 微型化技术为开发高性能的传感器提供了机遇。从121 MANAHAN A, SHEPLAK M, BREUER、aa Micromachined sensors for static and dynamic shear 剪切应力测量的角度看,微传感器的小尺寸、低惯性 stress measurements in aerodynamic flows [C/IEEE on 极大地改善了测量的时间和空间带宽,对检测和调制 olid state Sensors and Actuators International Confer- 流场具有重要意义,如减少阻力,转捩控制和分离点 nce.Chicago: IEEE, 1997(1): 137-140 延迟等。结合现代计算机技术,微型化、低加工成本 [13] PADMANABHAN A, GOLDBERG H, BREUER K D 低功耗的剪切应力传感器与执行器集成阵列有望实 et al. A wafer-bonded floating-element shear stress 现局部流场的检测与控制。可以预见,MEMS剪切应 crosensor with optical position sensing by photodiodes[J] 力传感器在以后剪切应力测量和流动控制中,将发 Jourmal of Microelectromechanical Systems, 1996, 5(4) 挥重要作用。 307-315第 42 卷第 7 期 价值袁如降低阻力尧转捩控制尧混合增强以及分离滞 后等遥 瞬态壁面剪切应力对于壁面流动实现上述所 有目标的反应流动控制十分有意义[40] 遥 为实现这一 目的袁往往需要用传感器和执行器覆盖相当大的表 面面积袁如机身或者机翼遥执行器阵列需要与传感器 阵列集成以实现局部流动区域的控制袁通常是传感 器阵列提供相干结构的信息袁执行器阵列根据反馈 信息进行动作袁从而达到控制流场的目的遥 快速尧小 巧和低成本的壁面剪切应力传感器将有望实现这种 极富生命力的控制系统遥 虽然 MEMS 剪切应力传感器已经取得了很大 进步袁但迫切需要解决以下难题袁量化不确定度袁使测 量结果更加标准可靠遥在直接测量方法中袁常规浮动 元件的进一步目标就是通过特殊的封装工艺将光源 和传感器集成到同一芯片上袁需提高传感器的鲁棒 性袁减小间隙和光源所带来的误差曰单悬臂梁浮动元 件可采用 MEMS 集成制造工艺袁需通过一步成型工 艺同时形成浮动元件袁保护壳和壁面袁减少工艺带来 的误差曰微栅栏由于宽度的限制袁沿翼展方向的空间 分辨率很低袁这就必须在空间分辨率和灵敏度之间 进行权衡袁校准曲线左右分支不对称的机理需要进 一步研究袁以确定这种不对称与不确定度之间的关 系遥 在间接测量方法中袁热膜/热线可以通过数字仿 真加深对热传导袁静态和动态校准的理解袁优化热传 感器的设计曰 微柱由于粘性底层的厚度限制了微柱 的高度袁更高的谐振频率需要刚度更大的微柱渊更低 的纵横比冤袁因此必须解决这种纵横比和谐振频率之 间的冲突遥 4 结束语 随着雷诺数增大袁湍流流动过程中将会自动产生 更小的特征尺度和更短的时间尺度袁因此需要更小尧 更快的传感器以获得准确的流场信息遥 由于 MEMS 技 术可以加工出在空间和时间上同时具有 Kolmogorov 微尺度量级的传感器袁从而可以满足上诉湍流测量的 苛刻技术指标遥 MEMS 制造工艺依托并扩展了硅基 集成电路制造技术袁以合成小型化的工程系统袁这种 微型化技术为开发高性能的传感器提供了机遇遥 从 剪切应力测量的角度看袁微传感器的小尺寸尧低惯性 极大地改善了测量的时间和空间带宽袁对检测和调制 流场具有重要意义袁如减少阻力袁转捩控制和分离点 延迟等遥结合现代计算机技术袁微型化尧低加工成本尧 低功耗的剪切应力传感器与执行器集成阵列有望实 现局部流场的检测与控制遥 可以预见袁MEMS 剪切应 力传感器在以后剪切应力测量和流动控制中袁将发 挥重要作用遥 参考文献 [1] SHEPLAK M袁 CATTAFESTA L袁 NISHIDA T. MEMS shear stress sensors院promise and progress[C]椅24th AIAA Aerodynamic Measurement Techlogy Testing Conference. AIAA袁2004院79-104. [2] BUSHNELL D M. Viscous drag reduction in boundary layers[M]. AIAA袁1990院54-75. [3] O爷GRADY A. Development of a MEMS sensor for sub￾kPa shear stress measurements[D]. New York院 Columbia University袁2011. [4] NAUGHTON J W袁 SHEPLAK M. Modern developments in shear-stress measurement[J]. Progress in Aerospace Sciences袁2002袁38渊6冤院515-570. [5] SCHETZ J A. Direct measurement of skin friction in com plex flows[C]椅Proceedings of the 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Orlando Florida袁2010院1-28. [6] SCHMIDT M袁 HOWE R T袁 SENTURIA S D袁 et al. Design and calibration of a microfabricated floating-ele鄄 ment shear-stress sensor[J]. IEEE Transactions on Elec鄄 tron Devices袁1988袁35渊6冤院750-757. [7] PAN T袁 HYMAN D袁 MEHREGANY M袁 et al. Micro鄄 fabricated Shear Stress Sensors袁 Part 1院 Design and Fabrication[J]. 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