2 中国测试 2016年7月 0引言 作用下偏移的位移,进而解算出剪切应力,不需要提 在流体中,准确测量壁面剪切应力的能力具有前了解流体的环境,这种方法通常是通过一个浮动 广阔的应用范围,可应用于空气动力研究、工业过程元件或浮动头来实现。目前,MEMS剪切应力传感器 控制和生物医学等领域。简单地说,壁面剪切应力是已经发展出浮动元件、微栅栏等直接测量方法。 流体经过物体表面产生的粘性阻力,它是评估任何1.1浮动元件 流体工程设备性能和表面摩擦分布的重要物理量。1.1.1常规浮动元件 在空气动力研究和交通运输设计中,剪切应力相当 浮动元件是最常用的一种直接测量方法。典型 于一个阻碍飞行器或汽车运动的阻力;空气流过内的浮动元件(长L,宽W,厚t,齐平安装)剪切应力 燃机也会产生内部阻力,并且已经证明了这个阻力的传感器结构如图1所示。浮动元件通过微机械系 会显著降低燃烧效率;高速飞行时,粘性阻力所占比绳悬空(间距g),微机械系绳的作用类似于储能弹 重很大。因此,对于航空航天和交通运输等领域表簧,刚度为k。流体流过浮动元件表面,在剪切应力 面摩擦的测量十分重要,因为摩擦阻力的减小就意的作用下,浮动元件会产生一个横向偏移。剪切应力 味着飞行同样航程所消耗的燃料减少凹。剪切应力还与浮动元件的偏移位移相关,这个位移可以通过电 可以用来判断飞行器的分离点(剪切应力为0的点),容和光学等方法检测。 分离点大大增加了飞行器的阻力,也增加了控制飞行 Schmidt等最早研究了MEMS浮动元件剪切应 器稳定的难度表面摩擦也是表征湍流边界层状态力传感器。该传感器由浮动元件和4个系绳组成,在 的重要物理量,对于边界层中湍流的理解和控制,表硅基底上使用聚酰亚胺表面微加工工艺制造。如图 面摩擦具有十分重要的作用。 2所示,3个钝化电极位于晶圆表面,1个薄的导体 湍流边界层具有微秒量级的时间尺度和微米嵌入到浮动元件中,3个平行板电容器能够检测浮 量级的长度尺度(比如在高雷诺数时,长度尺寸可达动元件的偏移。敏感电容Cm和Cn2与浮动元件的偏 100μm,所需带宽>kHz),为了精确测量剪切应力 传感器必须具有很高的时间和空间分辨率。从剪切 应力测量的角度上来看,小的物理尺寸意味着惯性 质量和热容的大幅度减小,从而使得微电子机械系 统( micro- electro- mechanical systems,MEMS)传感器 系绳 浮动元件 适于高时空分辨率和高雷诺数流动的测量。MEMS 技术低成本的优势,使得在大面积/体积的流场内应 用大量/多种微型传感器成为可能,这反过来使得 MEMS传感器适于研究湍流的相干结构和有效开展 (a)俯视图 湍流剪切流动的反应流动控制。目前,已经有许多方 法用于测量壁面剪切应力,并针对应用的目标和环境, 测量要求有所不同←。对于层流测量,传感器必须 能够测量时均剪切应力;对于湍流测量,时均参数和 脉动参数则同样重要。根据测量方式的不同,MEMS 剪切应力传感器可以划分为直接测量和间接测量 截面X-X 两类 直接测量方法 (b)横截面示意图 直接测量方法是通过测量浮动元件在剪切应力 图1典型浮动元件传感器结构示意图 收稿日期:2016-02-10;收到修改稿日期:2016-03-13 基金项目:国家自然科学基金(61574131);中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金(2014ZA001) 核探测与核电子学国家重点实验室开放课题基金(2016KF02);西南科学大学特殊环境机器人技术四川省重点实验 室开放基金(14atk01);中国工程物理研究院电子工程研究所创新基金(S20141203);西南科技大学研究生创新基金 作者简介:雷强(1992-),男,四川绵阳市人,硕土研究生,专业方向为微电子机械系统 通信作者:高杨(1972-),男,四川绵阳市人,研究员,博士,主要从事微电子机械系统研究。中国测试 2016 年 7 月 收稿日期院2016-02-10曰收到修改稿日期院2016-03-13 基金项目院国家自然科学基金渊61574131冤曰中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金渊2014ZA001冤曰 核探测与核电子学国家重点实验室开放课题基金渊2016KF02冤曰西南科学大学特殊环境机器人技术四川省重点实验 室开放基金渊14zxtk01冤曰中国工程物理研究院电子工程研究所创新基金渊S20141203冤曰西南科技大学研究生创新基金 渊16ycx103冤 作者简介：雷 强渊1992-冤袁男袁四川绵阳市人袁硕士研究生袁专业方向为微电子机械系统遥 通信作者院高 杨渊1972-冤袁男袁四川绵阳市人袁研究员袁博士袁主要从事微电子机械系统研究。 0 引 言 在流体中袁准确测量壁面剪切应力的能力具有 广阔的应用范围袁可应用于空气动力研究尧工业过程 控制和生物医学等领域遥简单地说袁壁面剪切应力是 流体经过物体表面产生的粘性阻力袁它是评估任何 流体工程设备性能和表面摩擦分布的重要物理量[1]遥 在空气动力研究和交通运输设计中袁剪切应力相当 于一个阻碍飞行器或汽车运动的阻力曰 空气流过内 燃机也会产生内部阻力袁并且已经证明了这个阻力 会显著降低燃烧效率曰高速飞行时袁粘性阻力所占比 重很大遥 因此袁对于航空航天和交通运输等领域袁表 面摩擦的测量十分重要袁因为摩擦阻力的减小就意 味着飞行同样航程所消耗的燃料减少[2]遥剪切应力还 可以用来判断飞行器的分离点渊剪切应力为 0 的点冤袁 分离点大大增加了飞行器的阻力袁也增加了控制飞行 器稳定的难度[3]遥表面摩擦也是表征湍流边界层状态 的重要物理量袁对于边界层中湍流的理解和控制袁表 面摩擦具有十分重要的作用[4]遥 湍流边界层具有微秒量级的时间尺度和微米 量级的长度尺度渊比如在高雷诺数时袁长度尺寸可达 100滋m袁所需带宽跃1 kHz冤袁为了精确测量剪切应力袁 传感器必须具有很高的时间和空间分辨率遥 从剪切 应力测量的角度上来看袁 小的物理尺寸意味着惯性 质量和热容的大幅度减小袁从而使得微电子机械系 统渊micro-electro-mechanical systems袁MEMS冤传感器 适于高时空分辨率和高雷诺数流动的测量遥 MEMS 技术低成本的优势袁使得在大面积/体积的流场内应 用大量/多种微型传感器成为可能袁这反过来使得 MEMS 传感器适于研究湍流的相干结构和有效开展 湍流剪切流动的反应流动控制遥 目前袁已经有许多方 法用于测量壁面剪切应力袁并针对应用的目标和环境袁 测量要求有所不同[1袁4-5]遥 对于层流测量袁传感器必须 能够测量时均剪切应力曰对于湍流测量袁时均参数和 脉动参数则同样重要遥 根据测量方式的不同袁MEMS 剪切应力传感器可以划分为直接测量和间接测量 两类遥 1 直接测量方法 直接测量方法是通过测量浮动元件在剪切应力 作用下偏移的位移袁进而解算出剪切应力袁不需要提 前了解流体的环境袁这种方法通常是通过一个浮动 元件或浮动头来实现遥 目前袁MEMS 剪切应力传感器 已经发展出浮动元件尧微栅栏等直接测量方法遥 1.1 浮动元件 1.1.1 常规浮动元件 浮动元件是最常用的一种直接测量方法遥 典型 的浮动元件渊长 Le袁宽 We袁厚 t袁齐平安装冤剪切应力 的传感器结构如图 1 所示遥 浮动元件通过微机械系 绳悬空渊间距 g冤袁微机械系绳的作用类似于储能弹 簧袁刚度为 k遥 流体流过浮动元件表面袁在剪切应力 的作用下袁浮动元件会产生一个横向偏移遥剪切应力 与浮动元件的偏移位移相关袁这个位移可以通过电 容[6-11]和光学[12-13]等方法检测遥 Schmidt 等[6]最早研究了 MEMS 浮动元件剪切应 力传感器遥该传感器由浮动元件和 4 个系绳组成袁在 硅基底上使用聚酰亚胺表面微加工工艺制造遥 如图 2 所示袁3 个钝化电极位于晶圆表面袁1 个薄的导体 嵌入到浮动元件中袁3 个平行板电容器能够检测浮 动元件的偏移遥敏感电容 Cps1 和 Cps2 与浮动元件的偏 Wt Le X X We Lt Lt 流体 系绳 浮动元件 渊a冤俯视图 k k t g 啄 Le 速度 截面 X-X 渊b冤横截面示意图 图 1 典型浮动元件传感器结构示意图 2