用于壁面切应力测量的微传感器设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com第46卷第24期机械工程学报V01．46NO．242010年12月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGDec．2010DoI：lO．3901／JME．2010．24．054用于壁面切应力测量的微传感器设计木吕海峰姜澄宇邓进军马炳和苑伟政(西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室西安710072)摘要：壁面切应力的测量是流体动力学领域中一项非常重要的测试任务，采用MEMS技术设计、加工的微型切应力传感器能够为壁面切应力的测量提供新的手段。微传感器设计过程中推导其浮

2、动单元线性位移与弹性粱宽度的关系，通过限位装置提高了微传感器的抗过载能力。有限元仿真结果与试验模态分析的最大偏差为8．2％，表明仿真过程中对结构进行的简化以及单元的选取是合理的。加工过程中，采用等离子刻蚀工艺形成传感器的结构，湿法刻蚀]_艺完成浮动单元的释放，所加工传感器的整体尺寸为3．4mm~2．5mm~0．6mm。开发了一种封装结构实现传感器与壁面的平齐安装。风洞试验结果说明在O～3Om／s风速范围内传感器的灵敏度为51．2mV／Pa，该传感器可以用于壁面切应力的测量。关键词：壁面切应力微传感器设计仿真风洞试验中图分

3、类号：TP212．9DesignofMicroSensorforWallShearStressMeasurementLUHaifengJIANGChengyuDENGJinjHI1MABingheYUANWeizheng(MicroandNanoElectromechanicalSystemsLaboratory,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072)Abstract：Themeasurementofwallshearstressisanimportanttask

4、influiddynamics．ThemicroshearstresssensorwhichisdesignedandfabricatedbyusingMEMStechnologycansupplyanewmethodforthismeasurement．Duringtheprocessofdesign，therelationshipbetweenthelineardisplacementoffloatingelementandthewidthofelasticbeamisdeduced．Thecagingdevices

5、aredesignedtoimprovetheoverloadcapabilityofthemicrosensor．Themaximumdeviationoffiniteelementsimulationresultsfromtheexperimentallydeterminedmodesis8．2％．indicatingthatthesimplificationofthestructureandthetypesofelementsarereasonable．Duringtheprocessoffabrication，p

6、lasmaetchingtechnologyisusedtoformthesensorstructure，andwetetchingtechnologytoaccomplishthereleaseoffloatingelements．Thedimensionofthemicrosensoris3．4rnrn×2．5mm×0．6mm．Aspecialpackageisusedtorealizeflush-mountingbetweenthesensorandthewal1．Thewindtunneltestresultsh

7、owsthatinthewindspeedofO～30m／s．thesensorsensitivityis51．2mV／Pa．Themicroshearstresssensorcanbeusedtomeasurethewallshearstress．Keywords：WallshearstressMicrosensorDesignSimulationWindtunneltest力测量手段的提高对于飞行器、航行器的设计、测0前言试具有重要意义。切应力的测量分为间接测量和直接测量两种方式，间接测量主要通过测量近壁面处飞行器、

8、航行器在巡航过程中，摩擦阻力在总的压力梯度、速度梯度、热交换以及其他参数建立阻力中占有较高的比例，例如亚声速飞机，表面摩与切应力的关系，由于受到多个环节影响，间接测擦阻力占总阻力的50％左右【JJ；低速船的摩擦阻力量时精度不高；直接测量时所用到的传感器一般都约占总阻力的70％~80％l引。因此降低摩擦阻力是具有浮动单