柔性热剪切应力微传感阵列研究

论文摘要

剪切应力是流场控制过程中的重要物理量,在运载工具减阻、医学疾病诊断及军事装备监测等领域具有重要的应用价值。多传感器组成的阵列式结构可以同时对剪切应力的时间和空间分布进行测量,是实现主动闭环流场控制的前提。热传递法和柔性聚合物薄膜相结合的剪切应力微传感阵列能够具备良好的柔性特征,适用于非规则壁面处的剪切应力测量。本论文中的微传感阵列具有非悬空热线、聚酰亚胺-铂-聚酰亚胺三明治结构、集中引线与独立引线相结合的布线形式、背部引脚接线等结构特点,可以利用多层聚合物结合的柔性微加工技术进行制作。利用静态和动态的温度补偿方法可以分别对空气和水中由流体温度变化引起的输出误差进行补偿,该方法也能拓展至其他流体环境。微传感阵列与测试电路级联调试并标定后,形成了具有微型化、阵列式、适用于非规则壁面、水/空两用等应用特征的柔性热剪切应力微传感阵列及其测试系统。本文的主要工作内容概括如下:1.柔性热剪切应力微传感器的原理分析与结构优化设计。在有效工作范围内,热线功率与流体剪切应力的立方根成线性相关关系,故可通过测量热线的电学特性计算出流体的剪切应力。选择聚酰亚胺和金属铂分别作为柔性基底和热线的结构材料,在具备柔性特征的同时可以减小热线在基底中的热消耗。热线与补偿单元处于相邻并列位置,两者在流体变温及薄膜拉伸时的阻值变化率几乎相同,由此可通过温度补偿方案进行有效补偿。采用集中引线与独立引线相结合的引线排布方式,可以大幅减少微传感阵列中引线和引脚的数量,便于与测试电路进行连接。热线与接线引脚位于薄膜的正反两侧,薄膜的固定与连接过程方便,无需对引脚和连接线进行额外保护,接线也不会受到流动流体的冲击,整体可靠性高。分别利用平面温度分析和截面温度分析方法定性和定量地研究了热线功率、流体热通量、流体剪切应力及热线温度之间的关系。通过优化分析与设计确定热线尺寸为1000×5×0.2μm3,其理论阻值为106Ω,薄膜的整体厚度仅50μm。2.基于柔性微加工技术的微传感阵列制备。详细介绍了微传感阵列的制备流程,主要包括聚酰亚胺的旋涂与热固化,金属热线层的溅射,铜掩模层、镍引线层及镍引脚层的光刻与电镀,以掩模层为图形保护的热线层刻蚀,掩模层的腐蚀,防水层的溅射等。同时对柔性薄膜制作与释放、微小尺寸热线成型以及多层微结构结合等关键工艺进行了分析与选择,最终形成了20通道的水/空两用柔性微传感阵列。3.传感器的恒温测试模式及其温度补偿电路。基于剪切应力传感器的热传递工作原理,建立传感器的热学转电学与电学转热学的等效模型,进而形成传感器与测试电路相结合的系统级仿真模型。在恒温测试电路中,热线温度几乎保持不变,而电路输出会随着剪切应力的升高而增大,同时也会随着流体温度的升高而减小。将含有补偿单元的静态温度补偿环路接入原有的测试环路中,通过调节补偿环路放大倍数可以大幅减小流体温度变化对电路输出产生的影响。与原电路不同的是,流体温度升高会引起相同大小的热线升温,但对电路输出几乎不会产生影响。通过误差分析可知,在补偿温度区间内可以设置输出波动最小以及输出与初始值偏离程度最小两种补偿模式。部分流体中热线的剪切应力灵敏度与流体温度相关,此时需引入温度函数,然后将与温度相关的动态补偿模块连接至静态温度补偿电路的输出端,从而实现微传感阵列在不同流体中的温度误差补偿。4.柔性热剪切应力微传感阵列的测试与标定。对微传感阵列中的热线进行表征,结果显示电阻温度系数的平均值为2137 ppm/°C,线性度优于99.96%。薄膜平行弯曲时热线阻值几乎不受影响,而垂直弯曲时热线阻值可能会因拉伸作用产生小幅增量。热线在水中的阻值变化小于0.06%,故可以进行较长时间的水下测试。测得热线的启动功率和功率温度系数分别为2.5 mW和7.66°C/mW,最高工作温度在550°C以上。此外,补偿环路放大倍数的理论计算值与实验测试值有所差异,实际调节时需引入修正系数,本论文中选取0.83。对同时工作的多个通道进行温度分布研究,结果表明不同通道之间的热线互不干扰,补偿单元也几乎不发热。系统的输出稳定性和开机重复性较好,电阻过热率与剪切应力响应之间成正比关系。通过风洞和循环水槽测得微传感阵列在空气和水中的灵敏度分别为0.092 V2/Pa1/3和0.0123 V2/Pa1/3,验证了微传感阵列在不同流体环境中的工作有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 剪切应力测量综述
•     1.1.1 活动质量法
•     1.1.2 油膜干涉法
•     1.1.3 液晶涂覆法
•     1.1.4 压差法
•     1.1.5 光谱频移法
•     1.1.6 热传递法
•     1.1.7 技术对比与方案
•   1.2 热剪切应力传感器的电路系统
•     1.2.1 测试电路
•     1.2.2 温度补偿电路
•     1.2.3 电路对比与方案
•   1.3 本论文的研究意义
•   1.4 本论文的主要研究内容
•   1.5 本章小节
• 第二章 柔性热剪切应力微传感阵列的优化设计
•   2.1 热剪切应力传感器的工作原理
•   2.2 热剪切应力微传感阵列的材料选择
•   2.3 微传感阵列的结构设计
•   2.4 微传感阵列的仿真优化
•     2.4.1 多物理场耦合的剪切应力测量过程
•     2.4.2 平面温度分析
•     2.4.3 截面温度分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 柔性热剪切应力微传感阵列的MEMS制备
•   3.1 微传感阵列的制备流程
•   3.2 关键工艺的选择与实现
•     3.2.1 柔性薄膜的制作与释放
•     3.2.2 微小尺寸热线的成型
•     3.2.3 多层微结构的结合
•   3.3 本章小结
• 第四章 传感器的恒温测试模式及其温度补偿电路
•   4.1 传感器的热学-电学模型
•   4.2 恒温测试电路
•   4.3 静态温度补偿电路
•     4.3.1 电路设计及其系统级仿真
•     4.3.2 误差分析
•   4.4 动态温度补偿方案
•   4.5 本章小结
• 第五章 柔性热剪切应力微传感阵列的测试与标定
•   5.1 热线的表征
•   5.2 电路制版与调节
•   5.3 空气环境测试
•     5.3.1 温度分布
•     5.3.2 稳定性及响应时间测试
•     5.3.3 剪切应力响应
•   5.4 水环境标定
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文完成的主要研究工作和结论
•   6.2 本文主要创新点
•   6.3 下一步研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 唐健

导师: 张卫平

关键词: 热传递,柔性微加工技术,剪切应力,微传感阵列,温度误差补偿

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,自动化技术

单位: 上海交通大学

基金: MEMS传感及控制领域,在预研基金(9140A14010511JW0304),微米,纳米加工技术重点实验室基金(9140C790405110C7904),教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-0583)

分类号: TP212;O35

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000510

总页数: 129

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