Micro thermal shear stress sensor based on vacuum anodic bonding and bulk-micromachining

This paper describes a micro thermal shear stress sensor with a cavity underneath, based on vacuum anodic bonding and bulk micromachined technology. A Ti/Pt alloy strip, 2μm×100μm, is deposited on the top of a thin silicon nitride diaphragm and functioned as the thermal sensor element. By using vacuum anodic bonding and bulk-si anisotropic wet etching process instead of the sacrificial-layer technique, a cavity, functioned as the adiabatic vacuum chamber, 200μm×200μm×400μm, is placed between the silicon nitride diaphragm and glass （Corning 7740）. This method totally avoid adhesion problem which is a major issue of the sacrificial-layer technique.

正弦余弦算法支持向量回归在MEMS剪应力传感器温度补偿中的应用

为解决电容式微机电系统(Micro-electromechanical system,MEMS)剪应力传感器输出信号随工作环境温度变化产生漂移的问题,提出了基于正弦余弦算法的支持向量回归(Sine cosine algorithm-support vector regression,SCA-SVR)温度补偿算法。首先,利用SVR对传感器温漂进行补偿;其次,基于SCA对SVR的超参数进行优化;最后,将所提出的SCA-SVR温度补偿算法与广泛应用的粒子群支持向量回归(Partical swarm optimization-support vector regression,PSO-SVR)算法进行实物实验对比。结果表明,基于SCA-SVR的温度补偿算法能够有效地对电容式MEMS剪应力传感器的输出温漂进行补偿,SCA-SVR算法补偿后的传感器输出信号与整定值间的相关系数提高至0.9996,均方根误差降低至0.0099 mV,比PSO-SVR算法补偿后的结果降低了一个数量级。

用于壁面切应力测量的微传感器设计

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动单元线性位移与弹性梁宽度的关系,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,湿法刻蚀工艺完成浮动单元的释放,所加工传感器的整体尺寸为3.4 mm×2.5 mm×0.6 mm。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0～30 m/s风速范围内传感器的灵敏度为51.2 mV/Pa,该传感器可以用于壁面切应力的测量。

微型热式剪应力传感器的热特性建模

为了提高微机电系统(MEMS)微型热式剪应力传感器的灵敏度,分析了MEMS微型热式剪应力传感器的热平衡机理,建立其相应的数学物理模型.从理论上分析了传感器的热膜、绝缘层及硅基底上的空腔尺寸等结构参数对其灵敏度的影响,并将研究结果与基于Fluent软件的数值模拟结果进行对比.结果表明,所建立的数学模型是合理的.

微管道内的剪应力传感器

制作了一个微管道内的剪应力传感器,该传感器通过热传递的原理工作。采用硅微加工技术制作微管道,在玻璃上通过溅射方法形成钛铂合金热膜,最后将两者键合封装,形成埋置了热膜的封闭微管道。测量了热膜的电阻温度系数,确定了热膜处于不同输入功率下的过热比。对该剪应力传感器进行了方波实验,确定其工作在不同过热比下的时间常数。对传感器进行实验标定,得到不同进出口压差下,微管道内的壁面剪应力大小。

光纤光栅传感技术在GFRP抗浮锚杆现场拉拔试验中的应用

光纤测试技术是将光纤布拉格光栅(FBG)传感器用光纤连成一串,通过构建多点光栅测试系统实现传感,它具有精度高、抗干扰能力强、空间分辨率高和连续数据采集等特点。将光纤光栅传感技术应用到原型玻璃纤维增强复合材料(GFRP)抗浮锚杆受力测试中,同步测试了锚杆杆体-锚固体界面、锚固体-周围岩土体界面以及锚固体内的应变,实现GFRP抗浮锚杆多界面全长受力测试。测试结果表明,光纤光栅传感技术能准确记录拉拔过程中GFRP抗浮锚杆各界面的应变变化,揭示锚杆杆体-锚固体界面、锚固体内、锚固体-周围岩土体界面的轴向应力和剪应力分别随荷载水平和锚固深度变化的分布规律,但不同界面处荷载的传递深度和剪应力沿深度的影响范围有所差异。该测试技术和传感器埋设工艺有众多优势,在岩土工程科学研究与工程应用领域具有广阔的前景。

微型剪应力传感器的热特性分析

研究不同结构、不同热敏元件温度和不同工作介质等情况下剪应力传感器的性能差异.通过实验和数值模拟相结合的方法对剪应力传感器进行了热特性分析.数值模拟结果发现:采用热敏元件下部埋置真空空腔的结构,隔热效果最佳;选择相对较高的热敏元件温度和较高热物性系数的工作气体有助于获得较高的灵敏度.该结果对优化设计微型剪应力传感器具有通用的指导意义.

微管道内剪应力传感器的研制与优化

基于微机电系统(MEMS)微加工工艺,开发了一种能够测量微管道内壁面剪应力的热式传感器,以多晶硅为热敏元件,在低阻硅衬底上形成多孔硅膜隔离硅衬底损耗.利用水浴加热方法测量得到电阻温度系数为0.21%/℃.采用数值模拟的方法对剪应力传感器进行了热分析,探讨了提高剪应力传感器灵敏度和线性度的方法,为优化其设计和使用提供了理论基础.数值模拟结果表明:随着微管道深度的增加,传感器灵敏度提高,但线性度下降.

微型热膜传感器的水下壁面剪应力标定研究

针对水下壁面剪应力的测量需求,建立了恒流模式下微型热膜传感器的剪应力测量与标定的数学模型,设计采用了扁薄矩形水槽剪应力发生装置,并在0 ～5 Pa范围内对传感器进行了测量标定实验.实验结果验证了测量与标定模型的正确性,标定实验的确定系数均超过了0.995,均方差保持在10-4量级,呈现良好的重复性与一致性,为水下壁面剪应力的测量应用奠定了重要基础.

微剪切应力传感器的加工工艺

提出了一种感测单元不直接接触流场的微剪切应力传感器结构,详细阐述了其感测单元MEMS制作工艺。采用热氧化硅掩膜方法解决了硅深刻蚀的选择比问题;优化后的硅深刻蚀工艺参数:刻蚀功率1600W、低频(LF)功率100W,SF6流量360cm3/min,C4F8流量300cm3/min,O2流量300cm3/min。采用Cr/Au掩膜,30℃恒温低浓度HF溶液解决了玻璃浅槽腐蚀深度控制问题;喷淋腐蚀和基片旋转等措施提高了玻璃浅槽腐蚀表面质量。采用上述MEMS工艺制作了微剪切应力传感器样品,样品测试结果表明:弹性悬梁长度和宽度误差均在2μm以内、玻璃浅槽深度误差在0.03μm以内、静态电容误差在0.2pF以内,满足了设计要求。

边界层分离点实时检测方法

微型剪应力传感器以尺寸小、时空分辨率高的特点在边界层分离点测量中表现出了突出的优势。通过分析用于检测流体参数的微型热敏剪应力传感器的工作原理,设计了柔性热敏剪应力传感器阵列和恒流驱动电路。使用DAQPCI6024E及LabVIEW软件完成数据采集与实时信号处理,并提出采用均值变化量判断分离点的位置。风洞试验结果表明:该方法可行有效,可精确确定边界层分离点的位置。

浮动式剪应力微传感器的标定

流体壁面剪应力微传感器的精确标定是进行流动测量的基础。分别采用自重加载、离心加载和风洞吹风三种不同方法,对基于电容检测原理的浮动单元剪应力微传感器进行标定与实验研究。对比了三种实验方法和标定的结果,分析了标定过程中的设备、传感器的加工及安装等误差的影响。研究结果表明,标定的传感器灵敏度为30 mV/Pa,三种标定方法的误差在2%以内,采用离心加载标定的误差最小;为进一步减小标定误差提供了改进方法。利用标定后的传感器,在风洞中对标准翼型的定点壁面剪应力值进行了测量,与仿真结果进行对比,二者能够较好吻合。

微型热敏剪应力传感器的温度补偿

微型热敏剪应力传感器在航空航天等领域有重要应用价值,然而基于热敏感原理的间接剪应力测量会引入流体环境温度的影响。结合热敏剪应力传感器的热交换模型,研究了流体环境温度变化的影响机理。分析了常用温度修正方法的应用局限性,设计了结合流体温度、从信号处理角度修正传感器输出的温度补偿方法,没有增加电路复杂程度,显著提高了测量精度。测试实验表明:当流体环境温度在10～20℃范围变化时,温度造成的输出信号偏移误差从原来的2%/℃降低到了0.5%/℃,证明了该方法的有效性。

热敏式壁面剪应力微传感器技术研究进展

基于MEMS技术的热敏式微传感器为壁面剪应力的测量提供了重要手段。本文介绍了国内外热敏式壁面剪应力微传感器技术的研究发展现状,重点从硅基和柔性聚合物基2种结构角度,对其工作原理以及不同热敏式微传感器的结构、关键工艺和性能测试进行了分析。

柔性微热剪切应力传感器阵列

设计了一种基于微机电系统的、制备在柔性聚酰亚胺衬底上的双热线结构微型热剪切应力传感器阵列,可用于复杂形状物体表面所受剪切应力的矢量化测量.基于传感器的原理,用Comsol软件对传感器进行了温度场和流场的仿真,说明了传感器制作工艺流程,用硅橡胶与聚酰亚胺在酒精中浸泡后易于剥离的特点实现柔性传感器脱膜.对传感器实物进行了温度电阻系数和响应频率的测试.实验结果表明,设计的工艺路线简单,结构参数合理,可以实现所需柔性传感器阵列.

基于驱动电流的水下热敏剪应力微传感器灵敏度研究

驱动电流是热敏式剪应力微传感器的一个重要参数。增大驱动电流可以提高传感器的灵敏度,但传感器的安全工作温度又限制了驱动电流的增大。研究了如何基于驱动电流来最大程度地提高传感器灵敏度。从理论上分析了传感器灵敏度随剪应力输入的变化规律。通过静水中的I-V特性测试实验,确定了传感器在水下工作的最大允许驱动电流。通过电压—剪应力特性测试实验,验证了传感器灵敏度与驱动电流的关系,得到了传感器在最大允许驱动电流激励下的灵敏度。研究,发现最大允许驱动电流可以使传感器在剪应力为0.2Pa时的灵敏度达到23.8mV/Pa。