用于亚音速流动的柔性MEMS传感器，可表征曲面上的高速气流

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东京理科大学本研究开发了一种使用聚酰亚酰亚音速衬底的柔性多向MEMS流量传感器，适用于高速亚音速流动。传感器通过对流传热的热平衡和通过微加热器周围的温度分布来测量流向的壁剪切应力。三对温度传感器可实现多向流量测量。结果，确认开发的传感器适用于30m/s至m/s（马赫数从0.1到0.5）的高速流量，而不会对传感器造成任何损坏。该传感器可用于弯曲壁，以评估复杂的分离流量，这通常发生在各种流体机械中。

日本研究人员开发的多向传感器可以帮助提高工业规模流体机械的效率。

能源和运输部门经常使用不同类型的流体机械，包括泵、涡轮机和飞机发动机，所有这些都会产生高碳足迹。这主要是由于曲面周围的流动分离导致流体机械效率低下，这在本质上通常是相当复杂的。

因此，为了提高流体机械的效率，需要表征曲面上的近壁流动，以抑制这种流动分离。实现这一目标的挑战是多方面的。首先，传统的流量传感器不够灵活，无法适应流体机械的弯曲壁。其次，现有的适用于曲面的柔性传感器无法检测流体角度（流动方向）。此外，这些传感器仅限于检测速度低于30m/s时的流量分离。

在一项新的研究中，日本东京理科大学（TUS）的MasahiroMotosuke教授及其同事KoichiMurakami先生，来自TUS的DaikiShiraishi先生和YoshiyasuIchikawa博士与日本三菱重工和日本岩手大学合作，接受了这一挑战。“在容易发生流动分离的曲面上感测剪切应力及其方向，如果不使用新技术，尤其难以实现。"他们的工作发表在Micromachines上。

该团队在他们的研究中开发了一种基于聚酰亚胺薄膜的柔性流量传感器，该传感器可以轻松安装在曲面上，而不会干扰周围的气流，这是高效测量的关键要求。为了实现这一点，传感器基于微机电系统（MEMS）技术。此外，新颖的设计允许集成多个传感器，以同时测量壁面剪切应力和壁面流动角度。

全球变暖的一个主要因素是能源和运输行业，它们依赖于流体机械，这些机械通常效率低下，碳足迹高。为了提高这些机器的效率，来自日本的研究人员现在设计了一种新型传感器，该传感器可以轻松安装到流体机器的弯曲壁中，并且可以表征不同方向的高速流动分离。

传感器制造

下图说明了本研究中传感器的制造过程。将具有优异耐热性和机械耐久性的25μm厚的聚酰亚胺薄膜（KaptonH，杜邦东丽，东京，日本）涂覆光刻胶，以创建加热器和温度传感器的图案（步骤1）。然后通过光掩模照射紫外线（步骤2），并使用丙酮去除光刻胶的暴露区域（步骤3）。接下来，通过直流磁控溅射沉积粘合剂层的Cr和电极的Au。Cr-Au电极的厚度分别为10nm和nm（步骤4）。然后通过提拔制造电极形状，以使用丙酮去除不必要的光刻胶（步骤5）。b显示了制造传感器的图像。加热器直径为0μm，加热器电极采用蛇形图案以增加电阻。加热器和温度传感器的电极宽度为20μm。加热器和温度传感器的典型电阻分别为Ω和15Ω。图4中未显示的环境温度传感器也在同一基板上制造。中心加热器、周围温度传感器和环境传感器的温度由其电阻监控。

（a）柔性MEMS流量传感器的制造工艺;（b）MEMS流量传感器中的加热器和温度传感器图片。黄色区域是聚酰亚胺基板，黑色区域是Au薄膜。

为了测量壁上的剪切应力，传感器测量了微加热器的热损失，同时使用加热器周围的六个温度传感器阵列来估计流动角度，以促进多向测量。该团队对气流进行了数值模拟，以优化加热器和传感器阵列的几何形状。

实验风洞的图片。MEMS传感器嵌入在完全开发的高速亚音速流中测试部分的表面壁上。

该团队使用高速气流隧道作为测试环境，实现了有效的流量测量，气流速度范围从（30-）m/s。开发的传感器表现出高度的灵活性和可扩展性。“传感器周围的电路可以使用柔性印刷电路板拉出并安装在不同的位置，因此只有薄片附着在测量目标上，最大限度地减少对周围流动的影响，”元介教授说。

该团队估计加热器输出随着壁面剪切应力的三分之一次方而变化，而比较两个相反放置的传感器之间的温差的传感器输出表明，随着流动角度的变化，出现了一种特殊的正弦振荡。

开发的传感器在工业规模的流体机械中具有广泛的应用潜力，这些机械通常涉及三维表面周围的复杂流动分离。新型MEMS传感器可以改变高效流体机械的开发，减少对环境的不利影响。此外，用于开发该传感器的工作原理可以扩展到高速亚音速气流之外。