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热剪切应力传感器的研究

作　者: 徐成祥
导　师: 胡泓
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 热剪切应力传感器阵列有限元分析微机电系统磁控溅射
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

今天，随着科学技术水平的迅猛发展，对流体进行有效的测量和控制已经成为当今科学界的研究热点。壁面剪切应力是流体近壁面边界层内反应流体运动状态的一项重要参数。如果能对其进行准确的测量，就可以对边界层内的流体施以主动或被动的控制，从而减小飞行器的运行阻力，达到改善飞行器的动力学性能、节省燃料的目的。国内外对壁面剪切应力传感器都开展了积极的研究，现有的壁面剪切剪切应力传感器根据测量原理的不同可分为两直接测量式传感器和间接测量式传感器。其中间接式测量方法中的热剪切应力传感器是当今研究的热点，但国内在这方面的研究都还处在探索阶段，远未达到实际应用的水平，制约这项技术发展的只要瓶颈主要有：传感器尺寸小、加工精度高、工艺复杂、灵敏度要求高、成品率低、多学科交差问题多等。为了解决上述问题，本文在对国内外热剪切应力传感器深入研究的基础上，设计并制作了一款热剪切应力传感器。采用FLUENT三维建模软件，建立传感器的初始模型，在此基础上对传感器的结构和尺寸进行模拟分析，主要考查基底厚度和热膜的长宽比对传感器传热效率的影响，得到仿真结果用于传感器的设计和优化。结合仿真的结果设计传感器单元和阵列，在传感器单元的设计中选取传感器的热膜材料和基底材料，并设计传感器热膜的结构。在传感器阵列的设计中主要进行各个传感器单元间距和导线的设计，尽量将各个传感器单元间的相互干扰降低到最低，方便以后的测量和数据采集。按照所设计的传感器阵列进行制作，在制作的过程中，系统分析了传感器的制作工艺的优缺点，针对其不足重新设计了一套工艺方案。力争新的工艺方案具体流程简单、材料结合力好、传感器灵敏度高等优点。最终本文还将对所设计的传感器阵列进行了测试，结果表明达到预期效果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章绪论  8-18
  1.1 课题的来源、背景及意义  8-9
  1.2 壁面剪切应力传感器的发展状况  9-13
  1.3 热剪切应力传感器在国内外的发展状况  13-17
  1.4 本课题研究的内容  17-18
第2章热剪切应力传感器的数字模拟  18-28
  2.1 引言  18
  2.2 热剪切应力传感器的建模、求解及其结果  18-24
    2.2.1 计算流体力学  18
    2.2.2 FLUENT 与 GAMBIT 建模  18-23
    2.2.3 FLUENT 求解计算与结果  23-24
  2.3 基底厚度对传热效率的影响  24-26
  2.4 热膜的长宽比对传热效率的影响  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章热剪切应力传感器的设计  28-36
  3.1 引言  28
  3.2 传感器单元的设计  28-32
    3.2.1 热膜材料的选取  28-29
    3.2.2 基底材料的选取  29-30
    3.2.3 传感器单元的结构设计  30-32
  3.3 传感器阵列的设计  32-35
    3.3.1 传感器阵列间距的设计  32-34
    3.3.2 传感器阵列导线的设计  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第4章热剪切应力传感器的制作  36-51
  4.1 传感器阵列制作的关键工艺  36-38
    4.1.1 MEMS 技术  36
    4.1.2 磁控溅射  36-37
    4.1.3 光刻技术  37-38
    4.1.4 FPC 技术  38
  4.2 传感器阵列的制作  38-48
    4.2.1 传统传感器制作工艺流程分析  38-40
    4.2.2 传感器阵列的制作工艺流程  40-47
    4.2.3 传感器阵列的成品  47-48
  4.3 传感器阵列的测试  48-50
    4.3.1 传感器阵列测试驱动电路的设计  48-49
    4.3.2 感器阵列电阻温度系数的测试  49-50
  4.4 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-56
致谢  56

热剪切应力传感器的研究

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