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高分辨率 MEMS纤毛式湍流传感器

2019/10/22 17:24:14      点击:

0 引 言

      人类在20世纪就开始了对海洋湍流理论的研究。湍流是很重要的物理现象,从大尺度的波浪到小尺度 的 涡 旋 都 关 系 到 湍 流 中 能 量 和 物 质 的 运输[1]。20世纪人们认识到湍流由随机动态元素组成,并从概率方面进行研究,得到了一些基本的湍流模型,并开始研究制作湍流传感器。H.L.Grant等人[2]制作了热薄膜流速计,敏感探头由圆锥形玻璃和其上的箔电阻组成,通过对箔电阻的测量计算出探头周围水体的温度,进而计算出湍流动能耗散率。湍流热膜测试仪安装在水平拖曳平台上,由于母船的噪音信号沿着拖曳线传导到测试仪器上,得到的数据质量较差。为了减少环境噪音对仪器的影响,T.R.Osborn[3]在湍流测量实验中用改进后的剪切流传感器解决了热膜结构测试仪受噪音和温度影响较大的缺点。H.Prandke等人[4]提出用悬臂梁将敏感探头和压电模块相连,将受力探头上的作用力放大,从而进一步提高了探测的空间分辨率和灵敏度。国内机构在湍流测试领域起步较晚,其中较早进入湍流探测领域的天津大学研发了 TMR1、TJUA 和 TJUB三个型号的剪切流传感器,并进行了海上实验,取得了实时的湍流数据资料[5]。中国海洋大学乜云利[6]研发了剪切流传感器,其团队在2014年 搭 乘 天 龙 号 科 考 船 在 南 海 110°52E、17°35N 进行多次实验,得到了为期一个月的湍流实验数据。

      云南11选5在线直播以上湍流传感器受敏感部位尺寸限制,空间分辨率有限。我国海域广袤,要在海洋进行大范围、低成本探测,就需要一种价格低廉、空间分辨率更高、体积 更 小 的 传 感 器。 随 着 微 电 子 机 械 系 统(MEMS)的不断发展,基于 MEMS 技术制作的器件有体积小、稳定性高、可批量生产的优势[7],因此借助 MEMS可以明显改善剪切流传感器的性能。

      云南11选5在线直播本文提出了一种纤毛式高分辨率 MEMS湍流传感器,通过改进传感器的敏感受力结构,制作了以纤毛和硅十字梁为核心的湍流传感器。对其进行高低温循环实验,并在湍流测试平台进行了测试。证明了该结构的传感器在湍流探测领域有较好性能和应用前景。

1 MEMS湍流传感器的理论依据

      海洋湍流中的水体运动是无序的、随机的,并且无法找出具体的流体路径。但是各个细分流体之间有着相互的作用力,这也为建立湍流运动模型提供了基本的思路和前提。因湍流探测有其特殊性,需要依据湍流在时间和空间上变化的不确定性来设计出反应快速、探测灵敏、精确度高的受力敏感结构。根据所得数据在时间轴上的变化,得出近乎没有规律的湍流运动在统计学上的合理解释。在湍流领域作出巨大贡献的雷诺指出了关于湍流强度大小的依据,并为区分湍流大小以及其与层流的关系提出了量化的理论。图1是 MEMS湍流微结构示意图,由十字梁、中心杆和受力球体组成[8-9]。纤毛受力导致十字梁发生形变,从而得到不断变化的电压信号[10]。

      云南11选5在线直播图2 (a)为微尺度纤毛探头受力示意图。在海洋湍流探测领域,探测尺度大于100 m 属于粗结构湍流,1~100m 称之为细结构湍流,小于1m为微结构湍流[11-12]。PNS系列探头尺寸较大,而3D打印纤毛尺寸在毫米级,探头的小型化可以提高空间分辨率,因而 MEMS湍流传感器能探测到更小尺度的信号[12]。图2 (b)为打印纤毛尺寸图,纤毛杆直径为0.35mm,空间分辨率达到1mm。从探针顶端到底端所受总的横向力 (F)可以表示为F=∫L0 12ρU2ddAXsin2α (1)式中:U 为瞬时标量流速;α为纤毛头部的竖直方向和受力方向的夹角;常数 A 为探头总的受力面积;L 为探头顶部到根部的距离;X 为探头受力面积沿轴线方向的长度;dA/dX 为探头受力面积在轴线方向 的 变 化 率;ρ 为 液 体 的 密 度。

      图3为横梁上电路结构图。图3 (a)中的电阻是借助离子注入工艺制作的压敏电阻[13]。由于工艺原因,实测对应电阻不会完全相同,会有5%的误差。湍流信号由纤毛头部传入,引起十字梁结构发生形变,最终压敏电阻阻值的变化引起电压的变化[14-15]。梁上电路为惠斯通电桥,如图3 (b)所示,传感器梁的供电电压VCC为定值输入电压,四个电阻阻值 (R1、R2、R3 和R4)相同,在梁发生形变时阻值变化量相同,图中Vo 为电桥输出电压。

      云南11选5在线直播纤毛头部直径越大灵敏度越高,但是其体积也不能无限制增大。纤毛头部的增大会降低空间分辨率,40μm 厚的十字梁也承受不了过大的形变,从而降低整体的可靠性。十字梁上的导线电流承受能力有限,所以选择稳压芯片 TPS7A4901供给电路+5V 电压,输出电压峰峰值实测为10mV。从惠斯通电桥上看,由于芯片电路对应电阻并不能做到完全相同,因此会在放大电路输入端产生直流偏置。为解决压敏电阻在工艺上的缺点,会在后续的放大电路前加上电容来隔直通交。

2 MEMS湍流传感器的仿真分析

      云南11选5在线直播十字梁结构的梁长、梁宽和厚度参数的变化都会显著改变整体的共振频率[16],其中梁长对传感器敏感结构的影响如图4所示。

      梁长在500~900μm 内变化会显著影响整体的共振频率;其他的变量如梁宽和厚度等参数也有相似的影响。高分辨率 MEMS湍流传感器参考成熟矢量水听器的参数,设置梁的长、宽和厚度分别为1000、120和40μm。所以本文更多地考虑的是此传感器在海洋中的灵敏度、抗腐蚀性和可靠性。

      在SolidWorks中对纤毛十字梁结构进行建模,并对所建立模型进行模态仿真,如图5 (a)所示。设置十字梁为硅材料,纤毛为聚氨酯丙烯酸酯材料,仿真结果如图5 (b)所示。考虑到本次所关注的微尺度湍流信号大多集中在1~170Hz,所以传感器敏感结构的一阶共振频率达到要求。由图5可知,一阶共振频率在356.34Hz达到要求。考虑到传感器需要尽可能地保持在水中的流体曲线,因而纤毛越长越好,但是十字梁敏感结构一阶共振频会随着纤毛长度的增加而减小,纤毛高度的降低会影响传感器壳体流线的体型。在一阶模态和壳体流线 型 要 求 下 寻 找 平 衡 点,最 终 确 定 纤 毛 杆 长9mm,顶部圆球直径1mm。

3 MEMS湍流传感器的制作与封装

      鉴于湍流信号非常微弱,纤毛的尺寸必须限制在毫米尺度,因而在工艺制作上对表面的粗糙度也有较大要求。以往的技术无法满足如此高精度的工作要求,为此采用摩方nanoArchTM3D高精度打印系统,凭借面投影微立体光刻工艺,将紫外光投影到光敏液态树脂表面,被曝光区域的聚氨酯丙烯酸酯材料迅速固化,然后逐层曝光[17]。从树脂中取出成型样品,经过清洗后固化、真空干燥、表面镀膜、抛光等后处理工艺,即得到合格的纤毛样件。成本较高,但优势非常明显,曝光精度能达到10μm,打印精度达到40μm。

      由于纤毛头部较重,水流的冲击使十字梁发生更大的形变,这就对纤毛的精确粘接提出了更高的要求。如果纤毛在某个方向有偏置,将直接给十字梁带来初始形变,从而改变传感器的量程,降低测试信号的质量。

      云南11选5在线直播用光 敏 胶 实 现 十 字 梁 芯 片 和 印 刷 电 路 板(PCB)焊盘电路的连接,压焊机可以用几十微米的金线将沉金焊盘与十字梁上惠斯通电路输入输出端相 连,如 图 6 (a) 所 示, 为 进 一 步 加 固 引线,提高整体的可靠性,用光敏胶将焊盘和金线掩埋起来,通过紫外光照射使其立即凝固,防止光敏胶粘接到十字梁上,从而降低灵敏度;纤毛与十 字 梁 的 粘 接 过 程 如 图 6 (b) 所 示;如 图 6(c)所示,粘接完成后经派瑞林覆盖步骤将整体结构镀上一层绝缘致密的防水薄膜。

      由于纤毛式 MEMS湍流传感器关键敏感部件需要直接与海水接触,惠斯通电路和金丝引线与水接触会直接损坏电路结构,所以必须对传感器进行电器绝缘。面对复杂海况要提高传感器的生存能力和抗腐蚀能力,凭借派瑞林真空气相沉积技术,在十字梁和纤毛上镀一层绝缘致密的防水薄膜。湍流观测平台会潜入海里1000米以下的深度,下潜速度最优 控 制 在 0.1~0.8 m/s,对 应 本 文 所 介 绍 的MEMS湍流传感器的设计流速。根据上文对纤毛的受力理论分析结论,水流以微弱的角度冲击纤毛受力部位,利用FlowSimulation仿真软件可得到流速剖面分布图,如图7所示。MEMS湍流传感器外型的流线型设计非常重要,如果传感器壳子头部有棱角或者与杆身呈直角状态,水流将在纤毛头部周围产生低流扰流速区域,进而影响真实湍流环境的测量[18]。显然纤毛杆越长,整体会更偏向流线型,但是这 也 意 味 着 一 阶 共 振 频 率 的 降 低,从 而 影 响200Hz内湍流信号的采集。与此同时,纤毛加长也意味着相同的流速传导到十字梁上的力也会更大,从而使敏感的十字梁结构更容易受损。因结构特点,MEMS湍流传感器在与纤毛平行和垂直方向的承受能力不同,如图8所示,水流以偏离垂直方向微弱的角度冲击纤毛,纤毛左右部位压差在总静压中占比不大;为了防止纤毛位移过大导致硅十字梁断裂,传感器头部加上了过载保护罩,如图9 (a)所示。

      湍流信号微弱又集中在低频段,需要传感器具有灵敏性好、低频响应好的特点。如图9 (a)所示,为减少水下环境噪音对测量的影响,采用差分信号输入,借助 AD8429对初始信号进行放大,AD8599构建四阶高频滤波器对信号进行滤波,整体响应时间为1ms。制备出的湍流传感器实物图如图9 (b)所示。

4 传感器性能测试

      为验证传感器在不同环境下的工作性能,研究温度对输出信号的影响程度,对 MEMS湍流传感器进行了 高 低 温 循 环 测 试 实 验。如 图 10 (a)所示,将传感器绑在固定架上,放入振动测试桶中,如图10 (b)所示。图11 (a)为高低温测试平台示意图,其中振动测试桶提供信号源,加入一半水,将湍流传感器浸没在水中。电压源对其供电,示波器和采集卡上位机上显示记录信号。振动源频率设定为160Hz,每次采集前均保持30min温度恒定,从而保证水中也达到预计温度,并采集20s的信号,求出电压信号的均方根值,并拟合为一点,从而得到温度-电压测试数据。测试结果如图11 (b)所示,在稍高温度下需要加上温度补偿机制,海域浅层温度主要为5~25 ℃[19]。在此范围内其信号变化小于30%。

      云南11选5在线直播为测试传感器实际工作性能,在中国海洋大学湍流测试平台上进行测试。测试平台如图12所示,由抽水泵将水压入消湍通道,不断改变流量,通过上位机显示和存储湍流信号。

      云南11选5在线直播图13 为 湍 流 传 感 器 测 试 结 果,如 图 13 (a)所示,将传感器固定在测试平台上,头部纤毛朝下,处于平台水槽出水口的正上方,通过小型抽水泵向上供水。传感器输出通过两路 AD8429 放大后,利用 NI公司的采集设备将数据保存到电脑。设置不同水流的流速,分别测量出6×104 个采集点的数据,将60s采集的电压信号值拟合为一点,通过改 变 流 速 得 到 不 同 的 电 压 值,结 果 如 图 13(b)所示。在相同的条件下,测试 PNS剪切流传感器,得到数据如图14所示。将 MEMS湍流传感器和 PNS剪切流传感器的电压信号进行对比,得到的灵敏度为2.6×10-3 V·m·s2/kg。

5 结 论

      云南11选5在线直播本文完成了以硅十字梁和纤毛结构为核心的MEMS湍流传感器的设计加工与测试。通过纤毛实现了探测部位的微型化,空间分辨率达到1mm;硅十字梁灵敏度达到2.6×10-3 V·m·s2/kg;测量信号范围主要在1~170Hz;在5~25 ℃水中可以满足信号采集要求。该传感器借助 MEMS可批量生产的优势可为海洋广域观测打下基础。


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