MEMS壁面剪切應(yīng)力傳感器研究進(jìn)展

雷　強(qiáng)，高　楊，王　雄

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；3.核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所），北京100049；4.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

測(cè)試?yán)碚?/p>

MEMS壁面剪切應(yīng)力傳感器研究進(jìn)展

雷強(qiáng)1，高楊2，3，王雄4

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；3.核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所），北京100049；4.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

壁面剪切應(yīng)力的時(shí)間特性是用于反映單個(gè)動(dòng)量運(yùn)輸過(guò)程中非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的一個(gè)測(cè)量參數(shù)，也是湍流中相干位點(diǎn)的一個(gè)表征方法，是一個(gè)重要的壁面湍流的物理量。目前，主要基于近壁或壁面處的平均速度梯度和換熱率與壁面切應(yīng)力成正比的基礎(chǔ)上對(duì)MEMS壁面剪切應(yīng)力開展研究。因此，對(duì)MEMS壁面剪切應(yīng)力傳感器進(jìn)行綜述。根據(jù)不同的測(cè)量方式，MEMS剪切應(yīng)力傳感器主要分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N類型。對(duì)每種測(cè)量方法的原理、研究現(xiàn)狀、優(yōu)點(diǎn)和限制進(jìn)行分析。MEMS技術(shù)使得剪切應(yīng)力傳感器取得顯著的進(jìn)步，提高空間和時(shí)間分辨率，以及測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。但MEMS剪切應(yīng)力傳感器還需要進(jìn)一步發(fā)展，并且量化測(cè)量中的不確定度，才能成為一種可靠的剪切應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。最后，對(duì)未來(lái)MEMS剪切應(yīng)力傳感器的發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)。

MEMS；傳感器；剪切應(yīng)力；湍流測(cè)量

0　引　言

在流體中，準(zhǔn)確測(cè)量壁面剪切應(yīng)力的能力具有廣闊的應(yīng)用范圍，可應(yīng)用于空氣動(dòng)力研究、工業(yè)過(guò)程控制和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。簡(jiǎn)單地說(shuō)，壁面剪切應(yīng)力是流體經(jīng)過(guò)物體表面產(chǎn)生的粘性阻力，它是評(píng)估任何流體工程設(shè)備性能和表面摩擦分布的重要物理量［1］。在空氣動(dòng)力研究和交通運(yùn)輸設(shè)計(jì)中，剪切應(yīng)力相當(dāng)于一個(gè)阻礙飛行器或汽車運(yùn)動(dòng)的阻力；空氣流過(guò)內(nèi)燃機(jī)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部阻力，并且已經(jīng)證明了這個(gè)阻力會(huì)顯著降低燃燒效率；高速飛行時(shí)，粘性阻力所占比重很大。因此，對(duì)于航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，表面摩擦的測(cè)量十分重要，因?yàn)槟Σ磷枇Φ臏p小就意味著飛行同樣航程所消耗的燃料減少［2］。剪切應(yīng)力還可以用來(lái)判斷飛行器的分離點(diǎn)（剪切應(yīng)力為0的點(diǎn)），分離點(diǎn)大大增加了飛行器的阻力，也增加了控制飛行器穩(wěn)定的難度［3］。表面摩擦也是表征湍流邊界層狀態(tài)的重要物理量，對(duì)于邊界層中湍流的理解和控制，表面摩擦具有十分重要的作用［4］。

湍流邊界層具有微秒量級(jí)的時(shí)間尺度和微米量級(jí)的長(zhǎng)度尺度（比如在高雷諾數(shù)時(shí)，長(zhǎng)度尺寸可達(dá)100μm，所需帶寬＞1kHz），為了精確測(cè)量剪切應(yīng)力，傳感器必須具有很高的時(shí)間和空間分辨率。從剪切應(yīng)力測(cè)量的角度上來(lái)看，小的物理尺寸意味著慣性質(zhì)量和熱容的大幅度減小，從而使得微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro-electro-mechanical systems，MEMS）傳感器適于高時(shí)空分辨率和高雷諾數(shù)流動(dòng)的測(cè)量。MEMS技術(shù)低成本的優(yōu)勢(shì)，使得在大面積/體積的流場(chǎng)內(nèi)應(yīng)用大量/多種微型傳感器成為可能，這反過(guò)來(lái)使得MEMS傳感器適于研究湍流的相干結(jié)構(gòu)和有效開展湍流剪切流動(dòng)的反應(yīng)流動(dòng)控制。目前，已經(jīng)有許多方法用于測(cè)量壁面剪切應(yīng)力，并針對(duì)應(yīng)用的目標(biāo)和環(huán)境，測(cè)量要求有所不同［1，4-5］。對(duì)于層流測(cè)量，傳感器必須能夠測(cè)量時(shí)均剪切應(yīng)力；對(duì)于湍流測(cè)量，時(shí)均參數(shù)和脈動(dòng)參數(shù)則同樣重要。根據(jù)測(cè)量方式的不同，MEMS剪切應(yīng)力傳感器可以劃分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)深悺?/p>

圖1　典型浮動(dòng)元件傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1　直接測(cè)量方法

直接測(cè)量方法是通過(guò)測(cè)量浮動(dòng)元件在剪切應(yīng)力作用下偏移的位移，進(jìn)而解算出剪切應(yīng)力，不需要提前了解流體的環(huán)境，這種方法通常是通過(guò)一個(gè)浮動(dòng)元件或浮動(dòng)頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，MEMS剪切應(yīng)力傳感器已經(jīng)發(fā)展出浮動(dòng)元件、微柵欄等直接測(cè)量方法。

1.1浮動(dòng)元件

1.1.1常規(guī)浮動(dòng)元件

浮動(dòng)元件是最常用的一種直接測(cè)量方法。典型的浮動(dòng)元件（長(zhǎng)Le，寬We，厚t，齊平安裝）剪切應(yīng)力的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。浮動(dòng)元件通過(guò)微機(jī)械系繩懸空（間距g），微機(jī)械系繩的作用類似于儲(chǔ)能彈簧，剛度為k。流體流過(guò)浮動(dòng)元件表面，在剪切應(yīng)力的作用下，浮動(dòng)元件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向偏移。剪切應(yīng)力與浮動(dòng)元件的偏移位移相關(guān)，這個(gè)位移可以通過(guò)電容［6-11］和光學(xué)［12-13］等方法檢測(cè)。

Schmidt等［6］最早研究了MEMS浮動(dòng)元件剪切應(yīng)力傳感器。該傳感器由浮動(dòng)元件和4個(gè)系繩組成，在硅基底上使用聚酰亞胺表面微加工工藝制造。如圖2所示，3個(gè)鈍化電極位于晶圓表面，1個(gè)薄的導(dǎo)體嵌入到浮動(dòng)元件中，3個(gè)平行板電容器能夠檢測(cè)浮動(dòng)元件的偏移。敏感電容Cps1和Cps2與浮動(dòng)元件的偏移位移（剪切應(yīng)力）呈線性關(guān)系，這個(gè)位移變量通過(guò)片外的跨阻放大器進(jìn)行檢測(cè)。在校準(zhǔn)過(guò)程中，該傳感器的差分電容檢測(cè)方案在層流層中線性響應(yīng)可以達(dá)到12Pa，但是該傳感器的諧振頻率和本地噪聲卻沒(méi)有報(bào)道。由于濕度的變化會(huì)改變聚酰亞胺的機(jī)械性能（殘余應(yīng)力），這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械靈敏度的漂移，傳感器的平行板空氣介質(zhì)界面帶電物質(zhì)的積累也會(huì)造成靈敏度的漂移，高輸入阻抗使得電磁干擾對(duì)靈敏度的影響很大。

Pan和Hyman等［7-9］首次將叉指電極引入浮動(dòng)元件剪切應(yīng)力傳感器，減少了制造工藝的復(fù)雜度，從此便將叉指電極應(yīng)用到浮動(dòng)元件剪切應(yīng)力電容檢測(cè)。如圖3所示，其工作原理是浮動(dòng)元件在流體中偏移改變了兩個(gè)叉指的重疊區(qū)域面積（電容），差分電容值與剪切應(yīng)力的大小成正比。該傳感器采用多晶硅表面微加工制造和片上封裝工藝，在層流層中的線性響應(yīng)輸出可達(dá)4 Pa（5 Pa時(shí)表現(xiàn)出非線性），這種叉指電極浮動(dòng)元件結(jié)構(gòu)大大促進(jìn)了浮動(dòng)元件剪切應(yīng)力傳感器的發(fā)展。

圖2　Schmidt差分電容讀出電路示意圖

圖3　Pan和Hyman差分電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　Zhao浮動(dòng)元件傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

圖5　光電二極管檢測(cè)原理圖

Zhao等［10-11］報(bào)道了一種MEMS浮動(dòng)元件傳感器陣列用于剪切應(yīng)力測(cè)量。該傳感器擁有一個(gè)可移動(dòng)的中心梭子（浮動(dòng)元件），中心梭子通過(guò)折疊梁支撐懸空，通過(guò)檢測(cè)中心梭子兩側(cè)叉指電極差分電容的變化量來(lái)測(cè)量橫向位移。傳感器的機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖4所示，4個(gè)內(nèi)梁和外梁通過(guò)錨點(diǎn)固定在基底上，折疊梁結(jié)構(gòu)用來(lái)減少制造過(guò)程所引入的殘余應(yīng)力。

為了增加傳感器的靈敏度，可以增加浮動(dòng)元件與流體相互接觸的有效面積，在中心梭子的表面上制造一些表面凸起物，如圖4所示。整個(gè)芯片（1cm2）的256個(gè)傳感器單元被分成16組（2 mm2），可以單獨(dú)測(cè)量每組的局部剪切應(yīng)力和平均剪切應(yīng)力。傳感器陣列結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)元件或者單組在制造或工作過(guò)程中發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)芯片的功能，這有利于傳感器在非常惡劣的環(huán)境中工作。

Padmanabhan等［12-13］提出了基于光電二極管的檢測(cè)方法，用于湍流測(cè)量的剪切應(yīng)力傳感器。如圖5所示，光電二極管集成在基底中，位于浮動(dòng)元件的前端和后端邊緣位置。當(dāng)流體中的浮動(dòng)元件發(fā)生偏移，光電二極管在浮動(dòng)元件上方相干光源照射下就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與剪切應(yīng)力成正比的差分電流（反向偏置PN結(jié)的泄漏電流）。傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)表明輸出響應(yīng)（1.4mPa～10Pa）上的最大非線性為1%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也超過(guò)了10kHz。此外，與電容檢測(cè)方案相比，這種傳感器不受電磁干擾（EMI）等環(huán)境因素的影響。這種檢測(cè)方案的主要缺點(diǎn)是敏感元件和入射光源的遠(yuǎn)程安裝，這種分離導(dǎo)致傳感器對(duì)光源的任意機(jī)械運(yùn)動(dòng)（管道振動(dòng)，管道膨脹等）都很敏感。

Chen等［14-17］提出了一種光學(xué)摩爾條紋干涉技術(shù)來(lái)測(cè)量壁面剪切應(yīng)力。如圖6（a）所示，當(dāng)傳感器工作在流體中時(shí)，導(dǎo)致浮動(dòng)元件沿順氣流方向的偏移。在硅浮動(dòng)元件和Pyrex玻璃支撐結(jié)構(gòu)上的鋁光柵會(huì)產(chǎn)生一個(gè)摩爾條紋圖案，這個(gè)圖案可用來(lái)放大浮動(dòng)元件的位移，如圖6（b）所示。光學(xué)成像系統(tǒng)獲得莫爾條紋圖案后，通過(guò)特殊的數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算出浮動(dòng)元件偏移的位移。

摩爾條紋是通過(guò)兩個(gè)柵距略微不同且相互平行對(duì)齊的光柵產(chǎn)生的。移動(dòng)光柵（柵距g1）相對(duì)于固定參考光柵（柵距g2）的橫向位移通過(guò)同一方向運(yùn)動(dòng)的摩爾條紋進(jìn)行放大。根據(jù)光柵的柵距，摩爾條紋周期G可表示為

其中α為一個(gè)固定角偏差。根據(jù)移動(dòng)光柵的小位移δ，摩爾條紋的位移為

摩爾條紋的位移可通過(guò)因子G/g1放大，如圖6（b）所示。

為了得到作用在傳感器上的剪切應(yīng)力，需要一個(gè)能夠檢測(cè)摩爾條紋位移的方法。Horowitz等［14］通過(guò)一個(gè)1024像素線掃描電荷耦合器件（CCD）得到摩爾條紋的圖像，采用空間快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算摩爾條紋的位移。Chen等［15-16］直接在傳感器后面安裝2×16通道光纖束，縮小了光學(xué)封裝的尺寸。隨后，通過(guò)四通道光線陣列來(lái)調(diào)制摩爾條紋［17］。摩爾條紋的離散部分和氮化硅抗反射涂層大大提高了該傳感器的性能：1）四通道光纖陣列正交技術(shù)求解摩爾條紋相位，使封裝更簡(jiǎn)單，而且提高了魯棒性；2）摩爾條紋的離散部分減少了通道間的串?dāng)_；3）使用氮化硅抗反射涂層增加了條紋對(duì)比度。

1.1.2單懸臂梁浮動(dòng)元件

如圖7所示，單懸臂梁浮動(dòng)元件可以繞一個(gè)固定的點(diǎn)偏移，這種設(shè)計(jì)有位移平衡和零平衡兩種方法。位移平衡直接檢測(cè)浮動(dòng)元件的偏移位移，與零平衡（測(cè)量維持浮動(dòng)元件不動(dòng)所需的力）方法相比，位移平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，制造和維護(hù)的復(fù)雜度都降低了。浮動(dòng)元件與周圍壁面齊平安裝，它們之間存在很小的間隙。懸臂梁的根部安裝一個(gè)應(yīng)變計(jì)，浮動(dòng)元件的位移和施加在懸臂梁根部的應(yīng)變能夠被測(cè)量，它們與施加在浮動(dòng)元件表面的剪切應(yīng)力成正比。這種設(shè)計(jì)在剪切應(yīng)力很小時(shí)，傳感器的靈敏度也很高，同時(shí)對(duì)垂直壁面的壓力卻不敏感，并且有許多創(chuàng)造性的改進(jìn)可以用來(lái)擴(kuò)展這種傳感器的功能和操作范圍［5］。但是加速度、溫度和熱傳遞對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度都存在影響，最大缺點(diǎn)是浮動(dòng)元件與周圍壁面的失準(zhǔn)會(huì)引入很大的誤差［18-19］。

1.2微柵欄

微柵欄嵌裝在模型壁面，其法向?yàn)閬?lái)流方向，如圖8所示。核心敏感結(jié)構(gòu)是固連在基底上厚度僅為幾十微米的微柵欄（薄片懸臂梁）。該敏感結(jié)構(gòu)以幾百微米的凸出高度安裝在模型壁面，位于邊界層黏性底層。微柵欄在流體的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)變，通過(guò)兩側(cè)的壓差直接測(cè)量柵欄偏移的位移，此時(shí)根部壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋產(chǎn)生輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)與剪切應(yīng)力的大小成正比。

圖7　單懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

圖8　微柵欄傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（單位：μm）

Schober等［20］在懸臂梁根部植入壓敏電阻去檢測(cè)微柵欄偏移的位移，該微柵欄剪切應(yīng)力傳感器在分離流中具有大約1kHz的時(shí)間分辨率，但是由于微柵欄寬度（5 mm）的限制，沿翼展方向的空間分辨率很低。可以通過(guò)逆?zhèn)鬟f函數(shù)處理將時(shí)間分辨率提高到3kHz，使得傳感器在逆流區(qū)適用于流控制。該傳感器的校準(zhǔn)曲線左右分支輸出信號(hào)不對(duì)稱，到目前為止這種不對(duì)稱在所有微柵欄傳感器中都存在，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的原因有殘余熱線效應(yīng)和各向異性機(jī)械特性。Schiffer等［21-22］首次將微柵欄傳感器在渦元流中進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果表明這種傳感器可以在一些特殊環(huán)境中測(cè)量剪切應(yīng)力。通過(guò)不同的探針?lè)轿贿M(jìn)行測(cè)量，傳感器得到一個(gè)近似正弦的輸出響應(yīng)，并且可以獲得表面剪切應(yīng)力矢量的正交分量。馬騁宇等［23-24］通過(guò)仿真模擬和正交試驗(yàn)分析了微柵欄結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，來(lái)提高和優(yōu)化傳感器的靈敏度。為了研究微柵欄寬度W、厚度T、突出高度H對(duì)傳感器靈敏度和諧振頻率的影響（見圖8），進(jìn)行了仿真模擬分析［23］，隨后對(duì)U1、U2、L變量進(jìn)行了一系列正交測(cè)試［24］，研究它們對(duì)傳感器靈敏度和諧振頻率的影響，并確定了最優(yōu)值。結(jié)果表明微柵欄厚度T的影響最大，增加微柵欄的凸出高度H能夠有效提高壓阻靈敏度，諧振頻率和壓阻靈敏度受微柵欄結(jié)構(gòu)寬度的影響很??；U1、U2對(duì)傳感器的影響主要是由L引起的，L和凸出高度H對(duì)傳感器的靈敏度和諧振頻率影響很大。

2　間接測(cè)量方法

間接測(cè)量方法主要通過(guò)測(cè)量流體其他物理量（比如溫度，速度分布），進(jìn)而推導(dǎo)出剪切應(yīng)力。這種方法需要提前了解流體環(huán)境，這是間接測(cè)量方法的最大限制，導(dǎo)致采用間接測(cè)量方法的傳感器應(yīng)用范圍縮小。MEMS剪切應(yīng)力傳感器已經(jīng)發(fā)展了多種間接測(cè)量方法，如熱線/熱膜、微柱等。

2.1熱膜/熱線

熱膜剪切應(yīng)力傳感器的工作原理就是將傳熱速率轉(zhuǎn)換成電壓。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)由耐溫性質(zhì)材料構(gòu)成的敏感元件（電阻率溫度系數(shù)很大）時(shí)，由于對(duì)流傳熱的改變，傳感器敏感元件的電阻（焦耳傳熱速率）會(huì)隨對(duì)流傳熱的改變而變化。如圖9所示，典型熱傳感器包括一個(gè)熱膜敏感元件，該敏感元件沉積在支撐面上并暴露在流體中。工作時(shí)，敏感元件的溫度被加熱到Ts（Ts遠(yuǎn)大于流體溫度T∞），定義無(wú)量綱的過(guò)熱比為

這種局部表面加熱會(huì)在速度邊界層δ（x）中產(chǎn)生一個(gè)熱邊界層δT（x），敏感元件的電阻為

式中：Rs——敏感元件的電阻；

Tr——參考電阻Rr對(duì)應(yīng)的參考溫度；

α——熱電阻系數(shù)（TCR）。

這種傳感器的主要缺點(diǎn)是將測(cè)量的焦耳加熱率和剪切應(yīng)力聯(lián)系起來(lái)需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。另外，由于有限熱慣性，傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在限制，需要用一個(gè)外部補(bǔ)償來(lái)擴(kuò)展測(cè)量帶寬［1，4］。Ho和Liu等［25-26］提出了一種新型的空腔熱傳感器（空腔在氮化硅膜底部），如圖10所示。該傳感器結(jié)構(gòu)減少了傳遞進(jìn)基底的熱，提高了靈敏度，增加了帶寬和降低功耗。之后，研究者在Ho和Liu的空腔傳感器的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了擴(kuò)展，主要是敏感元件的材料，新的制造工藝和增強(qiáng)熱隔離［27-28］。Andrea De Luca等［29-30］提出了一種基于鎢熱線和單熱電堆讀出電路的新型SOI CMOS MEMS熱剪切應(yīng)力傳感器。其中SOI CMOS制造工藝使得傳感器具有低成本/高成品率，使芯片與驅(qū)動(dòng)電路集成的可能性，傳感器的性能提高了許多。證明了該傳感器的輸出響應(yīng)與剪切應(yīng)力的立方根成正比，與經(jīng)典理論的預(yù)測(cè)一致，給出了一個(gè)預(yù)測(cè)傳感器輸出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

熱線風(fēng)速計(jì)研究成熟度比熱膜高，但是溫度校正仍然是一個(gè)難題?？紤]到環(huán)境溫度改變對(duì)熱線的影響，主要方法就是保持恒定的過(guò)熱比率，基于熱傳遞理論修正溫度變化，以及探針直接校正溫度和速度的變化。一些研究學(xué)者試圖修正熱剪切應(yīng)力傳感器環(huán)境溫度的變化，如Ruedi等［31］發(fā)現(xiàn)傳感器工作在更高的過(guò)熱比下會(huì)影響傳感器測(cè)量脈動(dòng)剪切應(yīng)力的能力，并提出該傳感器在具有溫度補(bǔ)償?shù)臈l件下可以工作在過(guò)熱比≤1.2的環(huán)境中。楊少華等［32］結(jié)合熱剪應(yīng)力傳感器的熱交換模型，研究了流體環(huán)境溫度變化的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了結(jié)合流體溫度，從信號(hào)處理角度修正傳感器輸出的溫度補(bǔ)償方法。測(cè)試結(jié)果表明溫度造成的輸出信號(hào)偏移誤差降低了，提高了剪切應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2.2微柱

微柱剪切應(yīng)力傳感器（the micro-pillar shearstress sensor，MPS3）的敏感元件由一定密度的柔性微柱構(gòu)成，微柱（直徑一般為幾十微米）由彈性體（比如PDMS）構(gòu)成，具有高的抗拉伸強(qiáng)度值［33-34］。微柱頂端完全浸沒(méi)在邊界層粘性底層中，它會(huì)彎曲到阻力和內(nèi)部彈性應(yīng)變平衡的位置，頂端的位移與剪切應(yīng)力成正比，如圖11所示。微柱的偏移同時(shí)被一個(gè)高速放大的成像系統(tǒng)記錄，該成像系統(tǒng)位于被測(cè)表面的正上方，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)粒子示蹤技術(shù)可以得到微柱頂端的位移（Δtip）。微柱頂端有反光涂層，反光球或者熒光物質(zhì)，這樣可以提供高對(duì)比度圖像。

圖9　典型熱傳感器的橫截面示意圖

圖10　典型空腔熱傳感器橫截面示意圖

圖11　微柱傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

Brücker等［35］首先提出了微柱剪切應(yīng)力傳感器，并且證明了MPS3具有測(cè)量不穩(wěn)定流體剪切應(yīng)力分布的能力。由于微柱的縱橫比（Lp/Dp，Lp為微柱的高度，Dp為微柱的直徑）和楊氏模量E對(duì)傳感器的靈敏度影響很大，所以提高微柱的縱橫比非常重要，同時(shí)還要保證微柱具有一定的剛度值以及高度不超出粘性底層。PDMS材料具有寬的溫度使用范圍和高的抗沖擊強(qiáng)度，使得該傳感器不僅可以在液體中使用，還可以在空氣中使用。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)表明微柱傳感器在空氣流中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與水流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同［36-37］，在液體中，該傳感器表現(xiàn)出低通濾波的性能；而在空氣中由于空氣的低阻尼，輸出響應(yīng)具有一個(gè)強(qiáng)烈的諧振。如果湍流頻率大于該傳感器結(jié)構(gòu)的阻尼本征頻率，對(duì)低通濾波的性能是非常有利的，但是只有湍流頻率低于本征頻率的結(jié)構(gòu)才能用來(lái)測(cè)量剪切應(yīng)力。微柱具有高的縱橫比可以提高傳感器的靈敏度，但同時(shí)降低了傳感器的諧振頻率，從而限制了傳感器的頻率響應(yīng)帶寬，這在高雷諾數(shù)流體中特別明顯，因此需要綜合考慮傳感器的縱橫比和靈敏度［37］。Gnanamanickam等［38］通過(guò)在微柱周圍制造一些參考標(biāo)記來(lái)增加測(cè)量微柱位移的準(zhǔn)確度（見圖11），減小了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)振動(dòng)引入的誤差。微柱剪切應(yīng)力傳感器可以同時(shí)測(cè)量剪切應(yīng)力的兩個(gè)平行分量，而且不存在交叉軸靈敏度問(wèn)題。但是這種方法需要光學(xué)通道，并不適用于所有流體環(huán)境［39］。

3展　望

相干結(jié)構(gòu)在湍流剪切流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性中具有重要地位，對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的控制能力將具有重要的技術(shù)價(jià)值，如降低阻力、轉(zhuǎn)捩控制、混合增強(qiáng)以及分離滯后等。瞬態(tài)壁面剪切應(yīng)力對(duì)于壁面流動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述所有目標(biāo)的反應(yīng)流動(dòng)控制十分有意義［40］。為實(shí)現(xiàn)這一目的，往往需要用傳感器和執(zhí)行器覆蓋相當(dāng)大的表面面積，如機(jī)身或者機(jī)翼。執(zhí)行器陣列需要與傳感器陣列集成以實(shí)現(xiàn)局部流動(dòng)區(qū)域的控制，通常是傳感器陣列提供相干結(jié)構(gòu)的信息，執(zhí)行器陣列根據(jù)反饋信息進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到控制流場(chǎng)的目的?？焖?、小巧和低成本的壁面剪切應(yīng)力傳感器將有望實(shí)現(xiàn)這種極富生命力的控制系統(tǒng)。

雖然MEMS剪切應(yīng)力傳感器已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但迫切需要解決以下難題，量化不確定度，使測(cè)量結(jié)果更加標(biāo)準(zhǔn)可靠。在直接測(cè)量方法中，常規(guī)浮動(dòng)元件的進(jìn)一步目標(biāo)就是通過(guò)特殊的封裝工藝將光源和傳感器集成到同一芯片上，需提高傳感器的魯棒性，減小間隙和光源所帶來(lái)的誤差；單懸臂梁浮動(dòng)元件可采用MEMS集成制造工藝，需通過(guò)一步成型工藝同時(shí)形成浮動(dòng)元件，保護(hù)殼和壁面，減少工藝帶來(lái)的誤差；微柵欄由于寬度的限制，沿翼展方向的空間分辨率很低，這就必須在空間分辨率和靈敏度之間進(jìn)行權(quán)衡，校準(zhǔn)曲線左右分支不對(duì)稱的機(jī)理需要進(jìn)一步研究，以確定這種不對(duì)稱與不確定度之間的關(guān)系。在間接測(cè)量方法中，熱膜/熱線可以通過(guò)數(shù)字仿真加深對(duì)熱傳導(dǎo)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的理解，優(yōu)化熱傳感器的設(shè)計(jì)；微柱由于粘性底層的厚度限制了微柱的高度，更高的諧振頻率需要?jiǎng)偠雀蟮奈⒅ǜ偷目v橫比），因此必須解決這種縱橫比和諧振頻率之間的沖突。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著雷諾數(shù)增大，湍流流動(dòng)過(guò)程中將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生更小的特征尺度和更短的時(shí)間尺度，因此需要更小、更快的傳感器以獲得準(zhǔn)確的流場(chǎng)信息。由于MEMS技術(shù)可以加工出在空間和時(shí)間上同時(shí)具有Kolmogorov微尺度量級(jí)的傳感器，從而可以滿足上訴湍流測(cè)量的苛刻技術(shù)指標(biāo)。MEMS制造工藝依托并擴(kuò)展了硅基集成電路制造技術(shù)，以合成小型化的工程系統(tǒng)，這種微型化技術(shù)為開發(fā)高性能的傳感器提供了機(jī)遇。從剪切應(yīng)力測(cè)量的角度看，微傳感器的小尺寸、低慣性極大地改善了測(cè)量的時(shí)間和空間帶寬，對(duì)檢測(cè)和調(diào)制流場(chǎng)具有重要意義，如減少阻力，轉(zhuǎn)捩控制和分離點(diǎn)延遲等。結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，微型化、低加工成本、低功耗的剪切應(yīng)力傳感器與執(zhí)行器集成陣列有望實(shí)現(xiàn)局部流場(chǎng)的檢測(cè)與控制?？梢灶A(yù)見，MEMS剪切應(yīng)力傳感器在以后剪切應(yīng)力測(cè)量和流動(dòng)控制中，將發(fā)揮重要作用。

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（編輯：李妮）

The development progress of MEMS wall shear stress sensors

LEI Qiang1，GAO Yang2，3，WANG Xiong4
（1.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China；3.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Institute of High Energy Physics，CAS，Beijing 100049，China；4.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China）

Time characteristic of wall shear stress，not only a measurement parameter used to reflectunsteadystructureduringindividualmomentumtransportinflowstate，butalsoa characterization method of corresponding points in turbulence，is an important physical indicatorfor wall turbulence.At present，the research on MEMS wall shear stress is mainly based on the fact thatmean velocity gradient and heat transfer rate near the wall or on wall surface is proportional to the wall shear stress on wall surface.So this paper summarizes the MEMS wall shear stress sensor.MEMS shear stress sensors are divided into direct measurement and indirect measurement types according to the different ways of measurement.The principles，research status，advantages and limitations of each measurement method have also been analyzed.The wall shear stress sensors have made a significant progress via MEMS technology，which improved the spatial and temporal resolution.However，MEMS shear stress sensors need further development，and it's uncertaintyshouldbequantifiedinordertobecomeareliableshearstressmeasurement technology.Finally，the future development directions of the MEMS shear stress sensors are summarized.

MEMS；sensors；shear stress；tubulence measurement

A

1674-5124（2016）07-0001-08

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.001

2016-02-10；

2016-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（61574131）；中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（2014ZA001）；核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金（2016KF02）；西南科學(xué)大學(xué)特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（14zxtk01）；中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所創(chuàng)新基金（S20141203）；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（16ycx103）

雷強(qiáng)（1992-），男，四川綿陽(yáng)市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槲㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)。

高楊（1972-），男，四川綿陽(yáng)市人，研究員，博士，主要從事微電子機(jī)械系統(tǒng)研究。