【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于mems傳感器，具體涉及一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片。
技術(shù)介紹
1、壁面剪切應(yīng)力和壁面壓應(yīng)力一直以來(lái)都是流體動(dòng)力學(xué)研究中關(guān)注的兩個(gè)重要物理量。壁面剪切應(yīng)力受流體粘性和邊界層內(nèi)速度梯度的影響，壓力脈動(dòng)由邊界層內(nèi)速度場(chǎng)擾動(dòng)引起，實(shí)現(xiàn)壁面剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的同步測(cè)量，能夠有效獲取邊界層演變過(guò)程的脈動(dòng)特性，掌握邊界層流動(dòng)噪聲信息，為飛行器/航行器減阻、隱身降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。由于壁面剪切應(yīng)力和壁面壓應(yīng)力具有小量值、高動(dòng)態(tài)、流動(dòng)特征尺寸小的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法受到低靈敏度、大的體積和不耐高溫等限制，單一器件也難以同時(shí)滿足兩個(gè)物理量的準(zhǔn)確測(cè)量。
2、光學(xué)測(cè)試技術(shù)在剪切應(yīng)力和壓力測(cè)量中具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在其非接觸式測(cè)量、高分辨率和抗干擾能力等方面。首先，光學(xué)測(cè)試技術(shù)無(wú)需與被測(cè)物理表面直接接觸，避免了傳統(tǒng)傳感器可能帶來(lái)的機(jī)械干擾和表面損傷，特別適合應(yīng)用于高溫、高速流動(dòng)等極端環(huán)境。其次，光學(xué)測(cè)試技術(shù)具備高空間和時(shí)間分辨率，能夠精準(zhǔn)捕捉微小的應(yīng)力變化及瞬態(tài)現(xiàn)象，滿足對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的高精度測(cè)量需求。此外，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)電磁干擾不敏感，顯著提升了測(cè)量過(guò)程的魯棒性和數(shù)據(jù)的可靠性，在高精度、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)和復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用中展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。
3、目前在相關(guān)技術(shù)中，采用單獨(dú)的壓應(yīng)力傳感器或二維剪切應(yīng)力傳感器進(jìn)行測(cè)試，通常以陣列形式對(duì)單獨(dú)的壓應(yīng)力傳感器或二維剪切應(yīng)力傳感器進(jìn)行任意排布，由于是單個(gè)傳感器的陣列，首先在安裝上會(huì)產(chǎn)生誤差，其次單點(diǎn)測(cè)量難以充分反映實(shí)際的流場(chǎng)應(yīng)力分布情況，因此，在復(fù)雜流體環(huán)境中，
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、要解決的技術(shù)問(wèn)題：
2、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，將流體壁面二維剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器進(jìn)行陣列復(fù)合，得到能夠測(cè)量梯度壓力的一體化剪壓應(yīng)力傳感器陣列結(jié)構(gòu)；將結(jié)構(gòu)相似的二維剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器采用宮格式陣列布局，不僅減小了傳感器的體積和重量，還降低了裝配誤差，多個(gè)傳感器能夠在不同位置同步采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相互修正和高空間分辨率的測(cè)量。本專(zhuān)利技術(shù)解決了在復(fù)雜流體環(huán)境中，單點(diǎn)測(cè)量難以充分反映實(shí)際的流場(chǎng)應(yīng)力分布的問(wèn)題，提高了測(cè)量精度，還為流體力學(xué)等領(lǐng)域提供了應(yīng)力變化的精確測(cè)試手段，滿足了復(fù)雜流體環(huán)境下的多點(diǎn)應(yīng)力測(cè)量需求。
3、本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案是：一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，包括集成于芯片上的若干剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器，所述剪切應(yīng)力傳感器的整體排布陣型呈正十字形，壓應(yīng)力傳感器的整體排布陣型呈×字形，將兩種陣型同心疊加得到宮格式陣列布局；宮格式陣列的中心位置為壓力傳感器，若干剪切應(yīng)力傳感器以中心壓力傳感器為輻射中心沿正十字方向向外輻射布置，用以測(cè)量二維剪切應(yīng)力，若干壓應(yīng)力傳感器以中心壓力傳感器為輻射中心沿×字方向向外輻射布置，用以測(cè)量梯度壓力。
4、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器通過(guò)mems加工技術(shù)一體化同步集成加工于芯片上。
5、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器均包括支撐層、凹腔和結(jié)構(gòu)層，所述支撐層上表面和結(jié)構(gòu)層下表面均設(shè)有反射薄膜，凹腔表面設(shè)有抗反射涂層。
6、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述壓應(yīng)力傳感器的支撐層開(kāi)有多個(gè)通孔，用于光纖的定位與固定，其內(nèi)反射薄膜為金屬反射薄膜。
7、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述剪切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)層為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)反射薄膜為光柵薄膜；所述浮動(dòng)結(jié)構(gòu)包括彈性梁、浮動(dòng)原件、固定錨點(diǎn)，浮動(dòng)原件通過(guò)周向設(shè)置的彈性梁與固定錨點(diǎn)連接，能夠帶動(dòng)安裝于浮動(dòng)元件下表面的光柵薄膜產(chǎn)生位移。
8、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述反射薄膜從底部到頂部依次為氮化硅薄膜、鉻薄膜層和金薄膜層，并在金薄膜層表面鍍低高折射率交替的介質(zhì)多層膜，依次順序?yàn)榈驼凵浣橘|(zhì)層/高折射介質(zhì)層/低折射介質(zhì)層/高折射介質(zhì)層，每層厚度為λ/4。
9、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述介質(zhì)多層膜的低折射介質(zhì)層為al2o3，高折射介質(zhì)層為zro2，依次為120nmal2o3/100nmzro2/120nmal2o3/100nmzro2。
10、一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片的梯度壓力測(cè)量方法，具體步驟如下：
11、將多個(gè)壓應(yīng)力傳感器呈×字形排布于芯片上，且單個(gè)輻射排布方向的相鄰壓應(yīng)力傳感器間距相等；
12、通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得從中心壓應(yīng)力傳感器向外每一級(jí)壓應(yīng)力傳感器的測(cè)量值呈線性梯度變化規(guī)律；
13、基于所述梯度下降變化規(guī)律進(jìn)行異常值和系統(tǒng)誤差的識(shí)別，確定產(chǎn)生誤差值的測(cè)量點(diǎn)；
14、完成識(shí)別并確認(rèn)誤差后，通過(guò)插值法或加權(quán)平均法修正各測(cè)量點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，得到準(zhǔn)確測(cè)量值。
15、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述異常值和系統(tǒng)誤差的識(shí)別方法為，
16、所述異常值的識(shí)別，對(duì)于位于同一輻射方向上的壓應(yīng)力傳感器，將相鄰壓應(yīng)力傳感器的測(cè)量差值和基于線性梯度下降變化規(guī)律得到的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)差值超過(guò)閾值則判斷為異常值；對(duì)于位于同一周向梯度級(jí)的壓應(yīng)力傳感器，測(cè)量值應(yīng)保持一致，如出現(xiàn)不同則該點(diǎn)被判斷為異常值；
17、所述系統(tǒng)誤差的識(shí)別，將識(shí)別得到的異常值和正常值進(jìn)行比較，對(duì)偏差范圍進(jìn)行篩選，以區(qū)分真實(shí)誤差和由噪聲或環(huán)境干擾引起的瞬時(shí)異常，將真實(shí)誤差的測(cè)點(diǎn)識(shí)別為系統(tǒng)誤差。
18、本專(zhuān)利技術(shù)的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述修正各測(cè)量點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)的方法為，在識(shí)別為異常值的測(cè)點(diǎn)和其兩側(cè)相鄰的正常值測(cè)點(diǎn)之間進(jìn)行插值，通過(guò)多點(diǎn)插值確定該異常值的真實(shí)壓力值；以此方法對(duì)各異常值進(jìn)行修正，得到對(duì)湍流邊界層形成與分離過(guò)程的脈動(dòng)特征的有效測(cè)試。
19、有益效果
20、本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果在于：本專(zhuān)利技術(shù)的流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，一方面，采用mems技術(shù)，將流體壁面二維剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器采用一體化同步制造工藝集成在同一毫米級(jí)芯片上，簡(jiǎn)化了加工流程。另一方面，通過(guò)宮格式陣列化布局，不僅減小了傳感器的體積和重量，還降低了裝配誤差；多個(gè)傳感器還能在不同位置同步采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相互修正和高空間分辨率的測(cè)量。這不僅提高了測(cè)量精度，還為流體力學(xué)等領(lǐng)域提供了應(yīng)力變化的精確測(cè)試手段，滿足了復(fù)雜流體環(huán)境下的多點(diǎn)應(yīng)力測(cè)量需求。具體優(yōu)勢(shì)分析如下：
21、1.宮格式陣列化的設(shè)計(jì)可以獲取多個(gè)空間點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，并通過(guò)差分計(jì)算壓力梯度，中心線位置的剪切應(yīng)力傳感器能夠在正交方向上測(cè)量二維剪切應(yīng)力，從而全面獲取流體中應(yīng)力分布情況。
22、2.芯片內(nèi)部沒(méi)有電路結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于極端高溫環(huán)境，還可以應(yīng)用于水下流體應(yīng)力的測(cè)量。這適用于復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的研究，對(duì)湍流邊界層形成與分離過(guò)程的脈動(dòng)特征進(jìn)行有效測(cè)試，為有效評(píng)估飛行器/航行器氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦阻力和流動(dòng)噪聲奠定基礎(chǔ)。
23、3.壓力梯度的測(cè)量方式能夠直接反映流體在不同空間位置的壓力變化，為本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：包括集成于芯片上的若干剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器，所述剪切應(yīng)力傳感器的整體排布陣型呈正十字形，壓應(yīng)力傳感器的整體排布陣型呈×字形，將兩種陣型同心疊加得到宮格式陣列布局；宮格式陣列的中心位置為壓力傳感器，若干剪切應(yīng)力傳感器以中心壓力傳感器為輻射中心沿正十字方向向外輻射布置，用以測(cè)量二維剪切應(yīng)力，若干壓應(yīng)力傳感器以中心壓力傳感器為輻射中心沿×字方向向外輻射布置，用以測(cè)量梯度壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器通過(guò)MEMS加工技術(shù)一體化同步集成加工于芯片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器均包括支撐層、凹腔和結(jié)構(gòu)層，所述支撐層上表面和結(jié)構(gòu)層下表面均設(shè)有反射薄膜，凹腔表面設(shè)有抗反射涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述壓應(yīng)力傳感器的支撐層開(kāi)有多個(gè)通孔，用于光纖的定位與固定，其內(nèi)反射薄膜為金屬反射薄
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述剪切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)層為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)反射薄膜為光柵薄膜；所述浮動(dòng)結(jié)構(gòu)包括彈性梁、浮動(dòng)原件、固定錨點(diǎn)，浮動(dòng)原件通過(guò)周向設(shè)置的彈性梁與固定錨點(diǎn)連接，能夠帶動(dòng)安裝于浮動(dòng)元件下表面的光柵薄膜產(chǎn)生位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述反射薄膜從底部到頂部依次為氮化硅薄膜、鉻薄膜層和金薄膜層，并在金薄膜層表面鍍低高折射率交替的介質(zhì)多層膜，依次順序?yàn)榈驼凵浣橘|(zhì)層/高折射介質(zhì)層/低折射介質(zhì)層/高折射介質(zhì)層，每層厚度為λ/4。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述介質(zhì)多層膜的低折射介質(zhì)層為Al2O3，高折射介質(zhì)層為ZrO2，依次為120nmAl2O3/100nmZrO2/120nmAl2O3/100nmZrO2。
8.一種權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片的梯度壓力測(cè)量方法，其特征在于具體步驟如下：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述梯度壓力測(cè)量方法，其特征在于：所述異常值和系統(tǒng)誤差的識(shí)別方法為：
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述梯度壓力測(cè)量方法，其特征在于：所述修正各測(cè)量點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)的方法為，在識(shí)別為異常值的測(cè)點(diǎn)和其兩側(cè)相鄰的正常值測(cè)點(diǎn)之間進(jìn)行插值，通過(guò)多點(diǎn)插值確定該異常值的真實(shí)壓力值；以此方法對(duì)各異常值進(jìn)行修正，得到對(duì)湍流邊界層形成與分離過(guò)程的脈動(dòng)特征的有效測(cè)試。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：包括集成于芯片上的若干剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器，所述剪切應(yīng)力傳感器的整體排布陣型呈正十字形，壓應(yīng)力傳感器的整體排布陣型呈×字形，將兩種陣型同心疊加得到宮格式陣列布局；宮格式陣列的中心位置為壓力傳感器，若干剪切應(yīng)力傳感器以中心壓力傳感器為輻射中心沿正十字方向向外輻射布置，用以測(cè)量二維剪切應(yīng)力，若干壓應(yīng)力傳感器以中心壓力傳感器為輻射中心沿×字方向向外輻射布置，用以測(cè)量梯度壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器通過(guò)mems加工技術(shù)一體化同步集成加工于芯片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述剪切應(yīng)力傳感器和壓應(yīng)力傳感器均包括支撐層、凹腔和結(jié)構(gòu)層，所述支撐層上表面和結(jié)構(gòu)層下表面均設(shè)有反射薄膜，凹腔表面設(shè)有抗反射涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述壓應(yīng)力傳感器的支撐層開(kāi)有多個(gè)通孔，用于光纖的定位與固定，其內(nèi)反射薄膜為金屬反射薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種流體壁面剪壓應(yīng)力復(fù)合陣列傳感器芯片，其特征在于：所述剪切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)層為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)反射薄膜為光柵薄膜；所述浮動(dòng)...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬炳和，陳云健，羅劍，張興旭，劉赟哲，石磊，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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