孫寶云, 馬炳和, 鄧進軍, 姜澄宇(西北工業(yè)大學 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室, 西安 710072)

熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器技術(shù)研究進展

孫寶云, 馬炳和*, 鄧進軍, 姜澄宇
(西北工業(yè)大學 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室, 西安 710072)

基于MEMS技術(shù)的熱敏式微傳感器為壁面剪應(yīng)力的測量提供了重要手段。本文介紹了國內(nèi)外熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，重點從硅基和柔性聚合物基2種結(jié)構(gòu)角度，對其工作原理以及不同熱敏式微傳感器的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝和性能測試進行了分析。

MEMS；熱敏；壁面剪應(yīng)力；微傳感器；測試技術(shù)

0 引 言

作為基本流體力學參量之一，流體壁面剪應(yīng)力(摩阻應(yīng)力)是精確掌控摩擦阻力、深入了解邊界層流動狀態(tài)的重要物理量[1-3]，其有效測量可以顯著提升流體實驗測試技術(shù)水平。

目前壁面剪應(yīng)力的測量方法主要有3個發(fā)展方向：MEMS微傳感器技術(shù)、油膜干涉技術(shù)和液晶涂層技術(shù)。其中油膜干涉技術(shù)相比于傳統(tǒng)的壁面剪應(yīng)力測試方法，例如Preston管，對時域平均剪應(yīng)力具有更高的測量精度，但是無法進行壁面剪應(yīng)力動態(tài)測量。液晶涂層技術(shù)雖然可以進行動態(tài)測量，但是對光學附件和校準技術(shù)的較高要求限制了其在實際流動測量中的使用[4]。

湍流邊界層具有微秒量級的時間尺度和微米量級的長度尺度(比如在高雷諾數(shù)時，長度尺寸小于100μm，所需帶寬大于1kHz)，湍流脈動剪應(yīng)力的測試對傳感器性能提出了較高的要求，傳統(tǒng)的測試手段無法滿足測量需求。

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展為壁面剪應(yīng)力的測量提供了一種新手段。其中，基于MEMS技術(shù)的熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器，可實現(xiàn)對剪應(yīng)力的間接測量，具有時間/空間分辨率高、靈敏度高及功耗低的特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文從硅基和柔性聚合物基2種結(jié)構(gòu)角度闡述了熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器的研究發(fā)展現(xiàn)狀，重點對傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)、熱敏材料選擇、關(guān)鍵工藝和測試應(yīng)用進行了介紹。

1 工作原理

通過熱敏元件的電流產(chǎn)生焦耳熱使得熱敏元件溫度升高，單位時間內(nèi)熱敏元件產(chǎn)生的熱量Q通過流體熱對流Q1、基底熱傳導(dǎo)Q2、熱輻射Q33種途徑進行耗散[4-5]，如圖1所示。

通過強制對流傳熱到流體中的熱量為：

式中：h是對流熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，S是散熱面積，T為熱敏元件溫度，T0為流體溫度。

通過熱傳導(dǎo)耗散到襯底中的熱量為：

式中：k為襯底導(dǎo)熱系數(shù)，A為熱敏電阻與襯底的接觸面積，Ti為襯底的溫度，x為襯底厚度。

通過熱輻射散失到流體中的熱量為：

式中：σ是Stefan-Boltzmann常數(shù)。在總的熱耗散中，熱輻射耗散的能量很小，可以忽略。

流體流過傳感器熱敏表面時，與熱敏元件強迫對流換熱，改變熱敏元件的溫度，進而改變其阻值。熱敏元件阻值與溫度的關(guān)系如公式(4)所示。通過測量傳感器熱敏元件的阻值變化可得到壁面剪應(yīng)力的大小。

式中：α是熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)(TCR)，R0為參考溫度為T0時的電阻值。

2 硅基熱敏式微傳感器

1988年，荷蘭代爾夫特工業(yè)大學Oudheusden B.等制作出了第一個基于MEMS技術(shù)的熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器[6]。封裝后的傳感器尺寸為9.5mm×9.5mm，包括集成在硅片上的一個熱電堆和信號調(diào)理電路。由于沒有對熱敏單元與基底進行熱隔離，熱敏元件向基底的熱傳導(dǎo)較大，傳感器的測試性能并不理想。

1994年，加州理工學院Liu C.等人提出了一種新型的具有真空腔結(jié)構(gòu)的硅基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器[7-8]，該傳感器的橫截面示意圖如圖2所示，熱敏感表面結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要加工工藝與參數(shù)為：在硅基底上利用犧牲層技術(shù)加工出一個長寬均為200μm，深2μm的空腔；再利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)的方法在空腔結(jié)構(gòu)上方沉積熱敏單元與引線結(jié)構(gòu)。熱敏元件的材料為多晶硅，尺寸通常為長80～200μm，寬2μm。長200μm，厚0.45μm的熱敏元件標稱電阻為5kΩ，TCR在20～200℃溫度范圍內(nèi)為1300ppm/℃。在恒流工作模式下，測試系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度為15mV/Pa，帶寬為500Hz左右，剪應(yīng)力的1/3次方與傳感器輸出電壓的平方成正比關(guān)系。在恒溫工作模式下，測試系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度為1V/Pa，動態(tài)響應(yīng)截止頻率達到了9kHz。對于溫度漂移問題，1999年，加州理工的 Huang J.B.等人提出了一種新型的使用包括2個電阻溫度系數(shù)相匹配的傳感器的差分電路硬件溫度補償方法[9]，電路中一個傳感器工作在高過熱比的恒溫模式下，用于剪應(yīng)力的測量，另一個傳感器工作在恒流模式下，用于高靈敏度的溫度測量。

Fig.2 Cross-sectional schematic of the silicon-based thermal shear-stress sensor

Fig.3 An optical micrograph of the shear stress sensor sensing element

為了多點分布式測量，1996年，加州理工學院Jiang F.等人將硅基熱敏式微傳感器進行了陣列化集成[10-11](見圖4)。利用各向異性刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)等工藝將傳統(tǒng)的硅基空腔結(jié)構(gòu)熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器加工在了2層17μm厚的聚酰亞胺(Polyimide)薄膜之間。一個長3cm、寬1cm的剪應(yīng)力傳感器條帶包含了100個傳感單元。利用該傳感器陣列進行了三角翼前緣分離位置檢測實驗[12-13]。

相比于傳統(tǒng)的熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器，真空腔結(jié)構(gòu)的提出提高了傳感器的靈敏度、帶寬，降低了功耗。

2002年加州理工學院的Xu Y.等人提出使用Parylene作為防護層材料，將硅基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器的使用領(lǐng)域擴展到了水下[14-17](見圖5)。研究發(fā)現(xiàn)采用化學氣相沉積的Parylene 薄膜具有優(yōu)良的防水性能，沉積2μm厚度的Parylene防水層的傳感器可以在55℃的水下存活至少1個月的時間。同時，對水下的壓力串擾問題進行了研究，通過減小熱敏元件下的隔膜層的平面尺寸和增加隔膜層的厚度，一定程度上降低了傳感器在水下使用時的壓力串擾。

圖5 涂覆Parylene C防護層的傳感器在鹽水中浸泡27個月后電鏡照片

Fig.5 Micrographs of a parylene C-coated shear-stress sensor (a) before and (b) after 27 months saline soaking

多晶硅作為熱敏單元電阻溫度系數(shù)較低，工作溫度范圍較小，由于壓阻效應(yīng)的存在，傳感器的輸出會受到壓力串擾的影響。2000年，佛羅里達大學的Chandrasekaran V.等人提出了以鉑(Pt)為熱敏元件材料，通過鍵合、減薄工藝加工出的真空腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱隔離的傳感器[18-20]。傳感器熱敏單元尺寸為150nm×4μm×200μm，氮化硅薄膜厚度為150nm，空腔直徑為200μm，深10μm(見圖6)。熱敏元件兩端分別為2根金導(dǎo)線，采用四線制進行電連接以消除引線電阻對傳感器輸出的影響。

相比于多晶硅材料的熱敏單元，鉑具有更高的TCR和工作溫度范圍，更小的本底噪聲[21]，減小了壓阻效應(yīng)引起的壓力串擾的影響。在20～400℃溫度范圍內(nèi)TCR最大可以達到2900ppm/℃。在恒流工作模式下對傳感器進行了靜態(tài)標定，過熱比范圍為0.2～1.0，剪應(yīng)力發(fā)生范圍為0～1.7Pa。實驗結(jié)果如圖7所示，傳感器靈敏度隨著過熱比的增加而升高，過熱比為1.0時最大靈敏度為11mV/Pa。

Fig.7 Static response of the sensor vs. shear stress at different overheat ratios

此外，利用平波管對傳感器進行了動態(tài)標定實驗[22]，結(jié)果(見圖8)表明傳感器測試系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，響應(yīng)頻率為600Hz左右。

Fig.8 The dynamic calibration result of the thermal shear stress sensor(overheat ratio 0.92)

采用犧牲層技術(shù)加工出來的硅基熱敏式傳感器空腔結(jié)構(gòu)受到硅基底厚度和工藝的限制，無法加工出更大深度的空腔。2016年，中國科學院的Yi Ou等人利用硅玻陽極鍵合工藝制造出了具有真空空腔結(jié)構(gòu)的熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器[23]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。熱敏單元材料為鉑，導(dǎo)線材料為金，空腔上方熱敏元件下方的支撐結(jié)構(gòu)為氮化硅薄膜，厚度為1.5μm。相比基于犧牲層技術(shù)的熱敏式微傳感器，該傳感器擁有深度更大的空腔，最大深度可以達到525μm，真空度可以達到5×10-2Pa，封裝集成后的傳感器如圖10所示。靜態(tài)標定實驗結(jié)果(見圖11)表明傳感器輸出電壓的平方與剪應(yīng)力的1/3次方成正比關(guān)系，該傳感器靜態(tài)靈敏度可以達到184.5mV/Pa，響應(yīng)時間為180μs。

Fig.10 (a) The packaged sensors. (b) The fully assembled sensors with test circuit boards

3 柔性聚合物基熱敏式微傳感器

相對于傳統(tǒng)的硅基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器，柔性基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器可實現(xiàn)對非平面表面壁面剪應(yīng)力的大面積分布式測量，傳感器的安裝不會破壞模型的原有結(jié)構(gòu)且?guī)缀醪粫υ辛鲌霎a(chǎn)生干擾。

隨著MEMS加工技術(shù)的發(fā)展，柔性熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器采用薄膜蒸鍍、濺射、光刻和刻蝕等工藝在柔性聚合物基底上進行加工制造。2005年，德國柏林工業(yè)大學Buder U.等人研制出了一種以聚酰亞胺為基底的柔性MEMS熱線微傳感器[24]。該傳感器以125μm厚的聚酰亞胺薄膜為基底，熱敏元件為濺射在基底上的鎳薄膜，厚度和寬度均為2μm，長度為800μm。熱敏元件下方通過深100μm、長800μm、寬600μm的空腔與基底進行熱隔離，如圖12所示。為了減小引線連接對測試流場的干擾，通過激光打孔技術(shù)實現(xiàn)了柔性基底上背引線的加工[25]，使用該傳感器進行了流動分離和再附的測量[26]，如圖13所示。

2005年，西北工業(yè)大學Liu K.等人開始了對柔性聚合物基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器的研究，提出了一種將硅基熱敏式傳感器在柔性聚酰亞胺基底上進行陣列化集成的方法[27-33](見圖14)。傳感器熱敏單元材料為鉑，電阻溫度系數(shù)3750ppm/℃。成功進行了流動分離測量實驗(見圖15)。

經(jīng)過持續(xù)研究，西北工業(yè)大學Ma B.H.等人在2008年研制出了一種新型的柔性聚合物基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器陣列[34-39]。研究建立了標準的傳感器加工工藝。傳感器實物圖如圖16所示。采用50μm厚的聚酰亞胺薄膜為基底，熱敏單元材料為濺射的鎳薄膜，長3mm、寬50μm、厚1μm，電阻溫度系數(shù)可達到4700ppm/℃。剪應(yīng)力測量范圍可達60Pa。除空氣外，該傳感器還可對水下壁面剪應(yīng)力進行測量，采用升華法制備Parylene C作為防水涂層，厚度為2μm。水下浸泡2年后，傳感器仍可以正常工作，探頭阻值僅變化0.9%。

為了得到傳感器輸出電壓與壁面剪應(yīng)力的關(guān)系，進行了大量的空氣和水下標定實驗，部分結(jié)果如圖17和18所示，輸出電壓的平方與剪應(yīng)力的1/3次方成正比關(guān)系。建立了恒流和恒溫2種不同工作模式下的溫度補償公式以消除溫度漂移對傳感器輸出信號的影響。西北工業(yè)大學牽頭研究了壁面剪應(yīng)力測量儀器技術(shù)，研制出首臺套壁面剪應(yīng)力測試儀工程樣機(見圖19)，聯(lián)合中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所、中國商飛上海飛機設(shè)計研究院、中航工業(yè)空氣動力研究院、中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所、中國船舶科學研究中心和南京水利科學研究院等單位，開展了標定、剪應(yīng)力測量、流動分離和轉(zhuǎn)捩等應(yīng)用測試實驗(見圖20)。

Fig.17 The static calibration result in the air at different overheat ratios

2013年，德國布倫瑞克工業(yè)大學Beutel T.等人將旋涂聚酰亞胺工藝應(yīng)用到了柔性熱敏式傳感器基底制造，研制出了以聚酰亞胺薄膜為基底的柔性熱膜壁面剪應(yīng)力微傳感器(見圖21)，用于邊界層的流動測量和飛機機翼的主動流動控制[40-42]。通過旋涂聚酰亞胺工藝，最小厚度可以做到7μm，減小了傳感器對被測流場的干擾。該傳感器熱敏單元材料為鎳，電阻溫度系數(shù)可以達到4990ppm/℃。

Fig.18 The underwater static calibration result at different overheat ratios

有研究學者認為傳感器表面形貌不平整會對壁面剪應(yīng)力的測量造成影響。2016年，日本廣島城市大學Hasegawa Y.等人提出了一種表面光滑的柔性熱敏式剪應(yīng)力傳感器[43]，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖22所示。在1.5μm厚的Parylene薄膜基底上加工出熱敏單元和引線結(jié)構(gòu)，然后將具有空腔結(jié)構(gòu)的PDMS結(jié)構(gòu)與Parylene薄膜基底進行粘合，使得熱敏單元位于空腔結(jié)構(gòu)上方(見圖23)，對熱敏單元進行熱隔離。該傳感器敏感元件上方Parylene薄膜形成了一個光滑的表面結(jié)構(gòu)，減小了傳感器表面凹凸不平結(jié)構(gòu)對剪應(yīng)力測量的影響。

在生物醫(yī)學領(lǐng)域，熱敏式柔性聚合物基微傳感器開始應(yīng)用到生物體血管內(nèi)進行壁面剪應(yīng)力的測量，用于對動脈硬化等疾病的檢測與預(yù)防。

2008年，美國亞利桑那州立大學的Yu H.等人提出了一種具有生物兼容性的柔性MEMS微傳感器[44-45](見圖24)用于新西蘭大白兔動脈血管內(nèi)壁面剪應(yīng)力的實時測量。該傳感器使用Parylene C作為基底材料，鈦(Ti)和鉑(Pt)作為敏感單元材料，熱敏單元的阻值達到了1kΩ，TCR為1600ppm/℃。為了實現(xiàn)傳感器在生物體內(nèi)的使用，傳感器封裝成導(dǎo)管的形式。為了驗證傳感器在生物體內(nèi)的適用性，將傳感器植入了5只新西蘭大白兔的腹動脈內(nèi)(見圖25)進行壁面剪應(yīng)力的分析測量。傳感器工作在恒流模式下，工作電流為0.9833mA，測試結(jié)果如圖26所示。

由于傳感器在血管內(nèi)的位置會發(fā)生變化，單個傳感器植入生物體內(nèi)進行壁面剪應(yīng)力測量誤差較大。2013年亞利桑那州立大學的Tang R.等人提出了三維(3D)柔性熱敏式傳感器(見圖27)用于體內(nèi)血液流動監(jiān)測[46]，以達到減小傳感器在狹窄曲面結(jié)構(gòu)上的位置變化引起的測量誤差。該傳感器有3個獨立的熱敏單元平均分布在封裝導(dǎo)管上，這種排布方式引入了3個方向的獨立流動信息，通過橫向比較從而得到準確的流動信息。研究人員僅在生物體外對傳感器進行了測試實驗，并沒有證明其在生物體內(nèi)的適用性以及對測量準確性的具體提升效果。

Fig.25 Fluoroscope images of in vivo testing of the MEMS sensor in NZW rabbit

Fig.27 (a) Unwired sensing device. (b) Sensing device assembled with external wires

為了同時對血液的多項指標進行檢測，2008年，美國辛辛那提大學Li C.等人制造出了一種集成了血液溫度、流速和血糖濃度測量的柔性聚合物基底芯片實驗室[47](見圖28)。研究人員提出的多種傳感器集成的方法不僅解決了引線連接和安裝的問題，而且還保留了封裝導(dǎo)管原有的給藥和醫(yī)療工具嵌入的功能。其中的溫度和流量傳感器均為柔性熱敏式微傳感器，傳感器基底選用25μm厚的聚酰亞胺薄膜，熱敏單元為電子束蒸發(fā)的金薄膜，電阻溫度系數(shù)為3000ppm/℃。溫度和流速測試結(jié)果如圖29所示。

Fig.28 In plane and spirally rolled structure of glucose, temperature and flow micro sensors

Fig.29 (a)The test result of temperature sensor. (b) The test result of flow rate sensor

4 結(jié) 論

(1) 熱敏式微傳感器陣列為壁面剪應(yīng)力高時間空間分辨率分布式測量提供了一種有效手段。

(2) 柔性聚合物基熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器適用于非平面結(jié)構(gòu)的分布測量，具有更加廣闊適用性。

(3) 柔性聚合物基熱敏式微傳感器也可用于生物體內(nèi)壁面剪應(yīng)力的測量，為動脈硬化等疾病的檢測與預(yù)防提供了更加高效便捷的方法和手段。

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(編輯：楊 娟)

Research progress on thermal wall shear stress sensors

Sun Baoyun, Ma Binghe*, Deng Jinjun, Jiang Chengyu

(Key Laboratory of Micro/Nano Systems for Aerospace, Ministry of Education, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)-based shear stress sensors provide a significant method in wall shear stress measurement. In this paper, the research progress of thermal wall shear sensors is introduced. And the sensing principle, device structure, fabrication processes, and performance test of the silicon-based and flexible polymer-based thermal wall shear stress sensors are analyzed.

MEMS;thermal;wall shear stress;micro sensor;measurement technology

2016-12-15;

2017-02-23

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ040911)

SunBY,MaBH,DengJJ,etal.Researchprogressonthermalwallshearstresssensors.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 26-33, 43. 孫寶云, 馬炳和, 鄧進軍, 等. 熱敏式壁面剪應(yīng)力微傳感器技術(shù)研究進展. 實驗流體力學, 2017, 31(2): 26-33, 43.

1672-9897(2017)02-0026-09

10.11729/syltlx20170022

TH823; TP212

A

孫寶云(1992-)，男，安徽蚌埠人，博士研究生。研究方向：柔性壁面剪應(yīng)力微傳感器。通信地址：陜西省西安市碑林區(qū)友誼西路127號(710072)。E-mail:sunbaoyun@mail.nwpu.edu.cn

*通信作者 E-mail: mabh@nwpu.edu.cn