柔性热剪切应力微传感阵列研究

发布时间：2025-05-11 01:51

　　剪切应力是流场控制过程中的重要物理量,在运载工具减阻、医学疾病诊断及军事装备监测等领域具有重要的应用价值。多传感器组成的阵列式结构可以同时对剪切应力的时间和空间分布进行测量,是实现主动闭环流场控制的前提。热传递法和柔性聚合物薄膜相结合的剪切应力微传感阵列能够具备良好的柔性特征,适用于非规则壁面处的剪切应力测量。本论文中的微传感阵列具有非悬空热线、聚酰亚胺-铂-聚酰亚胺三明治结构、集中引线与独立引线相结合的布线形式、背部引脚接线等结构特点,可以利用多层聚合物结合的柔性微加工技术进行制作。利用静态和动态的温度补偿方法可以分别对空气和水中由流体温度变化引起的输出误差进行补偿,该方法也能拓展至其他流体环境。微传感阵列与测试电路级联调试并标定后,形成了具有微型化、阵列式、适用于非规则壁面、水/空两用等应用特征的柔性热剪切应力微传感阵列及其测试系统。本文的主要工作内容概括如下:1.柔性热剪切应力微传感器的原理分析与结构优化设计。在有效工作范围内,热线功率与流体剪切应力的立方根成线性相关关系,故可通过测量热线的电学特性计算出流体的剪切应力。选择聚酰亚胺和金属铂分别作为柔性基底和热线的结构材料,在具备柔...

【文章页数】：129 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
主要符号说明
第一章 绪论
    1.1 剪切应力测量综述
        1.1.1 活动质量法
        1.1.2 油膜干涉法
        1.1.3 液晶涂覆法
        1.1.4 压差法
        1.1.5 光谱频移法
        1.1.6 热传递法
        1.1.7 技术对比与方案
    1.2 热剪切应力传感器的电路系统
        1.2.1 测试电路
        1.2.2 温度补偿电路
        1.2.3 电路对比与方案
    1.3 本论文的研究意义
    1.4 本论文的主要研究内容
    1.5 本章小节
第二章 柔性热剪切应力微传感阵列的优化设计
    2.1 热剪切应力传感器的工作原理
    2.2 热剪切应力微传感阵列的材料选择
    2.3 微传感阵列的结构设计
    2.4 微传感阵列的仿真优化
        2.4.1 多物理场耦合的剪切应力测量过程
        2.4.2 平面温度分析
        2.4.3 截面温度分析
    2.5 本章小结
第三章 柔性热剪切应力微传感阵列的MEMS制备
    3.1 微传感阵列的制备流程
    3.2 关键工艺的选择与实现
        3.2.1 柔性薄膜的制作与释放
        3.2.2 微小尺寸热线的成型
        3.2.3 多层微结构的结合
    3.3 本章小结
第四章 传感器的恒温测试模式及其温度补偿电路
    4.1 传感器的热学-电学模型
    4.2 恒温测试电路
    4.3 静态温度补偿电路
        4.3.1 电路设计及其系统级仿真
        4.3.2 误差分析
    4.4 动态温度补偿方案
    4.5 本章小结
第五章 柔性热剪切应力微传感阵列的测试与标定
    5.1 热线的表征
    5.2 电路制版与调节
    5.3 空气环境测试
        5.3.1 温度分布
        5.3.2 稳定性及响应时间测试
        5.3.3 剪切应力响应
    5.4 水环境标定
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 本文完成的主要研究工作和结论
    6.2 本文主要创新点
    6.3 下一步研究工作
参考文献
致谢
攻读博士期间发表的学术成果



本文编号：4044660