流体边界层分离检测系统的设计和验证

通过分析流体边界层分离原理,针对分离点附近剪应力变化规律,提出了用微型剪应力传感器阵列在飞行器表面贴附完成实时分离点检测的设计方案.同时提出了基于双运算放大器的恒流驱动电源设计和滤波衰减电路设计方案,并在NACA0012标准翼型上实现了边界层分离检测系统集成,最后利用低速风洞试验验证了上述检测系统对分离位置测定的准确性和有效性.     

浮动式剪应力微传感器的标定

流体壁面剪应力微传感器的精确标定是进行流动测量的基础。分别采用自重加载、离心加载和风洞吹风三种不同方法,对基于电容检测原理的浮动单元剪应力微传感器进行标定与实验研究。对比了三种实验方法和标定的结果,分析了标定过程中的设备、传感器的加工及安装等误差的影响。研究结果表明,标定的传感器灵敏度为30 mV/Pa,三种标定方法的误差在2%以内,采用离心加载标定的误差最小;为进一步减小标定误差提供了改进方法。利用标定后的传感器,在风洞中对标准翼型的定点壁面剪应力值进行了测量,与仿真结果进行对比,二者能够较好吻合。     

用于壁面剪应力测量的柔性热敏传感器阵列

阐述了壁面剪应力测量原理及其需求。以Ni为热敏材料、聚酰亚胺为衬底,采用MEMS微加工工艺制作了一种用于近壁传热及流动参数分布测量的全柔性热敏传感器阵列。该传感器阵列的尺寸微小、集成度高、柔性可弯,可用于弯曲壁面剪应力大小与分布测量。针对柔性热敏传感器阵列电阻温度系数太小的问题,本文采用了合适的Ar压强和在溅射过程中衬底加温以及真空退火等办法提高了电阻温度系数,同时考虑并解决了热敏电阻与衬底间的粘附性问题。实验结果表明,在5～80℃,柔性热敏传感器阵列的电阻温度系数可高达4.64×10^-3/℃,并且具有良好的线性。     

面向动态压力测量的微型压力传感器敏感结构

围绕微型压力传感器的动态性能对压力敏感结构设计进行了研究。结合有限元分析,掌握了压阻式微型压力传感器的膜片形状、膜厚、膜片平面尺寸对于固有频率、灵敏度的影响规律,明确了固有频率、灵敏度与敏感结构形状尺寸间的关系。结合研发实例,利用时域暂态有限元分析,研究了不同厚度的正方形敏感膜片对于正弦、阶跃压力载荷的动态响应情况。研究表明,较小的敏感膜片平面尺寸、较大的膜片厚度有利于获得高的固有频率,从而得到较宽的工作频带、较快的响应速度。     

姿态参照系统中硅微机械加速度计的温度补偿

微机械加速度计的输出受到环境温度的影响.文中以姿态参照系统为例,通过温度实验,得到了姿态参照系统中的微机械加速度计在不同温度下的输出,通过数据拟合建立了静态温度模型,对加速度计的零偏和标度因子进行了补偿.在姿态参照系统中对该温度补偿模型进行试验,结果表明得到的模型可以有效地补偿系统中的微机械加速度计的温度误差.使加速度计随温度变化的稳态输出变化的数量级由10-3减小到10-4.该温度补偿方法也适用于其他MEMS惯性测量系统中的微机械加速度计的温度补偿.     

硅微陀螺的静电-结构耦合分析与模拟

硅微陀螺是一个涉及力、电和流体等多个能量域的复杂系统，设计过程中综合考虑这些能量域的耦合作用有利于预测和改善陀螺的系统性能。本采用半解析的方法分析了陀螺中的静电-结构耦合问题，引入机电转换单元模拟了偏置电压对驱动模态和敏感模态频率的影响。结果表明基于半解析的耦合分析方法能准确快速地求解微陀螺的静电-结构耦合问题。     

用于三角翼气动控制的MEMS微致动器

结合三角翼气动特征，介绍了两种用于三角翼前缘涡控制的MEMS微致动器，它们通过扰动边界层的分离，打破三角翼前缘分离涡的对称性，从而产生控制力矩。描述了微气泡致动器的工作原理、薄膜材料的选择以及结构工艺。利用计算流体力学软件对微气泡致动器阵列扰动下三角翼前缘涡的变化情况进行了数值仿真，进一步验证了控制方案的可行性。     

具有空间连续行为的微型压力传感器系统级建模

大多数MEMS器件(如梁、膜等)的动态特性方程为偏微分方程,因此建立对应组件的可重用参数化行为模型是一个难题.本文通过有限差分法把偏微分方程转化为常微分方程组,然后采用混合信号硬件描述语言进行描述,解决了该问题.针对电容式微型压力传感器,专门考虑膜片的空间连续行为以及结构、静电力的耦合作用,建立了包含接口电路在内的系统模型,据此进行了动态行为仿真.通过结果对比,验证了方法的实用性.相对于通用的参数化组件模型,当前MEMS商业化软件多采用逐个器件进行宏模型抽取的方式实现系统级建模和仿真.     

基于柔性传感器阵列的边界层分离位置测定实验研究

结合边界层分离点附近的剪应力变化规律，提出针对在飞行器外表面贴附微型传感器的分离点检测方法，给出了相应微型剪应力传感器阵列的设计方案。研制了在柔性聚酰亚胺衬底集成微型热敏传感器的柔性传感器阵列，解决了柔性传感器阵列对微细加工工艺要求较高的难题。在低速风洞实验中对传感器阵列的性能和传感器阵列输出信号的处理判断方式进行了验证，实验结果分析表明，研制的微型热敏传感器阵列能够实现对流体边界层分离位置的在线测量。     

一种基于多端口组件网络的MEMS系统级建模方法

以多端口组件及其网络的研究作为理论基础,创建了专门针对MEMS的系统级建模方法———用单个组件 表示MEMS的各功能结构部件,组件的端口表征与部件有关的各种物理量,依据一定规则联结组件形成的网络表 征整个微系统。该方法采用常微分和代数方程描述组件的行为,混合信号硬件描述语言作为组件及其网络的建模 语言。以梁为例,阐述了如何建立其行为方程,以得到参数化、可供重用的组件模型。上述研究结合微加速度计的 系统级设计应用实例,表明该方法是实现MEMS系统级建模的有效手段,能针对MEMS固有的多能量域耦合行为 等进行快速建模与仿真。