梯形夹层双层热膜传感器：实现高灵敏度和空间分辨壁面剪应力测量的静态研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Trapezoidal sandwiched dual-layer hot-film sensors for highly sensitive and spatial-resolved wall shear stress measurement: a static investigation

本文推荐一种新型梯形夹层双层热膜传感器（MEMS），通过独特的双有源层热绝缘策略，有效抑制了基底热损耗（substrate heat loss）和轴向热扩散（axial diffusion）。研究表明，该传感器在0-5 Pa壁面剪应力（wall shear stress）范围内，输出电压灵敏度较单层器件提升超100%，且有效传感长度仅为其物理尺寸的两倍，显著缓解了传统热膜传感器在空间分辨率与边缘效应（edge effects）间的固有矛盾，为未来高质量流场测量开辟了新途径。

　　

Highlight

梯形夹层双层热膜传感器用于高灵敏度和空间分辨的壁面剪应力测量：一项静态研究

Section snippets

热膜传感器的理论分析

热膜传感器通过平衡热敏元件的发热与散热来测量壁面剪应力。热量由焦耳热产生，并通过对流、传导和辐射耗散。因此，热膜传感器在稳态传热下的能量平衡可表示为：

Q = I²R_w= h_fA (T_w- T_f)

其中 Q 是加热功率，I 是工作电流，R_w是工作电阻，h_f是传热系数，A 是受热面积，T_w是工作温度...

传感器设计与制造

根据第2节的分析，我们现在清楚地知道，不希望的基底热损耗和轴向扩散是提高热膜传感器传感性能的两个主要障碍。因此，我们在本工作中着重于减少基底和轴向热扩散的热膜传感器设计。提出的梯形夹层双层热膜传感器设计如图2所示。下部保护加热器的流向长度被设计得比上部传感元件更长...

实验装置与操作方法

用于壁面剪应力标定的矩形封闭空气通道示意图如图4(a)所示。它由标称粗糙度 Ra ≤ 0.05 μm 的聚甲基丙烯酸甲酯制成。通道长210 mm (l)，宽12 mm (w)，高0.56 mm (h)。双层热膜传感器齐平安装在铝壁上，距离入口下游80 mm，以确保测试段为充分发展的流动。通道的高宽比 w/l > 20，允许均匀的二维...

静态响应

梯形夹层双层热膜传感器的标定结果如图6所示。传感器在双层和单层模式下，从上传感元件测得的加热功率随壁面剪应力的变化被绘制出来。我们的当前案例应用了1/3次方定律。Q 的测量不确定度小于测量值的 ±1.9%（见补充信息第3.1节），在图中的阴影区域以误差条的形式呈现...

结论与未来工作

在这项工作中，提出了一种新型的梯形夹层双层热膜传感器，该传感器具有减小的基底和轴向扩散效应，用于高灵敏度和空间分辨的壁面剪应力测量。该传感器采用MEMS技术，在柔性聚酰亚胺薄膜上制造了一对梯形图案的功能性镍加热器。上部加热器作为热传感元件，而下部对齐的加热器则作为保护加热元件。这种设计...

CRediT authorship contribution statement

Yuchao Yan: 审阅与编辑，验证，资金获取，数据整理，概念化。Daoyuan Wang: 审阅与编辑，原稿撰写，可视化，软件，方法论，研究，形式分析，概念化。Jinjun Deng: 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。Weizheng Yuan: 监督，资源。Binghe Ma: 监督，资源，形式分析。Jian Luo: 可视化，软件。

Declaration of Competing Interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本报告所载的工作。

Acknowledgements

本研究由国家重点研发计划（项目编号 2024YFB4612800）和国家自然科学基金（项目编号 52475571）以及宁波市自然科学基金（项目编号 2022J057）资助。