MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)

孫海浪, 田于逵, 金 磊, 張 璇, 謝 華

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心, 水動(dòng)力學(xué)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214082; 2. 杭州金恒電源科技有限公司, 杭州 311112)

MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)

孫海浪1,*, 田于逵1, 金 磊2, 張 璇1, 謝 華1

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心, 水動(dòng)力學(xué)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214082; 2. 杭州金恒電源科技有限公司, 杭州 311112)

MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器的輸出信號(hào)是帶有基礎(chǔ)電壓的微弱電壓信號(hào)，無(wú)法通過放大器直接放大的方法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。文章提出在輸出信號(hào)放大前增加信號(hào)平衡環(huán)節(jié)，在保留有效信號(hào)的前提下減小基礎(chǔ)電壓，再通過放大的方法實(shí)現(xiàn)其高精度測(cè)量，有效解決了MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)的難題。文章介紹了MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)、測(cè)試檢驗(yàn)及試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例。

微機(jī)電系統(tǒng)；熱膜；壁面剪應(yīng)力；傳感器；微弱信號(hào)檢測(cè)

0 引 言

一直以來(lái)，通過有效的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)減阻增效、提高水下航行體綜合航行性能是水動(dòng)力研究的重要內(nèi)容。壁面剪應(yīng)力的精確測(cè)量對(duì)于研究水下物體邊界層流動(dòng)、尋求有效的減阻增效措施至關(guān)重要[1-2]。物體近壁湍流流動(dòng)現(xiàn)象具有時(shí)間和位置的不確定性，流動(dòng)結(jié)構(gòu)尺度小，生命周期短，且對(duì)外界擾動(dòng)極為敏感。這些特性對(duì)測(cè)試和辨識(shí)技術(shù)提出了很高的要求，傳統(tǒng)傳感器一般難以滿足[3]。MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展為上述問題，包括壁面剪應(yīng)力大面積、長(zhǎng)時(shí)間、高精度測(cè)量問題的解決提供了可能[4-5]。

壁面剪應(yīng)力的測(cè)量方法大致分為2類：直接測(cè)量法，如浮動(dòng)元件法、油膜干涉法；間接測(cè)量法，如熱線/熱膜法、普林斯頓管法、斯坦頓管法和底層隔板法等[3,6]。其中，熱膜法以頻響快、空間分辨率高、對(duì)流場(chǎng)干擾小及可靠性高等特點(diǎn)獲得了較為廣泛的應(yīng)用[7-12]。MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器的輸出信號(hào)是帶有基礎(chǔ)電壓(伏級(jí))的微弱電壓信號(hào)(微伏級(jí))，需通過放大以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，但受制于常用數(shù)采系統(tǒng)的輸入限制(-10～10V)，放大倍數(shù)有限，無(wú)法滿足測(cè)量要求。因此，文章提出在輸出信號(hào)放大前增加信號(hào)平衡環(huán)節(jié)，在保留有效信號(hào)的前提下減小基礎(chǔ)電壓，再通過放大的方法實(shí)現(xiàn)其高精度測(cè)量，有效解決了MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)的難題。

1 傳感器敏感原理和輸出信號(hào)特性

本文所采用的水下MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器敏感原理基于熱轉(zhuǎn)移法[13]，即在恒流驅(qū)動(dòng)下，電流加熱貼附壁面的MEMS傳感器熱薄膜敏感元件，熱能在不同流動(dòng)情況(壁面剪應(yīng)力)下通過熱對(duì)流的形式轉(zhuǎn)移到流場(chǎng)中，引起熱敏電阻阻值的變化。可以再通過測(cè)量熱敏電阻兩端的電壓變化，檢測(cè)熱敏電阻阻值變化，實(shí)現(xiàn)壁面剪應(yīng)力的測(cè)量，如圖1和2所示。

靈敏度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是熱膜式傳感器的2大性能指標(biāo)。靈敏度主要與激勵(lì)電流大小有關(guān)，恒流源提供的激勵(lì)電流越大，電橋輸出電壓信號(hào)越大。然而在水下使用時(shí)，采用較大的激勵(lì)電流加熱熱敏電阻，容易在電阻表面產(chǎn)生附著的氣泡，影響熱對(duì)流[14]。熱敏元件的厚度直接影響傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，其表面積大小則決定了對(duì)流換熱與向襯底傳熱的比例，而向襯底的傳熱是應(yīng)該盡量減小的[15]。結(jié)合傳感器性能指標(biāo)及工程實(shí)際應(yīng)用，文章最終采用的恒流源激勵(lì)電流I0為50mA，熱敏元件長(zhǎng)×寬×厚=3mm×50μm×2μm，基礎(chǔ)阻值R0約20Ω(取決于微加工工藝偏差，在16～24Ω范圍內(nèi))。

由熱膜式傳感器的敏感原理可知，經(jīng)I0=50mA恒流源激勵(lì)后，無(wú)壁面剪應(yīng)力輸入條件下熱敏電阻兩端的基礎(chǔ)電壓U0約為0.8～1.2V(U0=I0×R0)，而滿量程情況下熱敏電阻阻值最大變化ΔRm/R0≈-10%，換算成輸出電壓變化量ΔUm約為-100mV。對(duì)于量程為0～50Pa的傳感器，要實(shí)現(xiàn)0.1Pa分辨率的精密測(cè)量，其輸出信號(hào)分辨率至少需達(dá)到0.1Pa×(-100mV)/50Pa=-0.2mV。如此微弱的輸出電壓變化量ΔU(微伏量級(jí))在輸出電壓信號(hào)U(U=U0+ΔU，伏量級(jí))中難以分辨。

2 平衡環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案

可在輸出電壓信號(hào)U放大前增加信號(hào)平衡環(huán)節(jié)，在保留輸出電壓變化量ΔU的情況下盡量減小基礎(chǔ)電壓U0，將U0控制在-1～1mV范圍內(nèi)，則輸出電壓信號(hào)U將控制在-101～1mV范圍內(nèi)，再通過放大實(shí)現(xiàn)ΔU的測(cè)量，如圖3所示。平衡環(huán)節(jié)技術(shù)要求如表1所示。

表1 平衡環(huán)節(jié)技術(shù)要求Table 1 Technical requirements of the OBS

平衡環(huán)節(jié)工作原理如圖4所示。選用精度為0.1%的電源芯片(ADR4525)作基準(zhǔn)電源，產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓，該電壓既作為ADC轉(zhuǎn)換芯片的供電電源，又作為后續(xù)平衡電路的參考電壓。基準(zhǔn)電壓經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器(OPA2335)構(gòu)成的電壓跟隨環(huán)節(jié)，隔離后續(xù)電路阻抗對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響，進(jìn)入分壓電路。分壓電路由一個(gè)1024檔分辨率的數(shù)字電位器(X9111)和精密電阻(100kΩ)串聯(lián)而成，通過數(shù)字電位器調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生0.5～1.5V的電壓，調(diào)節(jié)精度為1mV。分壓電路的輸出電壓進(jìn)入減法器運(yùn)放的反向端。傳感器(帶寬為1kHz)兩端的初始電壓經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器(OPA2335)構(gòu)成的電壓跟隨環(huán)節(jié)后，進(jìn)入減法器運(yùn)放的同向端。減法器運(yùn)放的輸出進(jìn)入16位ADC(AD7705，采樣率為20Hz)的輸入端。ADC的輸出進(jìn)入8位單片機(jī)(PIC16F887)的輸入端，由單片機(jī)程序判斷平衡后電壓是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，程序流程圖如圖5所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

3.1 寬電壓輸入范圍和高分辨率

平衡環(huán)節(jié)輸入電壓范圍為0.5～1.5V，跨度為1V，精度要求≤1mV。常用的數(shù)字電位器為10位(即1024級(jí)可調(diào))，理論上可以滿足精度和跨度要求，而實(shí)際上，電路中有固定阻值的分壓電阻和數(shù)字電位器串聯(lián)，即便數(shù)字電位器電阻可以1024級(jí)線性可調(diào)，其兩端的電壓值會(huì)是非線性的。當(dāng)輸入電壓較小時(shí)，電壓分辨率高；輸入電壓較大時(shí)，電壓分辨率低。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)電壓分辨率都高于1mV，需要采用分檔調(diào)節(jié)。

分檔調(diào)節(jié)基本原理如下：首先基準(zhǔn)電源產(chǎn)生2.5V參考電壓，通過多路開關(guān)(CD4016)分別接3組分壓電阻，2.5V參考電壓經(jīng)過分壓后，可以分別產(chǎn)生0.75、1.25和1.625V的3檔電壓。可根據(jù)實(shí)際情況，選擇其中最合適的一檔電壓。用數(shù)字電位器(X9111)和高精度電阻(100kΩ)串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)二分之一至全電壓范圍內(nèi)1024級(jí)可調(diào)。對(duì)應(yīng)3檔電壓的可調(diào)范圍分別為0.375～0.75V、0.625～1.25V、0.8125～1.625V，電壓檔位越小，可調(diào)精度越高，3檔精度分別為0.4、0.6和0.8mV。

多路開關(guān)默認(rèn)選用第2檔電壓，數(shù)字電位器初始接入最大電阻，此時(shí)可調(diào)電壓輸出為0.625V。平衡環(huán)節(jié)初始平衡輸出若在0～0.625V內(nèi)說(shuō)明檔位選擇正確，多路開關(guān)保持；若小于0，說(shuō)明應(yīng)選用第1檔電壓，多路開關(guān)做相應(yīng)變換后保持；若大于0.625V說(shuō)明應(yīng)選擇第3檔電壓，多路開關(guān)做相應(yīng)變換后保持。

3.2 隔離市電干擾

為避免市電中的雜散波造成干擾，工作時(shí)平衡環(huán)節(jié)由鋰電池(18650)供電，每一路通道由2個(gè)3.7～4.2V鋰電池串聯(lián)供電，開關(guān)電路額外有1個(gè)鋰電池供電。鋰電池串聯(lián)后的總電壓經(jīng)過1個(gè)三極管和3個(gè)二極管降壓后，額定電壓為5V。平衡環(huán)節(jié)內(nèi)部設(shè)置有鋰電池電壓檢測(cè)電路，電池欠壓時(shí)會(huì)有指示燈亮起，提示需要充電。鋰電池充電器外接，采用220V市電供電。由于市電干擾的存在，平衡環(huán)節(jié)在充電時(shí)不建議使用。

4 平衡環(huán)節(jié)測(cè)試檢驗(yàn)

采用干電池、穩(wěn)壓電源等模擬無(wú)壁面剪應(yīng)力輸入時(shí)熱敏電阻兩端的初始基礎(chǔ)電壓信號(hào)，采用Agilent 34401A(6.5bit)高精度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試平衡前、后的電壓信號(hào)，檢測(cè)平衡環(huán)節(jié)的平衡能力。干電池(1.364 439V，輸入噪聲小于1μV(p-p))作初始基礎(chǔ)電壓平衡情況，如表2所示。

平衡環(huán)節(jié)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)情況如表3所示。

表2 干電池作初始基礎(chǔ)電壓各通道的平衡情況Table 2 Output-balancing signal of a dry battery basic voltage

表3 平衡環(huán)節(jié)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)Table 3 Specification test of the OBS

5 試驗(yàn)應(yīng)用

在小型水槽中進(jìn)行了平板表面MEMS壁面剪應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)段長(zhǎng)×寬×高=1850mm×250mm×150mm，平板模型整體長(zhǎng)×寬×厚=1000mm×150mm×20mm，MEMS傳感器陣列安裝于距前緣800mm位置處。

測(cè)量了不同來(lái)流速度下平板表面的壁面剪應(yīng)力，以傳感器陣列第5通道為例，如表4和圖6所示。與平板經(jīng)驗(yàn)估算值[16]比較，最大相對(duì)差別為4.8%，測(cè)量結(jié)果具有較高可信度。初步判斷可知，V<0.251m/s(Re=VL/ν<222 913)時(shí)，流動(dòng)為層流；V>0.451m/s (Re>400 533)時(shí)，流動(dòng)為湍流； 0.251m/s

表4 平板表面MEMS壁面剪應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 4 Results of MEMS WSS measurement on a flat plate

Fig.6 Compare between measured and calculated results of the flat plate

6 結(jié) 論

針對(duì)MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器實(shí)際使用中微弱信號(hào)難以檢測(cè)的問題，設(shè)計(jì)增加了信號(hào)平衡環(huán)節(jié)，在保留有效信號(hào)的前提下減小基礎(chǔ)電壓，再通過放大的方法實(shí)現(xiàn)其高精度測(cè)量，有效解決了MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)的難題。已應(yīng)用于平板表面壁面剪應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，效果良好，表明所提出的傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)方法是有效的。

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(編輯：楊 娟)

Weak signal detection of MEMS hot-film wall shear stress sensors

Sun Hailang1,*, Tian Yukui1, Jin Lei2, Zhang Xuan1, Xie Hua1

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Hydrodynamics, China Ship Scientific Research Center (CSSRC), Wuxi Jiangsu 214082, China; 2. Hangzhou Onforever Power Technology Co. Ltd, Hangzhou 311112, China)

The weak signal of MEMS hot-film wall shear stress (WSS) sensors is hard to detect by direct amplification due to the inherent basic voltage. An effective method to solve this problem is proposed, which is to add an output-balancing system (OBS) before the signal is amplified. The basic voltage is decreased while the signal is retained. The development of the output-balancing system is presented, including the technical scheme, key technologies, examination and application.

MEMS;hot-film; wall shear stress;sensors;weak signal detection

2016-12-15;

2017-02-24

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ04091107)

SunHL,TianYK,JinL,etal.WeaksignaldetectionofMEMShot-filmwallshearstresssensors.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 39-43. 孫海浪, 田于逵, 金 磊, 等.MEMS熱膜式壁面剪應(yīng)力傳感器微弱信號(hào)檢測(cè). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(2): 39-43.

1672-9897(2017)02-0039-05

10.11729/syltlx20170016

TP212

A

孫海浪(1987-)，男，江蘇淮安人，工程師。研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。通信地址：江蘇省無(wú)錫市濱湖區(qū)山水東路222號(hào)(214082)。E-mail:sun.hl@163.com

*通信作者 E-mail: sun.hl@163.com