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面向灵巧蒙皮的微型剪应力传感器设计与仿真

刘奎  
【摘要】: 未来航空飞行器要求微型器件具有质量轻、体积小和功耗低等特点,采用MEMS技术制造的由微型器件阵列组成的具有自检测、自适应控制功能的灵巧蒙皮可以很好地满足上述要求。因此,基于MEMS技术的灵巧蒙皮研究已成为航空主动气动控制领域的主要发展方向之一。本文就以用于实现三角翼边界层分离点检测的面向灵巧蒙皮的微型剪应力传感器为对象展开研究。 首先,结合空气动力学的边界层原理,针对三角翼边界层分离点检测在实现主动气动控制方面的重要性,讨论了光学式、电容式和热敏式微型剪应力传感器的测量原理和结构方案,选取适合加工条件的微型剪应力传感器样件。 在此基础上对其结构进行设计,并详细讨论梳齿电容式微型剪应力传感器的微细加工工艺流程,选择了符合微型剪应力传感器工作要求的薄膜材料。然后利用有限元分析软件ANSYS对梳齿电容式微型剪应力传感器的质量块模型进行结构和流体耦合分析,得到梳齿质量块结构的应力分布和位移分布云图。 最后,对热敏式微型剪应力传感器进行结构设计,并对复杂表面微细加工工艺进行修改和简化,制定适合国内加工水平的体微细加工工艺方案。在此基础上,对热敏式微型剪应力传感器的阵列结构设计、连接材料选取以及微型剪应力传感器的风洞试验进行了研究,并用ANSYS软件对热敏式微型剪应力传感器的空腔薄膜结构进行热分析,得到空腔薄膜结构的温度分布云图。 本论文的研究成果表明梳齿电容式和热敏式微型剪应力传感器对于灵巧蒙皮的剪应力测量具有一定的实用价值。


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