基于微型压力传感器阵列的翼面压力分布直接测量系统

　　0　引　言

　　翼型表面压力分布测量可以用于确定机翼上最小压力点位置、激波位置、气流是否分离、以及作用在翼型上的升力、压差阻力和压力中心位置等,对于研究飞行器气动特性非常重要。

　　传统的压力分布测量方法是在翼型表面布置测压孔,通过管路连接到风洞外的压力传感器或扫描阀的接管嘴处进行测量,有结构复杂、气路延迟等缺点 [1]。MEMS技术的发展为翼面压力分布测量带来了新手段。MEMS微型压力传感器具有尺寸小、定点性好、频响高的特点。同时,小而薄的微型器件容易集成在同一基底上形成测量阵列,可避免长的测压导管连接而直接安装在翼型表面或较浅的凹槽内,可用于风洞实验快速、实时压力测量,并具有动态压力测量的发展潜力。美、欧等发达国家都在积极推动相关研究[2-3]。

　　西北工业大学微/纳米系统实验室设计开发了柔性衬底基微型压力传感器阵列并以LabVIEW软件为数据处理开发平台的直接测压系统,结合低速风洞实验,初步实现了对翼型表面压力分布的多点直接测量、在线处理和实时显示。

　　1　翼面压力分布直接测量系统

　　基于压力传感器阵列的翼面压力分布直接测量系统组成如图1所示,包括微型压阻式压力传感器阵列、计算机数据采集与处理系统两大部分。

　　1.1　微型压力传感器工作原理

　　压阻式微型压力传感器是基于硅压阻效应而工作的。在敏感膜片特定位置上掺杂形成半导体敏感电阻,敏感膜片在压力作用下产生的应变可转化为压敏电阻的阻值变化。一般每个压阻式传感器膜片上制作4个压敏电阻,它们构成惠斯顿电桥可将阻值变化转化为电压输出信号,并提高测量灵敏度,如图2所示。

　　1.2　柔性衬底基微型压力传感器阵列

　　为了实现翼型表面的分布式多点测量,设计制作了MEMS微型压力传感器,开发了柔性衬底基微传感器阵列集成技术,以适应非平面翼型测量要求。

　　1.2.1　压阻式微型压力传感器

　　压阻式微型压力传感器的加工工艺步骤如下:首先在硅晶圆背面各向异性刻蚀形成空腔,未刻透的腔底形成可感受外界压力而变形的弹性膜片。采用离子注入方法在敏感膜片的4个周边处形成压敏电阻。沉积金属形成连接压敏电阻的导线以及用于和外围电路导线相连的焊盘[4-5]。实验室设计研发了系列压阻式微型压力传感器,典型结构之一及其平面尺寸如图3所示。传感器敏感膜片平面尺寸约为1mm×1mm,膜厚约为30μm,对应高的固有频率,有利于实现较精密定点测量,并提高测量的快速性和实时性。