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Main Title: Ein mikromechanischer Oberflächenzaunsensor zur Messung der Wandschubspannung in Rückströmgebieten
Translated Title: A Micromachined Surface Fence Sensor for Measurement of Wall Shear Stress in Flow Separation Areas
Author(s): Papen, Tilmann von
Advisor(s): Obermeier, Ernst
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Bei der Konstruktion aerodynamischer Maschinen ist meistens eine Reduktion oder vollständige Vermeidung von Strömungsablösungen erwünscht. Typischerweise ist in den hierzu durchgeführten aerodynamischen Experimenten die Wandschubspannung eine der wichtigsten Messgrößen und zeigt schnelle zeitliche Veränderungen sowie Vorzeichenwechsel. Auch in Versuchen der aerodynamischen Grundlagenforschung ist die Bestimmung der Wandschubspannung von großer Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Konzeption, Realisierung und messtechnische Charakterisierung eines neuartigen, für diese Messaufgabe optimierten, Bauelements, des mikromechanischen Oberflächenzaunsensors. Er verfügt über einen an zwei Stegen flexibel aufgehängten Siliziumzaun von 5mm Länge, 300bzw. 600µm Höhe und 10µm Dicke als sensitives Element, der in die Strömung hineinragt und von ihr ausgelenkt wird. Bei der Dimensionierung wurde berücksichtigt, dass der Zaun nicht aus der zähen Unterschicht herausragen, eine hohe Auflösung erzielen und prozessierbar sein sollte. Die Resonanzfrequenz wurde zu 3,4kHz bzw. 2,8kHz bestimmt, so dass eine Dynamik von ca. 1 kHz erreichbar ist. Die Messung konstanter Strömungen ist lediglich durch die Offsetdrift begrenzt. Die Auslenkung wird über vier monolithisch integrierte Piezowiderstände ausgewertet, die zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind und auf Auslenkung mit einem Signal von ca. 1mV/(µmV) reagieren, was in einer Empfindlichkeit von 0,75(mV/V)/(N/m2) bzw. 2,5(mV/V)/(N/m2) für die 300µm bzw. 600µm hohe Variante resultiert. Dies ermöglicht eine Auflösung von 2mN/m2 bzw. 5 mN/m2 in einem Messbereich von ca. –0,5 mN/m2 bis 0,5mN/m2. Das Bauelement ist ein monolithischer Sensorchip, der neben dem sensitiven Element über einen Körper von 7,5 mm Länge, 5,2 mm Breite und 380 µm Dicke verfügt, der auf die Notwendigkeiten des Handlings und Packagings optimiert ist. Daneben befindet sich auf dem Körper eine pn-Lateraldiode zur on-Chip Temperaturmessung. Die technologische Realisierung orientiert sich in den ersten Prozessschritten an vorhandenen Drucksensortechnolgien und erzeugt SiO2- und Si3N4-Overlayer sowie Aluminium-Leiterbahnen auf doppelseitig poliertem n-Typ Material von 380µm Dicke. Danach erfolgt jedoch eine partielle Dünnung des Wafers bis auf 10µm durch anisotropes Ätzen in KOH, die Strukturierung der Zäune durch reaktives Ionenätzen und schließlich die Vereinzelung durch Sägen. Das fertige Bauelement wird einem Messprogramm unterworfen, in dem unter anderem die Stabilität des Brückenoffsets und, an ausgewählten Exemplaren, die Kennlinie der pn-Lateraldiode und die Reaktion des Sensors auf Auslenkung durch eine Mikronadel ermittelt wird. Danach wird der Chip auf ein PCB fixiert, auf dem sich eine Verstärkerschaltung befindet, und in ein Gehäuse eingebaut. Mit diesem Gehäuse kann der Sensor in einen Windkanal integriert und nach einer Kalibrierung zur Messung der Wandschubspannung genutzt werden.
In the design of aerodynamical devices normally a reduction or complete avoidanceof flow separations is desired. Wall Shear Stress is typically one of the most important dimensions in the experiments for those flow separations and shows fast changes of value and sign. However, Wall Shear Stress is also of great interest in fundamental research in fluid dynamics. This thesis presents concept, fabrication and characterization of a new device optimized for the measurement of this quantity, the micromachined surface fence sensor. It features a silicon fence of a length of 5mm, a height of 300 or 600µm, respectively, and a thickness of 10µm which is supported by two flexible silicon beams and protrudes into the flow by which it will be deflected. Design targets were a fence height remaining in the viscous sublayer, possibility of fabrication with micromachining processes, and high resolution. The Resonance frequency is 3,4kHz or 2,8kHz, respectively, allowing a dynamic range of up to 1 kHz. Measurement of constant flow is limited by offset drift only. Deflection is measured by four, monolithically integrated piezoresistors connected to a Wheatstone bridge which responds to deflection with a signal of 1mV/(µmV), equivalent to a sensitivity of 0,75(mV/V)/(N/m2) or 2,5(mV/V)/(N/m2) for the 300 µm and the 600 µm high variant, respectively. This allows a resolution of 2mN/m2 or 5 mN/m2, respectively, in a measurement range of approx. –0,5 mN/m2 to 0,5mN/m2. The device is a monolithically integrated sensor chip consisting of the sensitive element and a body of 7.5 mm length, 5,2 mm width and 380 µm height optimized for handling and packaging. The body features furthermore a lateral pn-diode for on-chip temperature measurement. The first process steps including fabrication of SiO2- and Si3N4-overlayers and aluminum wires on double-side polished n-type material of a thickness of 380 µm are adapted from existing pressure sensor technologies. However, those process steps are followed by a partial thinning of the wafer up to 10 µm by anisotropic etching in KOH, structuring of the fences by RIE and finally separation by dicing. The chips then undergo a test program investigating stability of bridge offset, and, on selected samples, the current-voltage-characteristic of the pn-diode and the reaction to deflection by a microneedle. Finally, the chip is fixed to a PCB featuring an amplifier chip and packed into a housing. Then, the sensor can be integrated into a wind tunnel and, after calibration, be used for wall shear stress measurement.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15417
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1890
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1593
Exam Date: 14-Dec-2006
Issue Date: 14-May-2007
Date Available: 14-May-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Oberflächenzaun
On-Chip Temperaturmessung
Piezoresistive Sensoren
Strömungsablösung
Wandschubspannung
Flow separation
On-Chip temperature measurement
Piezoresistive sensors
Skin-friction
Surface fence
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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