Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2390
Main Title: Mikrosensor-Arrays für die experimentelle Strömungsmechanik
Translated Title: Microsensor-Arrays for Experimental Fluid Mechanics
Author(s): Berns, Andreas
Advisor(s): Obermeier, Ernst
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen eines Leitexperiments des von der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) geförderten Forschungsvorhabens „Bildgebende Messverfahren für die Strömungsanalyse – SPP 1147". Ein zentrales Ziel dieses Experiments war das Studium der Wanddruckverhältnisse an einem Zylinderstumpf im Strömungsfeld eines offenen Windkanals. Für diese Untersuchungen wurden zwei Generationen von piezoresistiven MEMS (Microelectromechanical Systems)-Drucksensoren und darauf basierende, oberflächenbündig in die Zylinderwand integrierbare, Sensor-Arrays entwickelt. Die entwickelten Sensoren der ersten Generation haben eine Fläche von 2,5 × 4,5 mm² und beinhalten eine integrierte pn-Diode zur Temperaturmessung. Basierend auf den Sensoren der ersten Generation wurde ein aus 48 Drucksensoren bestehendes Oberflächen-Array für den Zylinderstumpf (Höhe: 240 mm, Durchmesser: 120 mm) entwickelt. Die Sensoren der zweiten Generation haben eine Fläche von 2 × 3 mm² und verfügen über Rückseiten-kontaktierungen. Die Sensoren wurden mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) für einen Druckmessbereich von ± 1 kPa optimiert, was in einer Membrandicke von 4 µm und in einer Membrangröße von 800 × 800 µm² resultierte. Die mittlere gemessene Empfindlichkeit der Sensoren beträgt 4,2 µV/(V∙Pa), die Offsetdriftspannung bei 1 V Versorgungsspannung liegt unterhalb von ± 10 µV und die erste Resonanzfrequenz befindet sich bei etwa 80 kHz. Durch den Einsatz der Rückseitenkontaktierungen wird die Realisierung eines aus 154 Sensoren bestehendes 3D-Multi-Sensor-Arrays ermöglicht, welches sich durch eine höhere Ortsauflösung, eine geringere Strömungsbeeinflussung und durch die Möglichkeit zeitsynchrone, flächenhafte Messungen durchzuführen, auszeichnet. Diese erfolgreichen Weiterentwicklungen werden durch die erzielten Messergebnisse am Leitexperiment belegt. Die Sensoren der dritten Generation wurden für Tragflügelexperimente entwickelt und besitzen anstelle der Diode einen durch eine luftgefüllte Kavität thermisch isolierten Wandhitzdraht zur Messung der lokalen Wandschubspannung. Ein aus 24 Sensoren bestehendes ebenes Sensor-Array wird bei nieder- und hochfrequenten Transitionsmessungen eingesetzt. Dabei werden auf einem Sensorchip korrelierte Druck- und Wandschub-spannungsschwankungen, welche durch Tollmien-Schlichtig-Wellen hervorgerufen werden, mit Frequenzen bis zu 19 kHz detektiert. Abschließend wird festgestellt, dass die entwickelten MEMS-Sensoren und Mikrosensor-Arrays hervorragend für die Messung von Wanddruckfeldern und Wandschubspannungsschwankungen in der experimentellen Strömungsmechanik geeignet sind, wobei die rückseitig kontaktierten Sensor-Arrays eine signifikante Weiterentwicklung der vorderseitig kontaktierten Arrays darstellen.
The present work was accomplished within the research project "Imaging Measuring Methods for Flow Analysis – SPP 1147", funded by the German Research Foundation (DFG). Pivotal intention of the experimental investigations conducted herein was the precise determination of the wall-pressure field on a wall-mounted cylinder in the flow field of an open wind tunnel. For these studies two generations of piezoresistive MEMS (Microelectromechanical Systems)-pressure sensors and flush mounted sensor-arrays were developed. Sensors of the first generation have a size of 2.5 × 4.5 mm². An integrated pn-diode makes temperature measurements possible. Based on these chips a sensor-array, consisting of 48 pressure sensors, was assembled flush with the surface of a cylinder (height: 240 mm, diameter: 120 mm). Second-generation sensors have a smaller size of 2 × 3 mm² and feature through silicon vias (TSW) and back side bondpads. The sensors were optimized for a pressure range of ± 1 kPa employing the finite-element-method (FEM), resulting in a diaphragm thickness of 4 µm and a size of 800 × 800 µm². The averaged sensitivity is 4.2 µV/(V∙Pa) and the offset drift at 1 V supply voltage is lower than ± 10 µV/24 h. The first resonance frequency of the diaphragm amounts to 80 kHz. Due to the smaller chip size and back side bondpads an elaborate 3D-multi-sensor-array, consisting of 154 pressure sensors, was realized, featuring a higher spatial resolution and less flow disturbance. These successful enhancements are proved by the presented measurement results. The sensors of the third generation were developed to be placed on airfoil profiles. Instead of the temperature sensor a wall hot-wire, which is thermally insulated by an air-filled cavity, is integrated on the sensor chip. Thus, combined monitoring of the local wall shear stress and the wall-pressure on the same chip is possible. A linear sensor array with 24 chips is employed for transition measurements in the low-frequency (up to 2 kHz) and in the high-frequency range (up to 20 kHz). Results show correlated wall pressure and wall shear stress fluctuations with frequencies up to 19 kHz. Classification of laminar, turbulent and transitional boundary-layers is possible as well as the detection of Tollmien-Schlichting waves. In conclusion can be stated, that the MEMS-sensors and microsensor-arrays developed within this work are excellently suited for the measurement of wall-pressure distributions and wall shear stress fluctuations in experimental fluid mechanics.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25690
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2687
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2390
Exam Date: 1-Oct-2009
Issue Date: 26-Feb-2010
Date Available: 26-Feb-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Drucksensor-Array
MEMS
Wanddruckmessung
Wandhitzdraht
Windkanal
MEMS
Sensor-Array
Wall Hot-Wire
Wall-Pressure Measurements
Wind-Tunnel
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Energie- und Automatisierungstechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_54.pdf18.35 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.