Mikrosensor-Arrays für die experimentelle Strömungsmechanik
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.
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