2D-Sensorik für das Monitoring statischer und dynamischer Wandschubspannungsfelder:
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Düsseldorf
VDI-Verl.
2009
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| adam_text | Titel: 2D-Sensorik für das Monitoring statischer und dynamischer Wandschubspannungsfelder
Autor: Buder, Ulrich
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen VIII
1. Einleitung I
1.1 Sensoranforderungen 2
2. Grundlagen und Stand der Technik 6
2.1 Einführung 6
2.2 Grundlagen 8
2.2.1 Joulesche Erwärmung 8
2.2.2 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands 8
2.2.3 Konvcktivcr Wärmetransport 10
2.2.4 Strömungszuständc 11
2.2.5 Kalibration von Hitzdrahtancmomctcm 13
2.2.6 Einsatz von Hitzdrahtancmomctcm ohne Kalibration 16
2.2.7 Betriebsarten von Hitzdrahtancmomctcm 17
2.2.8 Winkclabhängigkeit des Signals eines Hitzdrahtanemometers 19
2.2.9 Thermisches Übcrsprcchcn und Dctcktion von Rückströmgcbictcn 21
2.3 Überblick über realisierte Hitzdrahtancmomctcr 24
2.3.1 Konventionell hergestellte Hitzdrahtancmomctcr 24
2.3.2 In Lcitcrplattcntcchnik hergestellte Hitzdrahtancmomctcr 27
2.3.3 Mikrosystcmtcchnisch hergestellte Hitzdrahtsensoren 29
2.4 Zusammenfassung 33
3. Einzelsensor- und Sensorarray-Entwurf 35
3.1 Basisentwurf 35
3.2 Matcrialauswahl 40
3.2.1 Hitzdraht 41
3.2.2 Leiterbahnen 41
3.2.3 Bondpads 42
3.2.4 Substrat 42
3.3 Enrwurfsoptimicrung durch Finitc-Elcmcntc-Simulation 45
3.3.1 Zwcidimcnsionalc thermische Simulation 46
3.3.2 Dreidimensionale clcktrothcrmischc Simulation 52
3.3.3 Strömungssimulation von Linienarrays 54
3.4 Festlegung der Hitzdrahtgeometrien 57
V
3.5 Maskendesign 61
3.5.1 Einzelsensoren, Doppelsensoren und Linienarrays 61
3.5.2 Linienarray mit Rückseitenkontaktierung 65
3.6 Zusammenfassung 68
4. Technologische Realisierung 70
4.1 Prozessabläufe Sensorherstellung 70
4.1.1 Herstellung von Sensoren mit Vorderseitenkontaktierung 70
4.1.2 Herstellung von Sensoren mit Rückseitenkontaktierung 73
4.2 Beschreibung einzelner Prozessschritte 77
4.2.1 Polyimidfolien-Handling 77
4.2.2 Sputtern von Nickel auf Polyimid 80
4.2.3 Reaktives Ionen-Tiefcnätzen von Polyimid 81
4.2.4 Laserstrukturierung von Polyimid 92
4.3 Zusammenfassung 95
5. Messtechnische Untersuchungen 97
5.1 Messungen an Einzelsensoren mit Vorderseitenkontaktierung 97
5.1.1 Messeinrichtung und Mcssaufbau zur elektrischen Charakterisierung 97
5.1.2 Elektrische Charakterisierung 100
5.2 Messungen an Einzclsensorcn im Windkanal 103
5.2.1 Beschreibung des Messaufbaus und der Messanlagen 104
5.2.2 Kalibration der Scnsorik gegen eine Wandschubspannungswaage 106
5.2.3 Grenzfrequenzbestimmung 109
5.2.4 Bestimmung der Gicrwinkel-Charaktcristik 111
5.2.5 Messung an der Hinterkante eines Ahmcd-Body 113
5.3 Messungen mit Hybridarrays im Windkanal 115
5.3.1 Aufbau von Hybridarrays 115
5.3.2 Bestimmung der Wiedcranlcgc-Position nach Ablösung 118
5.3.3 Untersuchung des thermischen Übersprechens 120
5.3.4 Strömungsuntersuchung auf einer Hinterkantcnklappc 122
5.3.5 Untersuchung von transitioncllcr Strömung auf ebener Platte 125
5.4 Messungen mit rückscitcnkontakticrten Arrays im Windkanal 127
5.4.1 Aufbau der rückseitig kontaktierten Arrays 128
5.4.2 Bestimmung der Transitionslage auf ebener Platte 129
5.5 Vergleich gemessener und erwarteter Werte 133
5.6 Vergleich von Sensoranforderungen mit Ergebnissen der Sensortests 137
5.7 Zusammenfassung 138
6. Diskussion und Ausblick 139
Anhang A: MEMS Wandhitzdrahtsensoren - Daten und Veröffentlichungen 144
Anhang B: Mechanisch flexible MEMS Wandhitzdrahtarrays - Daten und 149
Veröffentlichungen
Literaturverzeichnis 151
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