能源和交通運輸領域經常使用各種類型的流體機械，例如各種泵、渦輪機和飛機引擎等，所有這些都會帶來較高的碳足跡。這主要是由于彎曲表面周圍流動分離導致的流體機械效率降低，這種現象通常非常復雜。

因此，為了提高流體機械的效率，需要表征曲面上的近壁流動，以抑制這種流動分離。不過，實現這一目標需要解決多方面的挑戰。

首先，傳統的流量傳感器的柔性不夠，無法很好的匹配流體機械的曲壁。

其次，現有適用于曲面的柔性傳感器又無法檢測流體角度（流動方向）。

此外，這些傳感器僅限于檢測速度小于30 m/s的流動分離。

據麥姆斯咨詢報道，日本東京理科大學（TUS）的Masahiro Motosuke教授及其同事Koichi Murakami、Daiki Shiraishi和Yoshiyasu Ichikawa博士在一項新的研究中與日本三菱重工和日本巖手大學（Iwate University）合作，設計了一種新型MEMS柔性流量傳感器，可以很容易地匹配流體機械的曲壁，并表征多個方向上的高速流動分離。正如Motosuke教授介紹：“對于容易發生流動分離的曲面，不開發利用新技術，很難感知剪切應力及其方向。”

壁剪切應力和流動角測量原理

在這項研究中，該團隊開發了一種基于聚酰亞胺薄膜的柔性流量傳感器，可以輕松地安裝在曲面上，并且不會干擾周圍的氣流，這是實現有效測量的關鍵之一。為此，該傳感器采用了MEMS技術。此外，這種新型設計還能夠集成多個傳感器，用于同時測量壁剪切應力和流動角。

基于聚酰亞胺薄膜的柔性MEMS流量傳感器

該傳感器通過測量微型加熱器的熱損失來測量曲面壁上的剪切應力，而流動角測量通過使用加熱器周圍的六個溫度傳感器陣列來估算，這有助于實現多方向測量。

該團隊對氣流進行了數值模擬，以優化加熱器和傳感器陣列的幾何形狀。研究人員利用高速氣流隧道作為測試環境，在30~170 m/s的氣流速度范圍內實現了有效的流量測量。

（a）柔性MEMS流量傳感器制造工藝；（b）MEMS流量傳感器中的加熱器和溫度傳感器，黃色區域為聚酰亞胺襯底，黑色區域為Au薄膜

研究人員開發的這款傳感器具有高度的靈活性和可擴展性。Motosuke教授解釋道：“傳感器周圍的電路可以用柔性印刷電路板拉出并安裝在不同的位置，這樣只需將一張薄片貼在測量目標上，從而將傳感器對周圍流體的影響降到最低。”

據研究團隊估算，加熱器的輸出隨曲面壁剪切應力的三分之一次方而變化，而比較兩個相對放置的傳感器之間的溫度差表明，隨著流動角的變化，出現了一種特殊的正弦振蕩。

該團隊開發的傳感器具有在工業規模流體機械中廣泛應用的潛力，這些流體機械通常涉及三維表面周圍的復雜流動分離。此外，開發該傳感器的工作原理可以擴展到高速亞音速氣流以外更廣泛的應用。

Motosuke教授強調：“這種傳感器是為高速氣流而設計的，不過，我們目前還在開發能夠測量液體流量的傳感器，并且可以基于相同的原理安裝在人體上。這種柔性的輕薄流量傳感器有望打開更多應用可能。”

總體來說，這種新型MEMS傳感器為高效流體機械開發帶來了新突破，從而通過降低碳足跡改善對環境的不利影響。

審核編輯：劉清