能源和交通运输领域经常使用各种类型的流体机械，例如各种泵、涡轮机和飞机引擎等，所有这些都会带来较高的碳足迹。这主要是由于弯曲表面周围流动分离导致的流体机械效率降低，这种现象通常非常复杂。
因此，为了提高流体机械的效率，需要表征曲面上的近壁流动，以抑制这种流动分离。不过，实现这一目标需要解决多方面的挑战。
首先，传统的流量传感器的柔性不够，无法很好的匹配流体机械的曲壁。
其次，现有适用于曲面的柔性传感器又无法检测流体角度（流动方向）。
此外，这些传感器仅限于检测速度小于30 m/s的流动分离。
据麦姆斯咨询报道，日本东京理科大学（TUS）的Masahiro Motosuke教授及其同事Koichi Murakami、Daiki Shiraishi和Yoshiyasu Ichikawa博士在一项新的研究中与日本三菱重工和日本岩手大学（Iwate University）合作，设计了一种新型MEMS柔性流量传感器，可以很容易地匹配流体机械的曲壁，并表征多个方向上的高速流动分离。正如Motosuke教授介绍：“对于容易发生流动分离的曲面，不开发利用新技术，很难感知剪切应力及其方向。”
壁剪切应力和流动角测量原理
在这项研究中，该团队开发了一种基于聚酰亚胺薄膜的柔性流量传感器，可以轻松地安装在曲面上，并且不会干扰周围的气流，这是实现有效测量的关键之一。为此，该传感器采用了MEMS技术。此外，这种新型设计还能够集成多个传感器，用于同时测量壁剪切应力和流动角。
基于聚酰亚胺薄膜的柔性MEMS流量传感器
该传感器通过测量微型加热器的热损失来测量曲面壁上的剪切应力，而流动角测量通过使用加热器周围的六个温度传感器阵列来估算，这有助于实现多方向测量。
该团队对气流进行了数值模拟，以优化加热器和传感器阵列的几何形状。研究人员利用高速气流隧道作为测试环境，在30~170 m/s的气流速度范围内实现了有效的流量测量。
（a）柔性MEMS流量传感器制造工艺；（b）MEMS流量传感器中的加热器和温度传感器，黄色区域为聚酰亚胺衬底，黑色区域为Au薄膜
研究人员开发的这款传感器具有高度的灵活性和可扩展性。Motosuke教授解释道：“传感器周围的电路可以用柔性印刷电路板拉出并安装在不同的位置，这样只需将一张薄片贴在测量目标上，从而将传感器对周围流体的影响降到最低。”
据研究团队估算，加热器的输出随曲面壁剪切应力的三分之一次方而变化，而比较两个相对放置的传感器之间的温度差表明，随着流动角的变化，出现了一种特殊的正弦振荡。
该团队开发的传感器具有在工业规模流体机械中广泛应用的潜力，这些流体机械通常涉及三维表面周围的复杂流动分离。此外，开发该传感器的工作原理可以扩展到高速亚音速气流以外更广泛的应用。
Motosuke教授强调：“这种传感器是为高速气流而设计的，不过，我们目前还在开发能够测量液体流量的传感器，并且可以基于相同的原理安装在人体上。这种柔性的轻薄流量传感器有望打开更多应用可能。”
总体来说，这种新型MEMS传感器为高效流体机械开发带来了新突破，从而通过降低碳足迹改善对环境的不利影响。
审核编辑：刘清