Micro sensor systems for aeronautical application in harsh environment
Mankind's increasing desire for mobility has led to growing air traffic which is associated with increasing burdens on the population and the environment. Technical solutions can be an appropriate way to considerably reduce noise and pollutant emissions. A high-lift system can reduce flow-induced noise, since it provides sufficient lift for a safe flight even at lower flight speeds, thereby reducing noise near airports. Actively controlled high-lift systems require local sensing of flow and pressure as feedback. Miniaturized sensors with smallest space requirements can be integrated evenly distributed in airfoils and provide local information on the fluid pressure and wall shear stress. However, the harsh conditions during high-lift experiments in a water tunnel as well as in future aircraft operation require a special protection. For wall shear stress measurements, a fully flexible, 7 µm thin hot-film sensor based on polyimide foil substrate is adapted for the application in water. For pressure measurements, a surface passive sensor concept leading to a flip-chip mountable piezoresistive sensor with a flat and waterproof surface is developed. This completely new design is realized using innovative manufacturing processes such as femtosecond laser ablation of glass. Through novel concepts of through glass vias and bonding a considerable miniaturization compared to pre-existing concepts is achieved {lateral dimension of 2.2 x 2.2 mm2, thickness of only 0.22 mm). Both types of sensors are combined to form an integrated sensor system including amplification electronics to be used in water. It enables the measurement of pressure and wall shear stress at nearly the same location. Furthermore, a flexible, foil-like sensor system for combined pressure and wall shear stress measurements is manufactured and investigated. It is tested for the application on curved surfaces down to 20 mm bending radius. The sensors show similar response characteristics in bent and unbent state.
Der stetig wachsende Wunsch nach Mobilität führte zu einem Anstieg des Luftverkehrs, einhergehend mit einer steigenden Belastung von Umwelt und Bevölkerung. Technische Lösungen können geeignet sein, um Lärm und Emissionen deutlich zu reduzieren. Ein Hochauftriebssystem kann den strömungsbedingten Lärm reduzieren, weil es ausreichend Auftrieb erzeugt für einen sicheren Flug auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten, wodurch eine Reduzierung des Lärms in Flughafennähe möglich ist. Aktiv geregelte Hochauftriebssysteme erfordern das lokale Messen der Strömung und des Druckes. Miniaturisierte Sensoren mit geringstem Platzbedarf können hierzu gleichmäßig verteilt in Tragflächen integriert werden und erfassen lokal Informationen zum Druck und der Wandschubspannung der Strömung. Die harschen Bedingungen in Hochauftriebsexperimenten im Wasserkanal sowie während des zukünftigen Flugbetriebs erfordern einen speziellen Schutz. Zur Wandschubspannungsmessung wird ein vollflexibler, 7 µm dünner Heißfilmsensor auf Polyimidfolie zur Verwendung unter Wasser adaptiert. Zur Druckmessung wird ein oberflächenpassives Sensorkonzept in Form eines Flip-Chip montierbaren, piezoresistiven Drucksensors mit einer glatten, wasserfesten Oberfläche entwickelt. Dieses komplett neue Design wird unter Verwendung innovativer Fertigungsverfahren wie der Femtosekundenlaser-Ablation von Glas realisiert. Durch neue Konzepte wie der Glas-Durchkontaktierung und des Bondens wird eine beträchtliche Miniaturisierung im Vergleich zum vorhandenen Konzept erreicht {laterale Abmessung 2.2 x 2.2 mm2, Dicke von nur 0.22 mm). Beide Sensortypen werden zu einem integrierten Sensorsystem mit Verstärkerelektronik zur Verwendung unter Wasser kombiniert. Es ermöglicht die Messung von Druck und Wandschubspannung an nahezu dem gleichen Ort. Ferner wird ein flexibles, folienartiges Sensorsystem zur direkten Montage auf gekrümmte Oberflächen hergestellt und untersucht. Es kann auf gekrümmte Oberflächen mit einem Biegeradius von nur 20 mm aufgebracht werden. Der Sensor zeigt ein vergleichbares Antwortverhalten im gebogenen und ungebogenen Fall.
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