Micromachined hot wire sensors for turbulence measurement applications

Abstract

Hot wire anemometers are a useful and reliable tool for measuring turbulent flow quantities. Nevertheless, the measurement of small-scale eddies, particularly at the Kolmogorov scale, remains to be a challenge. This can be solved by microfabrication, reducing the hot wire’s dimensions to be comparable to the Kolmogorov length. Single wire and double 45° inclined hot wire sensors were microfabricated. By optimizing the etching process, freely suspended Pt wires with 150 μm length ×3 μm width ×0.3 μm thickness were successfully fabricated. They were calibrated in a small wind tunnel, operating at constant temperature mode. A very high cutoff frequency exceeding 200 kHz was measured for a wire with 3×0.3 μm² cross section. The observed flow velocity responses comply with King’s law. In addition, a type of sensor configuration with double 45° wires proved to have excellent directional responses.

Hitzdrahtanemometer bieten eine effektive und zuverlässige Möglichkeit, Geschwindigkeit, Scherstress und Vortizität eines turbulenten Flussfeldes zu bestimmen. Durch die Anwendung von Mikrotechnologien, womit die Abmessungen des Hitzdrahts in den Bereich der Kolmogorov-Länge reduziert werden können, können kleinste Wirbel vermessen werden. Sensoren mit Einzeldrähten sowie mit zwei jeweils ±45° geneigten Drähten mit kleinsten Abmessungen von 150 μm Länge, 3 μm Breite und 0.3 μm Dicke wurden hergestellt. Zur Vermeidung von Unterätzungen der Si-Zinken wurden Additive zu TMAH dazugegeben, wodurch auch die durch Pt katalysierte Dekomposition von H2O2 deutlich reduziert werden konnte. Die Sensoren wurden im Konstant-Temperatur-Modus betrieben und die Dämpfung des Schaltkreises wurde mit der Root-Locus-Methode analysiert. Dabei spielen der Offset, das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt und der Überhitzungsgrad eine wesentliche Rolle für die Stabilität. Die Schlussfolgerungen wurden mittels Spice-Simulation verifiziert. Ein Square-Wave-Test wurde benutzt, um die Grenzfrequenz abzuschätzen. Für einen Draht mit 3 × 0.3 μm² Querschnitt wurden 200 kHz gefunden. Die Sensoren wurden in einem kleinen Windkanal kalibriert. Das Geschwindigkeits-Signal folgt dem King’schen Gesetz. Für die jeweilige Anwendung muss per Design ein sinnvoller Kompromiss zwischen Richtungsempfindlichkeit und räumlicher Auflösung gefunden werden. Die Messergebnisse zeigen, dass die ±45° Doppeldraht-Sensoren eine sehr gute Richtungsempfindlichkeit aufweisen.