1、第 1 章 绪论1.1 微型机电系统的发展状况微 机 电 系 统 （ MEMS, Micro-Electro-Mechanic System） 是 一 种 先 进 的制 造 技 术 平 台 。 它 是 以 半 导 体 制 造 技 术 为 基 础 发 展 起 来 的 。 MEMS 技 术 采 用了 半 导 体 技 术 中 的 光 刻 、 腐 蚀 、 薄 膜 等 一 系 列 的 现 有 技 术 和 材 料 ， 因 此 从 制造 技 术 本 身 来 讲 ， MEMS 中 基 本 的 制 造 技 术 是 成 熟 的 。 但 MEMS 更 侧 重 于 超 精密 机 械 加 工 ， 并 要 涉 及 微 电
2、 子 、 材 料 、 力 学 、 化 学 、 机 械 学 诸 多 学 科 领 域 。它 的 学 科 面 也 扩 大 到 微 尺 度 下 的 力 、 电 、 光 、 磁 、 声 、 表 面 等 物 理 学 的 各 分支 1。微 机 电 系 统 是 微 电 路 和 微 机 械 按 功 能 要 求 在 芯 片 上 的 集 成 ， 尺 寸 通 常 在毫 米 或 微 米 级 ， 自 八 十 年 代 中 后 期 崛 起 以 来 发 展 极 其 迅 速 ， 被 认 为 是 继 微 电子 之 后 又 一 个 对 国 民 经 济 和 军 事 具 有 重 大 影 响 的 技 术 领 域 ， 将 成 为 21 世
3、纪新 的 国 民 经 济 增 长 点 和 提 高 军 事 能 力 的 重 要 技 术 途 径 2。 微 机 电 系 统 的 优 点 是 3： 体 积 小 、 重 量 轻 、 功 耗 低 、 耐 用 性 好 、 价 格 低廉 等 优 点 。 、 性 能 稳 定 等 。 微 机 电 系 统 的 出 现 和 发 展 是 科 学 创 新 思 维 的 结 果 ，使 微 观 尺 度 制 造 技 术 的 演 进 与 革 命 。 微 机 电 系 统 是 当 前 交 叉 学 科 的 重 要 研 究领 域 ， 涉 及 电 子 工 程 、 材 料 工 程 、 机 械 工 程 、 信 息 工 程 等 多 项 科 学
4、技 术 工 程 ，将 是 未 来 国 民 经 济 和 军 事 科 研 领 域 的 新 增 长 点 。 MEMS(微 机 电 系 统 )最 初 大 量 用 于 汽 车 安 全 气 囊 ， 而 后 以 MEMS 传 感 器 的形 式 被 大 量 应 用 在 汽 车 的 各 个 领 域 ， 随 着 MEMS 技 术 的 进 一 步 发 展 ， 以 及 应用 终 端 “轻 、 薄 、 短 、 小 ”的 特 点 ， 对 小 体 积 高 性 能 的 MEMS 产 品 需 求 增 势迅 猛 ， 消 费 电 子 、 医 疗 等 领 域 也 大 量 出 现 了 MEMS 产 品 的 身 影 45。 MEMS 的
5、 特 点 是 ： 1） 微 型 化 ： MEMS 器 件 重 量 轻 、 体 积 小 、 惯 性 小 、 耗 能 低 、 响 应 时 间 短 、谐 振 频 率 高 。 2） 以 硅 为 主 要 材 料 ， 硅 的 热 传 导 率 接 近 钼 和 钨 ， 密 度 类 似 铝 ， 强 度 、硬 度 和 杨 氏 模 量 与 铁 相 当 ， 具 有 良 好 的 机 械 电 器 性 能 。硅 的 强 度 、 硬 度 和 杨 氏 模 量 与 铁 相 当 ， 密 度 类 似 铝 ， 热 传 导 率 接 近 钼 和 钨 。 3） 批 量 生 产 ： 在 一 片 硅 片 上 可 以 利 用 硅 微 加 工 工
6、艺 制 作 成 上 百 个 或 上 千个 完 整 的 MEMS 装 置 ,大 大 降 低 了 MEMS 的 制 造 成 本 。4） 集 成 化 ： 可 以 把 致 动 方 向 、 不 同 功 能 或 不 同 敏 感 方 向 的 多 个 执 行 器或 传 感 器 集 成 于 一 体 ， 或 形 成 微 执 行 器 阵 列 、 微 传 感 器 阵 列 ， 甚 至 把 多 种 功能 的 器 件 集 成 在 一 起 ， 形 成 复 杂 的 微 系 统 。 微 电 子 器 件 、 微 执 行 器 和 微 传 感器 的 集 成 可 制 造 出 稳 定 性 、 可 靠 性 很 高 的 MEMS。 5） 多
7、学 科 交 叉 ： MEMS 涉 及 机 械 、 制 造 、 电 子 、 材 料 、 信 息 与 自 动 控 制 、物 理 、 化 学 和 生 物 等 多 种 学 科 ， 并 集 约 了 当 今 科 学 技 术 发 展 的 许 多 尖 端 成 果 。MEMS 的 发 展 会 开 辟 许 多 新 技 术 领 域 和 产 业 ， 由 于 其 微 型 化 、 集 成 化 会带 来 许 多 新 原 理 、 新 功 能 元 件 和 系 统 的 探 索 ， 目 前 ， 形 成 使 用 的 产 品 是 一 些微 传 感 器 、 微 执 行 器 等 微 结 构 装 置 ， 这 些 产 品 能 够 到 达 人
8、类 以 前 无 法 进 入 的许 多 领 域 ， 对 生 物 医 学 、 机 器 人 、 汽 车 、 航 天 、 航 空 、 军 事 等 领 域 产 生 重 大的 影 响 ， 21 世 纪 MEMS 将 走 向 实 用 化 ， 因 此 未 来 发 展 的 市 场 前 景 是 十 分 宽 广的 。1.2 基于 MEMS 的微制动器微致动器(Microactuator)又称微执行器或微驱动器，是能够产生和执行动作的一类微机械部件或器件的总称。微致动器是 MEMS 的重要组成部分，在微机械研究领域起到了不可替代的作用，微致动器的动作可以利用能量转换，将其他形式的能量转化为机械能，使其达到驱动的目的。
9、微致动器的动作可以利用多种物理效应实现，常用的执行方式有压力效应、电磁效应、热效应和静电效应。例如，压电式马达或超声马达可以通过两马达材料之间产生的逆压电效应技术实现，微气泡制动器的凸起可以通过压力效应技术实现，磁性驱动器可以通过电磁效应技术实现。除此之外，光制动、超导制动、凝胶等高分子制动、超声波制动、行波制动、电液制动等技术也在微致动器领域得到应用，下表 1.1 列出了应用较广的几种微致动器制动类型和特点 6。表 1.1 微型机械不同制动方式特点制动类型 压力 行程（位移） 相应时间 可靠性耐久性压电 大 小 快 好静电 小 很小 很快 很好电磁 小 大 快 好热气动 大 一般 一般 好双
10、金属 大 一般 一般 足够压力：很大（ ） ，大（ ） ，pcmkgf2/10 22/10/1cmkgfpckgf一般（ ） ，小（ ）/5. f5.行程：大（ ） ，一般（ ） ，小（ ） ，dd30d30很小（ ）m10响应时间：很快（ ） ，快（ ） ，一般（ ） ，慢st. mst1.st1（ ）ts1各种致动方式的对应的典型致动器如表 1.2 所示 7。表 1.2 微制动器及其制动方式制动方式 典型器件压电 微泵、微阀、磁盘驱动器伺服系统静电 微电机、微闸、微镜、微扫描器、微继电器电磁 微继电器、微泵、微阀热膨胀 微阀、微夹持器热气动 微泵、微阀、打印机喷头形状记忆 微阀、光纤开关电
11、磁微执行方法是静电、压电和磁的执行方法，自从集成电路工艺提供导电和绝缘材料的广泛选择范围之后，静电执行的实现逐渐成为可能，静电型可变形膜微执行器，在上、下两片导电硅中，用绝缘材料形成空气间隙，在下面的硅基体中形成一个很薄的弹性模 89。当上、下导电硅之间加上电压后，由于静电引力，使弹性模向上变形，从而产生垂直于基板平面方向的驱动力。静电执行方式还可产生基板平面内的运动。其工作原理如图 1.1 所示。图 1.1 静电型可变形膜微执行器的工作原理图与静电执行方式一样，磁执行也可用于可变形结构型和机械结构型两种微执行器中，大部分电磁型微马达使用的是磁执行方式。与电、磁两种微执行方式不同，热执行方式原
12、则上只适用于制备可变形结构型微执行器，在热执行方式中，比较引人注目的是双金属、形状记忆合金和热气动。双金属微执行方式利用夹心层材料元件的热膨胀系数之间的失配而产生力或位移，形状记忆合金是一种具有形状恢复特性的金属，这种金属当在某一温度下塑性形变，当他们升到较高温度时，将完全恢复原先的形状，在恢复形状时，这种金属所产生的位移或力或两者的结合将是温度的函数。热气动微执行方式是利用流体加热时发生体积膨胀来实现执行动作 10。上面已经介绍了电、磁、热等各种微执行方式，它们各具优点，可用于各种不同的情况，衡量某种微执行方式的优劣主要应该由实际使用效果来决定，但其中一个重要的因素是要考虑这种执行方式能产生
13、的力或机械能的大小。然而，现在大部分微制动器还处于研究阶段，因此，提高微致动器器件的性能是市场化的主要趋势。1.3 微制动器在流动控制中的应用20 世纪 90 年代初，美国的研究人员已经提出了这样的设想，将 MEMS 微致动器阵列应用于流动控制中，这种设想得到了美国军方的支持，继而一些研究人员开始了微气泡微致动器在流动控制中的研究 11。随后，一些西方国家也开始了微致动器阵列和微传感器阵列结合用于流体动力学控制的研究，最后形成了 MEMS 技术的最新研究领域，基于 MEMS 技术的流动主动控制技术，这方面的研究主要集中在航空航天领域。在湍流边界层中微气泡驱动器通过控制主动气流来控制飞行器，过去
14、的研究已经证明了一些方法的可行性，1997 年前后，一些研究人员已经研究了微致动器的使用，这些微致动器可以安装在可展开机翼上或者火炮弹体的躯体上，绝大多数的制动器是为了干扰流体的流向，在一定程度上来引起沿该表面的局部静态压力的变化，这些制动器包括磁性制动器，微气泡制动器。磁性制动器如图 1.1 所示，磁性制动器主要利用磁力来驱动透磁合金的摆动，这种毫米级大小的微致动器可以产生较大的力和非平面摆动位移(1-2mm)，磁性制动器已经被安装在飞机的三角翼前缘进行试验，通过透磁合金的摆动的可调整机翼表面的气流 12，进而调整飞机的飞行姿态，风洞试验结果表明，这种磁性制动器的致命弱点是承载能力差，当风速
15、超过 50 米/秒时，磁致开关的悬臂梁会发生折断，因此如果这种磁性制动应用于航空领域还需进一步的改进。图 1.1 磁性制动器制动原理示意图相对而言，近年来研究的一种健全的、大偏转、抗冲击的微气泡驱动器，如图 1.2 所示，微气泡制动器弥补了磁性驱动器的弱点，提高承载能力，因此微气泡制动去有望实现对火炮、微型飞行器、飞机等空气动力控制。在这一方面，尤其以美国加州大学洛杉矶分校的进展最为显著 13，这种微气泡制动采用硅酮橡胶材料，利用其较好的机械性能如低模量，高延展率以及良好的密封性，因此能够满足微致动器工作的需求。当微气泡制动作用于三角翼前缘或弹体头锥时，通过控制微气泡制动器内气体的压强，来调整
16、微气泡制动器的收缩与膨胀，利用微气泡的膨胀对气流进行扰动产生力及力矩分量，有望代替传统的副翼和尾翼等刚性控制表面，使飞行器具有更灵活的操控性能。微气泡致动器已在 F-15 机翼上进行初步试验，实验结果表明，在微气泡制动器的作用下，飞机可实现俯仰、偏航等动作，在最大速度 0.9Ma，温度变化-4178的条件下，初步验证了 MEMS 装置能在较恶劣环境下正常工作。图 1.2 微气泡制动器1.4 论文研究内容及意义本论文拟将微致动器组成阵列安装于弹体前缘，利用其微小形变来扰动边界层分离，从而实现弹丸两侧压力的不对称，产生翻转，偏航和俯仰等空中机动动作。传统的飞行器一般使用副翼、升降舵、垂直尾翼等控制
17、方式，本文采用的微气泡制动器控制，属于 MEMS 范畴，采用微气泡制动器控制弹体表面气流的流动状态，从而控制弹丸的飞行轨迹，这种控制实现了飞行器控制技术的新变革，加速了微致动器在流动控制领域的应用，可以显著提高飞行器的机动和操控性能，并将加速我国微型飞行器集成化、微小化的进程。论文主要研究内容包括：（1）弹体前缘微气泡制动器阵列排布设计。包括微气泡制动器薄膜材料的选择，结构尺寸设计、工艺设计，微气泡制动器在弹体前缘的配置结构。（2）微气泡制动器数值模拟与分析。采用有限元分析方法对气泡静力变形进行数值计算，分析了输入压力和气泡结构尺寸对气泡静力变形的影响。（3）制动弹绕流流场数值模拟分析。以某炮
18、弹为背景，根据空气动力学原理，应用计算流体软件 Fluent 模拟了不同气泡结构在弹丸不同安装位置时的扰流流场，并对其结果进行了对比分析。（4）弹道方程的建立与修正能力分析。根据外弹道理论，对制动弹在飞行过程中的受力进行了分析，建立了制动弹的刚体弹道模型，结合四阶龙格库塔方法，对制动弹外弹道仿真，得出不同状态下的修正能力，并进行了对比分析。（5）弹丸飞行稳定性分析。以某弹丸为背景，根据陀螺稳定性、动态稳定性、追随稳定性的判定条件，来验证微气泡弹丸气动外形是否合理。第 2 章 微制动器阵列设计及仿真2.1 工作原理微气泡致动器组成阵列安置在弹体的头锥前缘，通过控制微气泡的收缩与膨胀可以控制气流在
19、弹体表面的流动状态。当微致动器处于非工作状态时（未充气体时）具有与弹体表面平整的外形；当处于工作状态时，在压力气体作用下，由硅酮橡胶构成的微气泡外壳发生膨胀，向外凸出一定位移（12mm） ，从而实现对气流的扰动，图 1 是其工作示意图。图 2.1 在压力气体作用下微气泡产生致动2.2 微气泡制动器阵列设计2.2.1 微气泡薄膜材料微气泡制动器结构中微气泡薄膜是关键的部分，根据微气泡工作原理，要求微气泡在充入气体的情况下能迅速产生变形，并且要承载一定的载荷，研究表明 14，硅酮橡胶材料具有良好的机械性能能够满足这种需求，这种材料延展率高、模量低而且具有良好的密封性。重要的是这种材料能在较小力的作
20、用下产生毫米级的形变，目前的技术能将硅酮橡胶与硅很好的结合起来，美国的加州大学洛杉矶分校已经对此进行了研究，硅酮橡胶材料的具体参数如下表。表 2.1 MRTV-1 的性能参数混合粘度(cPs) 60，000硬度 ShoreA24抗张强度(PSI) 500抗撕强度(DieB，Ib/in) 125伸长率(%) 1，000杨氏模量(MPa) 0.5导热率(W 几 m，) 0.002介电强度(V/mil) 550体积电阻率(。cm) 1.61015温度范围() -55-2002.2.2 制动器结构尺寸微气泡致动器由上下两层构成。为了减少微气泡驱动器上层的硅片晶体在加工过程中的破裂以及使得最终的微气泡驱
21、动器更加坚固，我们将压缩空气的槽开在微气泡驱动器下层的基板上。为保证致动器对被控气流产生有效的扰动作用，微致动器的宽度定为23mm，变形垂直位移在 1-2mm 左右。在一定范围内，微致动器的宽度越大，相同气压下气泡的变形位移相对越大；或者说,产生相同变形位移时，薄膜越宽其塑性变形越小。微气泡薄膜的厚度为 100150um，单个微气泡尺寸为 8.6mm2.3mm，如图 2 所示。为使可有效致动薄膜部分的边缘处有足够宽的附着带，设定气泡之间的间隔距离为 0.9mm。且对微气泡薄膜周边拐角处采用平滑的圆角处理，这样以减小应力集中避免薄膜脱落。通气孔为 0.3mm0.3mm 的方孔。图 2.2 微气泡
22、致动器的结构尺寸2.2.3 工艺流程微气泡制动器的制作采用微机械加工技术，微机械加工技术主要应用于制作微型机电系统、微致动器、为传感器等。主要有体微加工工艺、表面微加工工艺、深度反应离子刻蚀（DRIE）技术、LIGA 技术、晶片键合技术等 1516。微气泡制动器制作过程中最关键的问题是，在不损坏材料本身的前提下去除大面积的规模，最典型的牺牲层材料（氧化物、硅、光致抗蚀剂、金属）是互不相容的，如挥发性腐蚀剂在长期的曝光条件下对硅酮橡胶极为不利。利用聚对二甲苯和硅酮橡胶的复合物，由于硅酮橡胶对聚对二甲苯有较弱的粘附性，可以利用一层聚对二甲苯作为释放层，形成一层大面积的悬浮硅酮橡胶薄膜，避免了侵蚀牺
23、牲层带来的不利影响。聚对二甲苯是一种保护性高分子材料，气相沉积法制作生成，摩尔比的对二甲苯与水蒸气在高温下作用产生对二甲苯双自由基，然后导入 90 C 左右的惰性溶剂中进行吸收、蒸发溶剂浓缩降温、结晶、过滤得对二甲苯二聚体（2.2对环芳） ，精制后，将该二聚体进行高温裂解产生双自由基，再导入成膜室在成膜物体表面冷凝并迅速聚合，得到均匀致密的聚对二甲苯薄膜。商品名帕里纶（Parylene） ，是通过化学气相沉积法制备的具有聚二甲撑苯撑结构的聚合物薄膜的统称，它有极其优良的电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性，主要有 Parylene N（聚对二甲苯） 、Parylene C（聚一氯对二甲苯）和 Parylene D（聚二氯对二甲苯）三种。它是采用真空热解气相堆积工艺制备，可制成极薄的薄膜，主要用作薄膜和涂层，用于电子元器件的电绝缘介质、保护性涂料和包封材料等 17。微气泡致动器的上层结构的主要工艺步骤如下图 2.3 所示。
