MEMS技术在流动分离主动控制中的应用_邓进军

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mm;硅酮橡胶薄膜的厚度为 80 ～ 150 μm, 铜箔厚度 为 50 ～ 100 μm。
阵列中单元为 5行 6列 , 共 30个 。单元间列向 间距 d1:0.5 ～ 1.5 mm;单元间行向间距 d2:0.5 ～ 1.5 mm。图 5是本文研发的气泡型微致动器阵列样 件照片 。
图 5 气泡型微致动器阵列样件
的作用下径向伸缩而产生的 , 因此 , 压电陶瓷对压电 振子的振动特性以及器件的工作效率具有重要的影 响 。 为了获得较大的径向伸缩振幅 , 需选择平面机 电耦合系数较大的压电材料 , 综合考虑 , 本文选取了 P-51 型 压 电 陶 瓷 材 料 , 其 主 要 性 能 参 数 如 表 1 所示 。
压电式合成射流器的结构示意图如图 2所示 , 它由压电振子 、腔体和喷口组成 。 压电振子在电信 号的激励下使振膜上下振动 , 进而引起腔体体积的 周期性变化 。在振膜向下弯曲时 , 腔体体积增大 , 外 界气体经喷口吸入腔体 ;而当振膜向上弯曲时 , 腔体 体积减小 , 腔内气体又经喷口喷出 。 这种周期性的 体积变化 , 在喷口处产生一系列向外扩展的非定常 涡环 , 这一系列的涡环对外流的作用类似于一股射 流 。合成射流器正是通过这种不断向外界流场输出 能量的方式影响边界层的流动状态 , 进而实现物体 宏观扰流特性的控制 。
本文提出一种基于 MEMS技术 的合成射流器 结构设计与制造工艺方案 , 所获得的器件具有体积 小 、重量轻 、能耗低等优点 , 并具有阵列化 、批量制造 的优势 。
2 结构与工艺设计
2.1 气泡型微致动器 由于飞行器飞行状态的不同 , 导致其翼面绕流
流场是不断变化的 。因此 , 边界层分离现象发生的 位置也是在一定范围内变动的 。为了能够适应更多
收稿日期 :2009-04-21
基金项目 :国家自然科学基金 (90305017)、机械系统与振动国家重点实验室开放课题基金资助
作者简介 :邓进军 (1978 -), 西北工业大学讲师 , 主要从事微机电系统技术的 研究 。
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西 北 工 业 大 学 学 报
第 28卷
本文研究的另一类微型致动器为合成射流器 , 也称零质量射流器 。它具有结构紧凑 , 无需气源管 道等优点 , 是目前国内外现代流体力学领域的研究 热点之一[ 3] 。
方法沉积一层铝膜作为后续 ICP刻蚀的掩模 。 (2)图形化铝膜 :旋涂光刻胶 , 光刻 、显影 , 刻蚀
暴露的铝膜 。 (3)ICP刻蚀腔体 :采用感应耦合等离子 (ICP)
刻蚀技术刻蚀硅 , 加工出腔体 。 (4)去除正面铝膜 。 (5)在硅片的另一面沉积铝膜并图形化 。 (6)ICP刻蚀喷口 , 与腔体贯通 。 (7)去除铝膜 , 清洗硅片 , 与压电振子装配 。 由于压电振子的振动是由压电陶瓷在驱动信号
4 风洞实验
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为验证微致动器对飞行器翼型绕流分离的有效 控制 , 本文将气泡型微致动器阵列分别安装在三角 翼及 NASASC0714 翼型的前缘 , 考察在其作用下 , 前缘分离状态的变化 。 4.1 气泡型微致动器阵列对三角翼绕流的控制
三角翼在中等攻角条件下背风面会产生一对前 缘分离涡 。 在此条件下三角翼的总升力很大一部分 是由分离涡提供的 [ 9] 。因此 , 通过气泡型微致动器 的作用 , 改变一侧前缘的边界层分离流动状态 , 打破 前缘涡的对称性 , 就可产生一个扭矩用于飞行控制 。
185 220
介电 损耗
机械 品质 因数
0.019 50
泊松 密度 比 (kg/m3 )
0.36 7 600
图 8为本文压电式微型合成射流器样件之一 。
3.2 微型合成射流器的测试 微型合成射流器对外界流场控制能力的核心参
数是其输出的能量水平 , 又主要以旋涡强度和出口 速度来表征[ 3] 。
本文初步研究了 MEMS微型合成射流 器样件 的驱动信号参数对其喷口速度的影响 。 实验中 , 驱 动信号采用信号发生器产生 , 经功率放大电路处理 后加载于射流器的压电振子两极 , 从而实现射流器 的电驱动 。射流器的喷口平均速度则采用热线风速 仪在喷口外临近位置进行测量 。 被测样件的结构尺 寸如表 2所示 。
2010年 6月 第 28卷第 3期
西北工业 大学学报 JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversity
June 2010 Vol.28 No.3
MEMS技术在流动分离主动控制中的应用
邓进军 , 苑伟政 , 罗 剑 , 马炳和 , 姜澄宇
(西北工 业大学 微 /纳米系统实验室 , 陕西 西安 710072)
关 键 词 :致动器 , 微电子机械器件 , 流动控制 , 微机电系统 , 流动分离 , 主动控制 中图分类号 :TP271.4 文献标识码 :A 文章编号 :1000-2758(2010)03-0381-07
流动分离是流体力学中一种复杂而普遍的流动 现象 , 广泛存在于航空 、航天 、流体机械等领域 。由 于分离现象对物体的绕流特性有着显著的影响 , 因 此一直是人们广泛关注和研究的科学问题 。在飞行 器设计领域 , 早期的气动设计注重尽量避免分离的 设计思想 。 然而 , 新型飞机由于追求越来越高的机 动性和敏捷性而经常处于大攻角和非定常的飞行状 态 , 流动的分离因此难以避免 。随着边界层流动分 离的研究与深入 , 出现了多种多样的边界层控制方 法和手段 。 而主动流动控制由于能够根据飞行状态 改变控制行为 , 因而相对于被动流动控制具有更佳 的控制效果 , 通常可显著提高飞行器的升阻特性和 机动性等 , 已成为空气动力学领域的重要研究热点 。 传统主动流动控制系统往往存在结构复杂 、体积大 、 重量代价高以及能耗高等缺点 , 一定程度上限制了 它们的实际应用 。微机电系统 (MEMS)技术的迅速 发展为主动流动控制技术提供了崭新的使能手段 。 以 MEMS技术为基础 , 将空气动力学 、材料 、结构和 控制等多个学科综合起来的先进主动流动控制技术 已成为先进航空技术的发展前沿[ 1] 。
图 4 气泡型微致动器阵列的上层结构
另外的通气槽和进气口等结构可采用精密加工 方式在金属基座或者直接在安装表面上加工 , 将两 部分结构对齐装配后即形成最终器件 。
本文设计的气泡型微致动器阵列的结百度文库尺寸如 下 :每个单元的长度 L:2 ～ 10 mm;单元宽度 W:1 ～ 3
第 3期
邓 进军等 :MEMS技术在流动分离主动控制中的应用
器件具体加工工艺流程如图 7所示 : (1)沉积铝膜 :在硅片的一面利用磁控溅射的
图 7 微型合成射流器加工工艺流程
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西 北 工 业 大 学 学 报
第 28卷
表 1 P-51型压电陶瓷材料性能参数
相对 机电 介电 耦合 系数 系数 2 300 0.62
压电系数
d31
d33
子一阶模态频率相近 。当将驱动信号的频率固定为 2 300 Hz, 改变驱动电压 Vp-p时 , 喷口速度变化曲线 如图 10(b)所示 , 喷口速度随电压的增大而提高 , 但 受压电陶瓷最大承受电压的限制 , 实验中最大加载 电压为 120 V, 此时喷口速度达到 5.5 m/s。
同旋转方向的扭矩 。
本文研究了 采用 MEMS技术制造的 2 类微型 致动器 :气泡型致动器和压电式合成射流器 , 并对其 性能参数进行了测试 , 最后对微致动器用于流动分 离的主动控制进行了实验研究 。
1 控制原理
采用 MEMS技术制造的 微型传感器和 致动器 特征尺寸一般为微米量级 , 其整体外形尺寸则通常 在毫米量级 。 相比于机翼的外形尺寸 , 差别数个量 级 。 然而 , 流动的分离 、漩涡等现象属于流体的非定 常运动 , 其本质非常复杂 , 具有很强的非线性特征 。 而非线性系统具有对初始 条件敏感依赖的 固有特 性 , 初值的 极小变 化可以 造成 系统 行为 的巨大 差 异[ 2] 。 这种特性就为 MEMS器件控制边界 层流动 状态 , 进而影响飞行器的宏观气动性能奠定了理论 基础 。具体而言 , 本文研究的 2种微型致动器在实 现主动流动控制的机理上亦存在着差别 。
2.2 压电式微型合成射流器 本文设计的微型合成射 流器采用 MEMS工艺
加工 , 其结构如图 6所示 。 其喷口及腔体结构在硅 片上采用感应耦合等离子刻蚀 (ICP)方法加工 , 压 电振子则 以铜箔 为振膜 , 以 压电 陶瓷 片为激 励器 构成 。
图 6 压电式微型合成射流器结构简图
MEMS微型合成射流器结构尺寸设计如下 :喷 口横截面 为正方 形或矩 形 , 长宽 尺寸 取值范 围在 100 μm～ 1.5 mm之间 , 深度为 100 ～ 400 μm;腔体 横截面为正方形 , 边长为 2.5 ～ 8 mm, 腔深 50 ～ 150 μm。铜箔厚度为 50 ～ 100 μm;压电陶瓷片为方形 , 边长 2 ～ 6 mm, 厚度 150 ～ 300 μm。
图 3 气泡型致动器阵列结构示意图
图 2 压电式合成射流器结构示 意图 [ 4]
气泡型微致动器的上层弹性薄膜选用具有超弹 性特征的硅酮橡胶材料 。它具有优良的伸缩性和复 原性 , 在充气状态下能够向外鼓胀产生超弹性变形 , 并能在内部压力撤除时恢复平整外形 。
硅酮橡胶采用旋涂的方式涂敷于铜箔表面形成 薄膜 , 在铜箔的另一面采用 MEMS的光刻及湿法刻 蚀工艺将铜箔的部分区域去除 , 从而形成悬置的硅 酮橡胶薄膜 , 即气泡结构 , 如图 4所示 。
表 2 合成射流器样件结构尺寸参数
喷口截面尺寸 喷口深度 腔体截面尺寸 腔体深度 0.75mm×2.5mm 430μm 8mm×8mm 70μm
图 8 微型合成射流器样件
3 性能测试
激励用的驱动信号选用正弦波信号 。当将驱动 电压 Vp-p固定为 100 V, 改变驱动信号的频率时 , 样 件喷口速度变化曲线如图 10(a)所示 , 在 2 300 Hz 时达到 5.2 m/s, 该 频率 与 有限 元 仿真 计 算的 压 电振
摘 要 :文章面向飞行器翼型绕流的控制 , 设计开发了气泡型和合成射流等 2类采用 MEMS技术制造 的微型致动器 , 并对其性能进行了测试 。结合三角翼及二元超临界翼型 , 通过风洞实验考察了 MEMS 微型致动器在翼型流动分离主动控制的应用效果 。结果表明 , 微致动器能够有效控制边界层流动状 态 , 改变翼型绕流的宏观流场 , 实现增升减阻以及产生辅助力矩等控制目标 。
3.1 气泡型致动器的测试 气泡型致动器的关键性能是其弹性薄膜在压力
作用下变形的能力 。 本文利用非接触光学成像的方 法对气泡型微致动器样件进行了测试 , 实验过程中 的薄膜变形图像及测试结果如图 9所示 。
图 9 气泡型微致动器测试结果
图 10 微型合成射流器测试结果
第 3期
邓 进军等 :MEMS技术在流动分离主动控制中的应用
状态下的控制任务 , 本文的气泡型致动器设计为由 多行多列的单元组成的阵列形式 , 如图 3所示 , 以便 实现不同位置的控制输出 。 由于翼型上垂直于来流 的流场变化不大 , 以及出于简化控制系统的考虑 , 阵 列中每一行的单元共享一个进气管路和控制阀 , 即 各行实行独立控制 。如此便可沿流向在不同位置上 根据需要产生变形 , 实现对外部流场的主动控制 。
气泡型致动器结构示意图如图 1所示 , 主要由 弹性薄膜 、空腔和进气口等结构组成 。其弹性薄膜 在非工作状态下与其所在的安装表面平齐 。 工作状 态时接通压力气体 , 由上下压差使弹性薄膜产生变 形向上突起 , 从而改变翼型的局部轮廓 , 进而改变边 界层的流动状态 , 达到流动控制的目的 。
图 1 气泡型微致动器结构示 意图
国内的国防科技大学 、西北工业大学 、北京航空 航天大学 、南京航空航天大学 、清华大学等单位均在 合成射流的形成机理 、射流器的设计及应用实验等 方面开展了相关工作 [ 5 ～ 8] 。然而由于国内 MEMS技 术的起步相对较晚 , 此前的器件制造技术均依赖传 统的加工方法 , 因此器件的体积和功耗还相对较大 , 距离实际应用还有一定差距 。