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MEMS技术在流动分离主动控制中的应用_邓进军

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电磁MEMS在流体控制中的应用

电磁MEMS在流体控制中的应用
[ 1]
设计了一种连续蠕动式
的褶皱硅橡胶振膜的环形微泵 , 结构如图 1 所示。 这种微泵通过永磁铁和步进电机的相互作用, 产生 很强的驱动力。工作时 , 在这个设备中, 磁流体被 磁力聚集在环形微通道中, 获得最大驱动力, 在性 能上取得了很大的突破。而且这种微泵可以通过常 规的 MEM S 技术制造。由于没有任何复杂的运动 部件, 而是利用磁流体作驱动源 , 因此具有更高的 可靠性和耐久性。
[ 10]
设计了一种基于 Si 材料的直
流 MH D 微泵, 溶液是海水 , 解决了直流电通过电 解 质 溶 液 发 生 电 解 反 应 产 生 气 泡 的 问 题。 H D Ko st er 等人 设计了基于耐热玻璃晶片的直 流高电流密 度 MH D 微泵 , 能够驱动 水蒸气的 流 动。 P U Arumugam 等 人
微纳电子技术第47卷第10期
1
电磁 M EM S 在流体控制中的应用
早在 20 世纪 60 年代 , 就有人设想用电磁力控
制电解质溶液的流动。近年来 , 随着 MEM S 技术 的发展, 国内外相关人员开始研究将电磁技术应用 到 MEM S 方面, 并开展了相关基础研究以及应用 工程方面的工作 , 以达到进行流体控制的目的, 主 要表现在以下几个方面。 1 1 流体驱动方面 电磁 MEM S 在流体控制方面一个基本应用就 是利用电磁力对流体进行驱动 , 如电磁微泵、电磁 微马达等电磁微激励器。旧式的电磁微激励器在结 构原理上与宏观的电磁激励器差别不大 , 如电磁驱
2010年 10 月
615
钱吉胜等 : 电磁 M EM S 在流体控制中的应用
致功率耗散以及电涡流产生的耗散问题等。因此对 于 MH D 微泵的研究主要是围绕这些方面寻求突破。 J S Jang 等人

微机电系统_MEMS_技术及在引信中的应用

微机电系统_MEMS_技术及在引信中的应用

微机电系统(M EM S )技术及在引信中的应用刘　靖　石庚辰(北京理工大学引信技术国防重点实验室　100081)摘　要　对微机电系统技术的现状及其发展进行了介绍,并探讨了微机电系统技术在引信中的应用。

关键词　微机电系统　微机械　微系统　引信分类号　TJ 430　前言随着微米纳米级测量技术和各种微细加工手段的出现,人类已经具备了探索微观世界所必须的基本知识和物质手段,在此基础上,1958年诞生的第一块集成电路,1960年出现的硅平面工艺和外延技术;1981年第一台扫描隧道显微镜(STM )的发明,1987～1988年世界上第一个微电机的转动成功分别标志着微观领域中的电子革命和机械制造业革命的开始。

过去37年的电子革命以生动的事实阐述了微观领域小型化、大批量、低成本制造能力的实际内涵。

处理速度超过70年代大型计算机的个人计算机此刻正摆在办公桌上,帮助我们处理繁杂的日常事物;大容量的光盘数据存储装置将人类在漫长的历史长河中创造的灿烂文明以多媒体数据的方式永久地保存了下来;由于全球定位系统(GPS )和小型通讯装置的出现,使我们可以置身于地球表面任何地点而不必担心迷失方向。

与微电子革命相呼应,微机电系统技术也正在以微观领域制造技术独有的小型、灵活、廉价、批量制造的优势逐渐地然而又是深刻地改变着我们的生产和生活方式。

本文将对微机电系统技术的现状及其发展进行介绍,并对微机电系统技术在引信中的应用进行探讨。

1　微机电系统技术的基本概念及特点微机电系统(M icroelectrom echan ical System s —美国惯用词)又名微机械(M icrom a 2ch ine —日本惯用词)和微系统(M icro system s -欧洲惯用词),以下对这三个名词不再加以区分。

其含义有两方面:一方面是指微机电系统本身在线度与体积上很小,一般将特征尺寸在1～100Λm 的微机电系统称为微米级系统,而将特征尺寸在1～100nm 的微机电系统称为纳米级系统,例如:微型压力传感器小到可以放在注射针头内送进血管测量血液的流动情况,能在手术过程中放在心脏内监测血压;微机电系统另一方面的含义是指利用该技术手段所能实现的加工和运动精度进入了微米甚至纳米量级,例如:美国劳伦斯国家实验室加工出的直径1m 的透镜,其尺寸精度达到7nm 、表面粗糙度为5∼。

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

光 导 开 关 Ｂ ｕ ｅｎ型 脉 冲 网 络 电压 传 输 效 率 ｌｍｌｉ
马 勋 ， 邓建军 ， 刘金锋 ， 刘宏伟 李洪涛 ，
（．中 国 工 程 物 理研 究 院 流 体物 理 研 究 所 ，四川 绵 阳 ６ １０ ； １ ２ ９０ ２ ．中 国工 程 物 理研 究 院 脉 冲 功 率 科学 与技 术 重 点 实 验 室 ，四川 绵 阳 ６ １ ０ ） ２ ９ ０
冲 功 率 源 开 展 技 术 研 究 奠 定 了基 础 。
１ 基于 Ｐ Ｓ Ｃ Ｓ的 Ｂ Ｆ 设 计 ＰＮ
为制 作方便 往往 采用 等 电感 等 电容 网络 ， 析时将 其 简易 地 等效 为无 损传 输 线 。则对 于 １个具 有 级 均 分 匀 网络 的 Ｐ Ｎ， 电长 度和 阻抗分 别为 ｌ Ｆ 其 ＿ 】
摘 要 ： 为 了在 高 阻 负 载 上 获 得 高 效 率 的重 复 频 率 平 顶 高 压 脉 冲 输 出 ， 展 了 影 响 基 于 光 导 开 关 的 开
Ｂｕ ｅｎ型 脉 冲形 成 网络 电压 传 输 效 率 因素 的初 步 实 验 研 究 。 以 陶 瓷 电 容 、 条 和 Ｇ Ａｓ 导 开 关 构 成 全 固 ｌｍｌ ｉ 铝 ａ 光 态 Ｂｕ ｅ ｌｍｌｉ 脉 冲 形成 网络 （ Ｐ Ｎ） 采 用 气体 间 隙 进行 了设 计 参 数 的验 证 实 验 ， 匹 配 负 载 上 研 究 了光 导 开 ｎ型 ＢＦ ， 在 关 工 作 场 强 、 光 触 发 能 量 与 Ｂ Ｆ 电压 转 换 效 率 的关 系 。设 计 的 Ｂ Ｆ 阻抗 ７ ８Ｑ， 长 度 ３ ． ｓ实 验 表 激 ＰＮ ＰＮ ． 电 ２ ６ｎ ， 明光 导 开 关 较 高 的导 通 电阻 是 影 响 Ｐ Ｓ —Ｐ Ｎ 电压 传 输 效 率 的 主 要 因 素 。当 触 发 激光 能量 ３ ． Ｊ 工 作 场 Ｃ ＳＢ Ｆ Ｏ ４ｍ ， 强 ２ ． Ｖ／ｍ 时 ， 得 电 压 效 率 ８ ． ， 应 最 小 导 通 电 阻 １ ８ 在 触 发 激 光 能量 ３ ５ｍ ５ １ｋ ｃ 获 ３２ 相 ． ９Ｑ； ． Ｊ时 ， 了 使 阻 抗 为 为 ７ ８ｎ 的 Ｂ Ｆ 在 匹 配 负 载上 达 到 ７ 以上 电压 传 输 效 率 ， 至 少使 光导 开关 工 作 场 强 为 ２ ． Ｖ／ｍ ， ． ＰＮ ５ 应 ５ １ｋ ｃ 相

微机电系统在航空航天领域中的应用研究

微机电系统在航空航天领域中的应用研究

微机电系统在航空航天领域中的应用研究微机电系统（MEMS）是一种小型化、多功能化的微型机械和电学元件系统，其尺寸通常在微米到毫米的范围内。

MICRO-Electro-Mechanical Systems（微机电系统）是一个新兴的交叉学科领域，它不仅涉及微机械工程和电学工程，还涉及材料科学、力学工程、光学、生物医学工程等领域。

在航空航天领域，MEMS 的应用研究具有广阔的前景和巨大的潜力。

一、MEMS在航空航天领域的应用1. 惯性导航系统MEMS惯性导航系统是一种集成MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的惯性导航系统。

该系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、抗振动能力强等特点，可以实现飞行器的精确定位、姿态控制和目标跟踪等功能。

2. 气动力测试MEMS气动力测试是一种利用MEMS传感器进行气动力性能测试的技术。

通过在飞机模型上安装MEMS压力传感器，实时测量飞机表面的气动力参数，从而优化飞机外形设计，提高飞行性能和安全性。

3. 空气质量检测MEMS空气质量检测是一种利用MEMS传感器对空气中的温度、湿度、气压、气体浓度和颗粒物浓度等参数进行实时监测的技术。

该技术可以用于飞机内部环境的监测和控制，确保航空器内部空气质量合格，保障旅客健康安全。

4. 压力传感MEMS压力传感是一种利用MEMS传感器对飞机机舱、燃料系统、液压系统等关键部位的液压压力进行实时监测的技术。

通过对液压系统进行实时监测，可以及时发现并处理液压系统故障，提高飞机系统的可靠性和安全性。

二、MEMS在航空航天领域的研究和发展方向1. 新型MEMS传感器的研制目前，MEMS传感器的研制主要集中在加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等方面。

未来的研究方向将扩展到温度、湿度、气体浓度和颗粒物浓度等环境参数的实时监测。

2. MEMS技术在航空航天领域的融合创新MEMS技术可以与光学、纳米技术、智能材料等相关领域的技术相结合，形成更加完备的航空航天领域传感和控制系统。

MEMS微流体传感器

MEMS微流体传感器

MEMS技术和基于MEMS的微流体装置李宗安309010173（南京210094）摘要：本文简要阐述了MEMS技术概念及其加工方式、特点，重点结合了MEMS和微流控芯片技术，介绍了MEMS技术在微流体领域的应用状况，选取了一种具有代表性的微隔膜泵，详细表述了此种微泵的加工工艺和过程。

关键字：MEMS微流体器件硅加工1引言微电子机械系统即MEMS，是Micro Electro Mechanical Systems的缩写，也可简称为微机电系统。

MEMS技术的起源可追溯到20世纪60年代，1989年后MEMS一词就渐渐成为一个世界性的学术用语，MEMS技术的研究与开发也日益成为国际研究的热点。

与MEMS一词同时流行的还有Micro Machine(微机械，日本)和Micro System(微系统，欧洲)。

当前，常常不加区分的与MEMS通用。

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System)，是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器、微机械光学器件以及微系统等。

MEMS发展的目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。

MEMS器件具有较低的能耗与较高的效率、精度、可靠性以及灵敏性，非常适于制造微型化系统。

MEMS技术是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一，将对21世纪人类的科学技术、生产方式和生活方式产生深远的影响。

2MEMS加工技术MEMS加工工艺是在传统的微电子加工工艺(也称集成电路IC工艺)基础上发展起来的，后又发展了一些适合制作微机械的独特技术，这些独特技术和常规集成电路工艺相结合实现了MEMS。

这些技术统称为微机械加工技术。

按照技术发展的来源分，MEMS加工技术分为三种:一、以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二、以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA(Lithographgalvanfomung und abformug)技术；三、以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工、激光加工等。

MEMS技术在流体控制中的应用

MEMS技术在流体控制中的应用
摘 要 ：微 机 电 系统 （ ＭＳ： ｃｏＥ ｅｔ ． ｃ ａ ｉ ｌ ｙｔ ＭＥ Ｍｉ ｌ ｒ Ｍｅ ｈｎｃ ｓ ｍ） 技 术 或 微 传 感 器 与 微 执 行 器 ｒ ｃｏ ａＳ ｅ
（ ｃｏ ｃｉｅ ｒ ｄ ｃ ｒ） 术 ． Ｍｉｒｍａｈｎ ｄＴ ａ ｕ ｅｓ技 ｎ 它是 在 微 电子技 术 的基 础 上发 展 起 来 的 ， 合 了硅 微 加 工 和精 融 密机 械 加 工 等 多种微 加 工技 术 ， 利 用 Ｉ 并 Ｃ技 术把 控 制 和信 号 处理 电路 与机 械 部 件 集 成 的微 型 系
维普资讯
ＭＥ ＭＳ技 术在 流 体控制 中的应用
易 亮 ， － ，欧 毅 ，陈大 鹏 ，叶甜 春 （． １山东大 学物 理 与微 电子学 院， 山东 济 南 ２ ０ １ ； ５ ０ ０ ２中科 院微 电子研 究所 硅 器件 与集 成技 术 研 究室 ， 京 １０ ２ ） ． 北 ０ ０ ９
统 种 技 术 所 涉 及 的 器 件 的 特 征 尺 寸 一 般 小 于 ｌ ｌ 而 大 于 ｌ Ｂ ， 为 流 体 控 制 研 究 开 辟 了一 这 ｌ ｎｎ ｍ 它
个崭新 的 领 域 。 简述 了流体 控 制技 术 的基 本原 理 以及 应 用 ＭＥ ＭＳ技 术 实现 流体 控 制 的机 理 和途
ｔ ｅ ｂ ｓｓ ｏ ｃ ｏ ｌｔｏ ｉ ｓ ｔｎ ｔｏ ｌ ａ ｅ ｎ ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｗｉ ａ ｉ ｕ ｃ ｏ ａ ｈ ｎ ｄ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｈ ａ ｉ ｆ ｍｉｒ ｅ ｅ ｎ ｃ ，ｉ ｏ ｎ ｙ ｈ ｓ ｂ ｅ ｏ ｉ ｅ ｔ ｖ ｒｏ ｓ ｍｉ ｒ ｍ ｃ ｉ ｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｒ ｈ ｓ ｃ ａ ｓ ｉ ｏ ｍ ｉｒ ｍ ａ ｈ ｎ ｎ ａ ｄ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ｍａ ｈｎ ｇ ｂ ｔ ａｓ ｕ ｉ ｚ ｓ Ｉ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ． ｕｈ ｓ ｉｃ ｎ ｌ ｃ ｏ ｃ ｉｉ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓｏ ｃ ｉ ｎ ， ｕ ｌｏ ｔ ｉ ｅ Ｃ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｌ Ｍ ｉｒ ｅ ｅ ｔｏ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｙ ｔｍ ｓｒ ｆｒ ｔ ｅ ｉｅ ａ ａ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｅ ｇｈ ｏ ｓ ｈ ｎ ｌ ｎ ｌ ｕ ｃ ｏ ｌ ｒ ｍ ｃ ａ ｉ ａ ｓｅ ｅ ｅ ｏ ｄ ｖ ｃ ｓｔ ｔｈ ｖ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｃ ｌｎ ｔ ｆｌ ｓｔ ａ ｌ ｂ ｔ ｃ ｓ ｈ ｔ ｅ ｎ ｍｏ ｅ ｔ ａ Ｂ ， ｔｃ ｍ ｂ ｎ ｓｅ ｅ ｔｉａ ｄ ｍ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ａ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｅ ｓ ｇ ｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｒ ｎ ｌ ｍ ｉ ｏ ｉ ｅ ｌ ｃ ｃ ｌａ ｃ ａ ｉａ ｏ ｏ ｅ ｔ ｓｆ ｂ ｃ ｔｄ ｕ ｉ ｅ ｒ ｔ ｄ ｈ ｒ ｎ ｎ ｉ ｎ ｎ

MEMS在航天航空领域的应用

《MEMS在航天航空领域中的应用与发展趋势》MEMS在航天航空领域中的应用与发展趋势摘要：简述了MEMS概念和特点，分析MEMS 技术在航天、航空领域的优势及其技术发展情况，选取MEMS 技术在微纳卫星领域的应用及航空领域监测器和相应的应用传感器作了一定的介绍，预测了MEMS技术的发展趋势。

关键词：MEMS、航空航天、传感器、微纳卫星、应用、发展趋势1引言微机电系统（MEMS）一般是指1μm～100μm的微米系统，或者说轮廓尺寸在毫米级，组成元件尺寸在微米数量级的系统。

MEMS 技术特点可由3 个M 概括：即小尺寸（miniaturization）、多样化（multiplicity）、微电子（micro electronics）。

MEMS 技术的出现开辟了技术的一个全新领域和产业，它具有许多传统传感器无法比拟的优点，在航空、航天、汽车、军事等众多领域中都有着十分广阔的应用前景，MEMS 技术将成为提高军事能力的重要技术途径。

2研究现状MEMS 是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。

我国MEMS 的研究始于20 世纪80 年代末，在“八五”、“九五”期间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。

清华大学、北京大学、上海交通大学、中国科学院上海冶金所等几十所高校和研究所于20世纪90 年代开始了微机电系统的研究；国家自然科学基金委组织的立项起步于1989 年，中国科学院于1991 年确立重点研究项目；1993 年和1994 年，原国家基金委、国家科委先后确定MEMS 为重点项目和重大项目；自1993 年底起，国防科工委投入数千万元用于“九五”器件微型机械的研究工作，并且建立了两个微加工基地和一个项目研究中心。

此后，国家基金委又确立了若干微机电系统的基础研究项目，国家科技部组织了集成微光机电系统重大基础研究项目。

2009年以来，国家加速启动“核高基”（核心电子器件、高端通用芯片和基础软件领域）重大科技专项，旨在集中优势资源，持续创新，力争在上述领域取得突破，掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权。

2010年《火控雷达技术》总目次


雷 达导 引头成像识 别新 技术 … ……… ……… ……… …… ………… ……… …… ……… … 阮 单脉 冲测 角技 术在 ＭＩ ＭＯ雷 达不 同布阵下 的性 能分析 ………… ……… …… 周 琦
锋
刘逸 平 晁 淑媛
陈伯孝
适 用 于信息化 弹药 的舰载火 控雷达 指令 制导技 术 ……… ……… ……… …… ……… ……… ……… 贾 望屹
李 忠锐 段芳 芳
基于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ的快速数据采集方法在导引头伺服系统 中的应用 ………………… 曾 重
基于 Ｖ ｇ ｒ ｅａＰｉ ｍｅ的炮兵 雷达 视景仿 真 系统 …… ……… … ……… … ……… … 单显 明
荆
涛
刘世挺
夏宏 森
吴 家龙
基于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的雷 达视 频融 合设 计 … …… ……… … ……… …… …… …… …… …… …… …… …… … 符联 军 某型雷 达 Ｐ显偏心 后方 位分 划不 均 的建模 仿真 ……… …… …… …… …… … 周梅 军 朱 宏 晨 张志 强 张 涛
华
一 岚
脉 冲上升 时间与传 输系 统带宽关 系 的仿 真分 析 ……… …… ……… ……… ……… ……… 姚 北 国 余
一
种 基于 Ｌ ｇｎ ｒ ｅｅ ｄｅ展开 的 Ｃ ｓ成像算 法 ……… ……… …… ……… ………… … 刘思 碉 种 快速 收敛 的 自适应 旁瓣对 消技术 … ……… ……… …… ……… ………… … 李文 生
某雷 达信号 处理 机调试 台 的设 计 ……… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… … 吕 庆 李汉 波 雷达 嵌入式 系统硬 件模块 化研 究 ……… ……… …… ……… ……… ……一 ……… …… … 杨 雪冬 景 基于 Ｖ ＭＭ 统一验 证平 台的处理 器芯 片功能 验证 …… …… ……… ……… ……… ……… 孙 立宏 洪

基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计

基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计周宏坤;洪连进【摘要】针对传统压电型声矢量传感器无法兼顾小体积与高灵敏度的问题,利用MEMS电容加速度计作为拾振器,实现矢量传感器的小型化设计.首先采用机电类比分析的方法得到内置加速度计的刚硬球体的声致振动响应;然后进行硅微电容加速度计选型和参数分析、设定,并设计制作了一只二维球形矢量传感器样机;最后对样机进行了参数测试,结果表明两矢量通道均具有良好的方向性,声压灵敏度分别为-185 dB和-186 dB(1 kHz,0 dB ref 1 /μPa),通道间相位差与理论值保持一致,验证了利用MEMS电容加速度计设计矢量传感器的可行性.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2015(023)002【总页数】5页(P270-274)【关键词】MEMS电容加速度计;声矢量传感器;小型化设计;机电类比【作者】周宏坤;洪连进【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TB565+.1同振型声矢量传感器能直接获取声场的质点振速信息，具有较高的准确性和可靠性，在港口安全、军事反潜、海洋生物调查、海底能源勘探等领域发挥着重要的作用[1-4]。

在同振型矢量传感器的设计中，压电式加速度计以其宽频带、高灵敏度、性能可靠等优点，一直作为首选的拾振器[5-7]。

然而对于一些水下测量，如声纳拖曳矢量阵[8-9]、水下声场高阶量测量[10-11]等，对矢量传感器的小型化提出了较高的要求。

常规压电加速度计受到原理和工艺的限制，在要求低频、高灵敏度的同时很难保持较小的体积，制约了矢量传感器小型化的发展。

随着MEMS技术的引入，微机械加速度计迅速发展并成为微机电系统中应用最广泛的器件之一，国内外相继开展了将MEMS加速度计用于水声传感器的研究工作，但是目前的工作基本都是设计与实验验证，缺少基本的理论依据[12-14]。

主动流动控制技术研究

日本国家航空航天技术研究所 （NAL)在超声速风洞进行了尖锲模型 磁流体动力控制边界层研究。结果表 明，加速洛仑兹力可以增加边界层内 的皮托压力分布；尖锲模型前斜激波 的位置取决于来流边界层动量厚度， 该厚度可以通过施加加速洛仑兹力来 控制。图4给出了风洞试验段中磁场和 电极数量和布置位置。 .6 微机电系统
动器，并成功应用于主动流动控制。 已有研究表明，合成射流在分离流控 制、推力矢量、前体涡控制、有效气 动面控制、直升机旋翼流动控制以及 无人机流动控制等方面都有巨大的应 用潜力。
图2是两种压电薄膜振动式作动 器，振动频率可达几千赫兹，从缝中 形成的气流速度可达每秒1米到每秒
几十米，图中左边是其诱导的典型流 场。由于这种射流无外部气源，进入 流场的气流总质量为零，因而称为零 质量射流或合成射流。
基于微机电系统(MEMS)的主动流 动控制技术在飞行器的增升、减阻、 改善气动性能、降低噪声等方面都具 有重要应用潜力，是当前流动控制领 域的研究热点。美国加州大学洛杉矶分 校（UCLA）和加州工学院在AFOSR、 DARPA 等资助下，开展了基于 MEMS 技术的湍流边界层主动流动控制技术 研究。用MEMS微作动器阵列实现边 界层减阻和三角翼前缘涡控制研究， 并结合 F-15、F-22 战斗机进行了实 用性研究。在英国航天局主导下，欧 洲众多科研机构参与了气动微机电系 统（AEROMEMS）计划，展开了利用 MEMS主动流动控制技术改善机翼升力 特性、改进飞行器进气口和涡轮发动机 等方面的工程应用研究。
19对电极
皮托压力接口
磁场中心 壁压接口
光学窗
激波管端口
赫尔姆霍茨型磁铁
底壁
图4 磁流体动力在试验段中的分布
图5 微气泡型作动器

2010/5 航空科学技术
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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
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
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
· 383·
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
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 。
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。
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 。
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 。
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。 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 。
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 。
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构尺寸如 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
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 。
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
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 。
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 。
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
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 。
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 。
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 。