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
2、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
3、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
4、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
5、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。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
6、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金属大一般一般足够压力：很大（），大（），一般（），小（）行程：大（），一般（），小（），很小（）响应时间：很快（），快（），一般（），慢（）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
7、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
8、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
9、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
10、泡驱动器通过控制主动气流来控制飞行器，过去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
11、动器的致命弱点是承载能力差，当风速超过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
12、器内气体的压强，来调整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
13、翼等控制方式，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
14、某炮弹为背景，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弹体表
15、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
