（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术的流体测量和流体控制器件.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 m e m s 技术是当今科学研究的前沿热点。基于m e m s 技术的微型器件在流体测 量技术和流体主动控制技术上的优势越来越受到人们的重视。本论文从单个器件 着手，采用全镂空真空阳极键合来设计制作微型热剪切应力传感器，并利用静电 驱动方式设计制作了微型振动射流执行器，分别用于流体力学中壁面边界层剪切 应力的测量和飞行器的减阻控制。本论文完成的主要工作包括： 1 ) 完成了热剪切应力传感器的仿真设计和全镂空真空阳极键合关键工艺的 研究。在深入探讨微型热剪切应力传感器的原理和模型仿真的基础上，确定了低 应力的洲r 作为隔膜，并开发出了全镂空真空阳极键合关键工艺来制作绝热真 空腔。以大小为2 1 r e xl o o p m 的铂金条作为热敏电阻，利用真空阳极键合工艺将 硅片与磷硅玻璃( c o r n i n g7 7 4 0 ) 键合形成绝热真空腔。传统的牺牲层工艺形成 绝热空腔工艺过程复杂，尤其是腐蚀分离时，由于液体的烘干会使可变形的微结 构在表面张力作用下与衬底粘接，使空腔无法形成。而基于真空阳极键合工艺的 热剪切应力传感器的制作工艺避免了传统的复杂牺牲层工艺，大大简化了工艺制 作过程，绝热腔内压强为0 0 5 p a 。 2 ) 对三种不同结构的热剪切应力传感器的绝热能力进行了深入研究。对带 有真空腔，带有空气腔和无绝热腔体三种传感器进行绝热比较实验，结果显示具 有真空腔的热剪切应力传感器绝热效果是具有空气腔的热剪切应力传感器绝热 效果的1 1 7 倍，是无绝热腔体的热剪切应力传感器绝热效果的4 0 倍。 3 ) 完成了热剪切应力传感器信号处理电路的设计、制作并完成了器件风洞 测试实验。在深入探讨了剪切应力与热敏电阻热量之间的对应关系上，设计出了 恒流模式下的传感器信号处理电路，使得边界层输入流体状态与输出电压信号的 对应关系得以实现。在5 m s - 2 0 m s 的风洞环境中对热剪切应力传感器的性能进 行了测试，器件时间常数小于5 百微秒，响应频率达到2 k h z ，响应灵敏度为 9 8 7 7 m v ( m s ) 。 4 ) 完成了基于静电驱动的微型振动射流执行器的仿真设计和制作。在学习 山东大学硕士学位论文 探讨了飞行器飞行过程中壁面阻力的主要来源的基础上，仿真设计了微型振动射 流执行器，振动片在静电力的作用下上下振动，在振动片向上振动的半个周期内， 振动片对近壁面的流动直接进行作用；在振动片向下振动的半周期内，振动片底 部的空腔体积减小，空腔内的流体受到挤压而从振动片上的小孔喷出，形成射流， 对近壁面的流动进行作用，防止或抑制了涡流对与壁面的相互作用，从而达到减 小飞行器壁面阻力的作用。 关键字：微型剪切应力传感器，微型振动射流执行器，流体测量技术，壁面减阻 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e m st e c h n o l o g yi sc u r r e n t l yf r o n tf o c u s e si ns c i e n c er e s e a r c h a d v a n t a g e so f t h ef l o wm e a s u r e m e n ta n df l o wc o n t r o lb a s e do nm e m st e c h n o l o g yb e c o m em o r e a n dm o r ev a l u e d t h i st h e s i s p r e s e n t s t w om i c r o m a c h i n e dt r a n s d u c e r s a m i c r o m a c h i n e dt h e r m a ls h e a rs t r e s ss e n s o ri sf a b r i c a t e db a s e do nv a c u u ma n o d i c b o n d i n ga n db u l km i c r o m a c h i n e dt e c h n o l o g yw h i c hc a l lb e u s e df o r t h ef l o w m e a s u r e m e n t am i e r o m a c h i n e da c t u a t o ri sf a b r i c a t e db a s e do ne l e c t r o s t a t i cp r i n c i p l e w h i c hc a nb eu s e df o r l ef l o wc o n t r 0 1 t h em a i na c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sa r e 舔f o l l o w s ： 1 ) v a c u u ma n o d i cb o n d i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt of a b r i c a t et h ea d i a b a t i c v a c u u mc h a m b e r at i p ta l l o ys t r i p ，2 l x m x10 0 p m ，i sd e p o s i t e do nt h et o po fat h i n s i l i c o nn i t r i d ed i a p h r a g ma n df u n c t i o n e da st h et h e r m a ls e n s o re l e m e n t b yu s i n g v a c u u ma n o d i cb o n d i n ga n db u l k s ia n i s o t r o p i cw e te t c h i n g p r o c e s si n s t e a do ft h e s a c r i f i c i a l - l a y e rt e c h n i q u e ，ac a v i t y , f u n c t i o n e d 蠲t h ea d i a b a t i cv a c u u mc h a m b e r , 2 0 0 t t m x 2 0 0 p mx 4 0 0 p m ，i sp l a c e db e t w e e nt h es i l i c o n n i t r i d ed i a p h r a g ma n d g l a s s ( c o m i n g7 7 4 0 ) t h i sm e t h o dt o t a l l ya v o i da d h e s i o np r o b l e mw h i c hi sam a j o r i s s u eo ft h es a c r i f i c i a l l a y e rt e c h n i q u e i tm a k e st h ep r o c e s sv e r ye a s y , n o to n l ya v o i d a d h e s i o np r o b l e m ，b u ta l s od on o ti n f l u e n c et h ev a c u b mc h a m b e r sa d i a b a t i ce f f e c t 2 ) t h ep e r f o r m a n c eo ft h et h e r m a li s o l a t i o nf o ro u rs h e a r - s t r e s ss e r l s o r si s e v a l u a t e d t h e r m a li s o l a t i o no ft h r e ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s ( t i p tr e s i s t o rl o c a t e do v e ra v a c u u mc a v i t y ；t i p tr e s i s t o rl o c a t e do v e ra na i r - f i l l e dc a v i t y ；t i p tr e s i s t o rl o c a t e d d i r e c t l yo v e ro nt o po ft h es u b s t r a t e ) i sc o m p a r e d i ti s f o u n dt h a tav a c u u mc a v i t y i m p r o v e st h et h e r m a li s o l a t i o na b o u t1 17t i m e so v e ra na i r - f i l l e dc a v i t y , a n da b o u t4 0 t i m e so v e rj u s tt h es i l i c o ns u b s t r a t e 3 ) c c ( c o n s t a n tc u r r e n t ) m o d e lc i r c u i tf o rs e n s o rt e s t i n gi sd e s i g n e da n dp c b i s f a b r i c a t e d t h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec i r c u i to u t p u tv o l t a g ea n dt h e v e l o c i t yo ft h ew i n d t u n n e li so b t a i n e d t h et i m e c o n s t a n ti sa b o u t5 0 0m i c r o s e c o n d s ； i i i 山东大学硕士学位论文 t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ei sa b o u t2 k h z ，t h es e n s i t i v i t yi s9 8 7 7 m v ( m s ) t h i si st h ef i r s t o n ei nc h i n ai nm e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fs h e a rs t r e s sw i t hh i 9 1 1s p a t i a la n d t e m p o r a lr e s o l u t i o na r e a 4 ) d e s i g na n df a b r i c a t eam i c r o m a c h i n e ds y n t h e t i cj e ta c t u a t o r a t t e m p t st o r e d u c ed r a gb ym i t i g a t i n gt h e s t r e n g t h o fv o r t i c e si nt u r b u l e n tf l o w t h e m i c r o m a c h i n e ds y n t h e t i cj e ta c t u a t o rm o v e su pa n dd o w nu n d e rt h es t r e n g t ho ft h e e l e c t r o s t a t i c t h ed r a gr e d u c t i o nc a nb ea c h i e v e dw h e nt h e s ea c t u a t o r ss u p p r e s st h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r e a m - w i s ev o r t i c e sa n dt h ew a l ls i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：m i c r o m a c h i n e dt h e r m a ls h e a rs t r e s ss e n s o r , m i c r o m a c h i n e ds y n t h e t i cj e t a c t u a t o r , f l o wm e a s u r e m e n t ，d r a gr e d u c t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘垒 日期：哆兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：超导师签名：二丝日 滤j 卜 期：二- 一 山东大学硕士学位论文 第一章引言 对流体进行控制和利用一直是人们追求的目标，在流体中运动以及以流体为 介质的流体机械的工作性能及效率，极大地依赖于绕物体流动的流体运动状态， 特别是紧贴物体表面的边界层的流动状态。因此对绕流流体的运动，尤其是对飞 行器壁面边界层流动施以被动或主动控制，可以极大地改善飞机、导弹、水面和 水下航行器的流体动力学特性，从而提升系统的工作性能啪删 流动主动控制技术在航空航天研究领域是一项基础性的技术，在飞行器减 阻、增升、提高机动能力、减小抖振载荷、降低噪声辐射、无人飞行器与微型飞 行器操纵，以及发动机内外流控制、涡轮、涡扇和旋翼等绕流的控制等许多领域 都存在着巨大的应用潜能。 本章将对流体测量技术，流体主动控制技术和本论文的研究背景，意义和目 标做详细的介绍。 1 1 流体测量与流体主动控制技术 人类对自然界的控制和利用建立在对其机理深入了解的基础之上，在流体力 学的研究过程中，人们也希望在掌握其流动机理的基础上对其进行控制和利用。 对自然界中各种流动现象的机理研究主要包括三个方面：一、理论上的探索，从 基本的假设和定理出发，进行严格的数学推导和证明，得到流体流动的一般规律， 例如在连续介质假设、s t o k e s 假设等条件下，可以推导出n a v i e r s t o k e s 方程， 并在此基础上对流体流动的一般规律进行讨论。二、数值模拟方法，随着计算机 技术的发展，可以利用其求解很多没有解析解的非线性方程( 组) ，例如结合具 体的流动特征和边界条件，对n a v i e r - s t o k e s 方程进行求解；对各种在工程实际 中具有运用价值的湍流模式的数值模拟。三、实验测量，对实际的流场或者模型 流场进行直接的测量也是研究各种流动现象机理的一个重要手段。随着电子、计 算机、光学、图像处理以及微机械加工技术等学科和技术的发展和相互结合，流 体力学研究中的测试技术也得到了很快的发展，从单点、定点、一维和定常流动 的测量( 如：皮托管n 1 、多普勒测速仪乜1 l d v 、热线风速仪口钉和激光诱导荧 光- 1 i f 等) 发展到了全流场、非定常流动、三维甚至四维流动的测量( 如： 山东大学硕士学位论文 数字粒子图像测速d p i v 晒1 、数字全息粒子图像测速d h p i v 随1 、图像互相关 测速i c v 以及基于m e m s 技术的传感器单元和阵列等盯1 ) 。上述的三个方面相 互验证，在揭示流动机理的过程中都起着重要的作用。 实验测量技术在研究流动机理的过程中起着关键的作用，既可以直观、定性 地反映流动的本质特征，也可以直接、定量地获得流动中如速度、压力、温度以 及剪切应力等的各种重要的物理量。传统的实验测量手段，如皮托管测量流场 中某个点的静压，由于测量仪器尺寸过大，对流场本身形成干扰，而且由于响应 时间长，只能用来测量定常流动；激光多普勒测速乜1 l d v 需要向流场中布撒 跟随性好的粒子，同时也只能进行单点的测量；热线风速仪口钔的探针支架尺寸 在m m 的数量级，对流场有干扰，敏感元件热线或者热膜用常规的方法制造 和安装都很困难，生产成本高，使用寿命短，也只是单点或者局部流场的测量， 而且仪器的频率响应( 时间分辨率) 不能满足高r e y n o l d s 数湍流流动的测量要 求。 在湍流流动中，随着r e y n o l d s 数的增大，如大于1 0 0 0 0 ，流动中出现各种微 小尺度的物理量，如存在于近壁面边界层粘性子层中的k o l m o g o r o v 微尺度，包 括长度微尺度、时间微尺度和速度微尺度，测量得到这些微尺度对于研究自由剪 切湍流和壁面湍流都具有重要意义阳1 ，但是，在高r e y n o l d s 下，k o l m o g o r o v 长 度微尺度在a n 的数量级，而时间微尺度在芦的数量级，使用传统的热线风速仪 进行测量，在空间分辨率和时间分辨率上至少相差一个数量级，只能进行单点的 测量，无法获取整个流场的信息，如壁面剪切应力、压力脉动以及近壁面的脉动 速度分布情况，而且不能对测量得到的数据进行实时的处理和显示。这就要求新 的测量仪器传感器具有体积小、反应快，且能够进行分布式测量的特点，才 能对高r e y n o l d s 数下的湍流流动进行正确的时空分辨。 对边界层内的流动进行控制，主要包括：延迟或者提前促使层流流动向湍流 流动转捩，阻止或者激发边界层分离，抑制或者增强湍流流动，目的是增加机翼 的升力，减小流动中的阻力，增强掺混强度，以及抑制流动中的噪音等。传统的 流动控制主要是一种被动流动控制的方法，被动流动控制是在预先了解具体的流 动特征的情况下进行的，如在壁面上开各种形式的沟槽，以减小阻力；在壁面上 的特定位置开孔对流动结构进行吹气或者吸气控制，以影响边界层内的速度型分 2 山东大学硕士学位论文 布，达到延迟分离的目的。虽然这些传统的技术对流动控制具有一定的效果，但 是，其局限性是很明显的，如被动流动控制只能针对某种特定的流场，当流动特 征发生变化时，即失去其控制能力；传统的方法需要提供较大的能量，如在吹气 或者吸气控制中需要提供附加的气源、管路以及控制设备等；传统的方法很难实 现分布式的控制，更不能根据流场的变化情况进行实时的反馈控制。因而，需要 对流动进行主动控制，同时要求低成本、分布式以及实时的闭环反馈控制。 总的来说，传统的流动主动控制技术存在着如下的困难和挑战。 首先，流动主动控制的对象通常都是与边界层流动、混合层流动、湍流、激 波等相关的复杂流动现象，且常常伴随流固、多场耦合现象，这些都是目前流体 气体动力学研究的前沿课题，很难建立起被控对象的确切模型。只能根据控制目 的和要求，通过理论分析、实验和数值仿真相结合的手段，对被控对象进行深入 细致的研究，建立被控对象的近似模型。 其次，被控对象通常是非定常的，被要求抑制的流动现象可能出现的时间和 位置不确定，存在随机性，流动结构尺度小，生命周期短，且流动对外界扰动极 为敏感。以边界层流动为例，边界层厚度本身尺度小，转捩与分离发展过程中的 拟序结构尺度在毫米量级或更小，且是非定常的，生命周期在毫秒量级。这就对 控制系统提出以下要求： ( 1 ) 传感器、执行器应具有较高时间、空间分辨。 ( 2 ) 由传感器、控制器和执行器组成的控制单元必须布满可能需要控制的流 动区域即要求控制单元化，阵列化，需要制作传感器、控制器和执行器高度集 成的智能器件。 ( 3 ) 要保证传感器、执行器等与气动表面安装平齐，无须控制时，保持原有 气动外形，减小对流动的干扰由于流动表面通常为三维曲面，因此这要求阵列 化器件应为柔性蒙皮结构，能与原有外形融为一体 ( 4 ) 由于大量的控制单元并行工作，既要保证良好的控制效果，又要求单个 单元能耗要低，使系统总的能耗不能太大 此外，被控对象环境条件恶劣、多变，如飞机经常遭遇各种恶劣气象条件， 实用化的主动控制器件应能承受恶劣环境并保持良好性能指标采用传统的设 计、制作方法，这些要求的实现几乎是不可能的，成为了流体主动控制技术难以 3 山东大学硕士学位论文 逾越的鸿沟。 自然界的信号( 声、 光、电、磁、热等) 物理信号( 速度、 位移、力的大小等) 化学信号( 酸、碱、 浓度、溶液组分、 气体成分) 其它种类的信号 具 有 各 种 功 能 的 微 型 传 感 器 信号处理和控制单元 ( 模拟信号处理、数 字信号处理以及智能 控制电路) 实 现 各 种 功 能 的 执 行 器 运动 力 能量 嚣鬻誓需il 际接口( 光、电、磁等) ll _ l 县匕彤氏 图1 1 典型m e m s 系统与外界环境相互作用示意图 近二十年以来，微电子机械系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术得到了迅速的发展，并被广泛运用于信息科学、微探头和显微技术、微光学 技术、微流量控制、微小型机器人、环境监测、生物医学，以及航空航天等领域。 随着m e m s 加工技术的进步，微传感、微驱动技术的发展，给流体控制技术的发 展带来了新的曙光，使得流动主动控制技术逐步成为现实。微电子机械系统 ( m e m s ) 是用微机械加工技术制作的微型电子机械器件、装置和系统，它往往是 由微型电子系统和微型机械系统经过集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 工艺 复合集成h 1 。微电子机械系统( m e m s ) 的典型特征就是尺寸微小，其单个器件的 特征尺度一般大于1l jm ，而小于l m m ，因而微电子机械系统( m e m s ) 具有体积小、 重量轻以及能耗低的特点。微电子机械系统( m e m s ) 技术与集成电路工艺技术( i c ) 集成可以实现批量生产，大幅度地降低单个器件和系统的成本m 微电子机械系 统( m e m s ) 是微系统中的一种，是一种具有一定功能的微型体系，能够实现多种 物理信号( 力、声、光、磁、速度、加速度、压力、温度等) 向电信号( 电流和 电压) 的转化，并根据一定的控制准则来实现特定的功能，因而微电子机械系统 ( m e m s ) 的目标是将信息获取、信息处理以及反馈执行控制一体化地集成在一起， 成为名副其实的具有智能化的集成系统( i n t e g r a t e ds y s t e m s ) ，如图1 1 所示。 4 山东大学硕士学位论文 典型的基于m e m s 技术的流体测量和主动控制技术的基本原理如图1 2 所示： 系统由预测传感器、控制器、执行器和校正传感器四部分组成一个闭环控制系统 n 驯。预测传感器和校正传感器分别置于执行器上下游，预测传感器对流动参数实 时测量，提供给控制器；控制器对流动状态进行辨识和预测，决策控制动作；执 行器按控制器指令施行控制动作；校正传感器对控制后流动参数进行实时测量， 反馈给控制器：控制器对控制效果加以评估，对控制动作做实时修正和优化，完 成对流动的自适应控制。 层流失稳控制 层流 图1 2 典型流体控制系统的原理 微电子机械系统( m e m s ) 技术在短期内得到迅速发展的主要驱动力是其广 泛的军事应用背景，特别是在航空航天领域的潜在应用叭。可以从下面的例子看 出微电子机械系统( m e m s ) 技术在此领域的巨大应用价值，以微型传感器在航天 飞机上的应用为例：现在一架航天飞机上需要安装具有各种功能的传感器约为 3 0 0 0 - 4 0 0 0 只，传感器总重量的数量级为吨，如果用重量只有几g 的微型传感器 代替重量在k g 数量级的传统传感器，很显然在减轻航天飞机的总重量，降低燃 油消耗，增加航程以及携带其他更多的有用的机载设备等方面都将起到积极的作 用。不仅如此，微电子机械系统( m e m s ) 在飞行器结构外型设计、气动力控制以 及微型飞行器、微型卫星、微推进系统等技术方面都具有重要的作用。 现代飞机的结构和外形设计中采用了先进的复合材料，如果在这些复合材料 中分布式嵌入微电子机械系统( m e m s ) 的各种功能器件，这些功能器件具有实时 山东大学硕士学位论文 地自我检测和监测能力，能够对飞机的各种结构内的应力、强度、损伤等情况进 行监控；分布在机翼表面的微电子机械系统( m e m s ) 功能单元微型传感器阵 列能够对机翼表面的流动状况进行实时地测量和反馈，由执行器单元对表面的流 动情况进行控制，达到延迟流动分离，降低气动阻力和提高机动性能等。这种技 术也可以应用到直升机的浆叶、燃气轮机的叶片上，以实现减振降噪、提高效率 的目的。 机翼表面的流动状态对飞机的升力特性、大迎角机动性能以及气动阻力等都 有很大的影响，如果在机翼的表面( 主要是背风面) 分布式布置微型传感器阵列 和执行器阵列，如图1 3 所示，则可以对机翼表面的流动状态进行实时地检测和 控制口1 。微型传感器阵列对流动状态进行探测，并将探测到的流场信号经过滤波， 放大处理之后送到流场品质评估处理中心单元进行处理，处理中心将根据评估结 果作出实时地判断，并向布置在机翼表面的执行器阵列中的特定单元发送指令， 从而对流场进行控制，同时传感器阵列对控制之后的流场再进行监测，并进行反 馈评估和反馈控制。 图1 3 机翼表面流动控制系统示意图 利用微电子机械系统( m e m s ) 对飞行器的气动力进行控制是一个具有现实意 义的研究方向，主要是控制机翼前缘的分离漩涡，已达到增加涡升力，产生各种 附加力矩( 主要是滚转力矩和偏航力矩) ，大幅度提高飞机的机动性能。战斗机 6 山东大学硕士学位论文 在进行大迎角机动的过程中，机身前体的分离漩涡对其机动性和稳定性有很大的 影响n 期。对大迎角下机身前体分离漩涡的控制也是一个研究方向，传统的方法主 要是在对分离漩涡影响比较敏感的机头设置不同形式的微吹吸气小孔，进行不 同方向( 法向、切向等) 的吹吸气控制，使机身前体的背部分离漩涡形成稳定 的对称形式以提高飞机在大迎角机动时的稳定性，或者非对称形式以产生附加的 侧向力。传统的方法不能根据流动的实际变化情况采取相应的控制形式，属于被 动的流动控制，如果能够利用微传感器阵列对机身前体的流动特征进行监测，并 将处理结果反馈给执行器单元，由执行器对流动实施控制，那么就可以提高战斗 机在大迎角机动时的稳定性和机动性，增强其在空战中的生存力。如图1 5 所示 为大迎角下飞机前体的分离背涡，利用镶嵌在机头表面的微电子机械系统( m e m s ) 对其发展和变化情况进行实时的监测和控制，由微传感器阵列探测到背涡的分离 线，判断出两个背涡之间的对称情况，由执行器反馈控制两个背涡之间的关系， 从而产生或者消除附加的横向控制力。如图1 6 所示，在大迎角下，飞机的尾翼 处于分离漩涡中，其控制效率相当低，在这种情况下要进行滚转机动只有依靠前 体的附加横向控制力n 钔。 图1 5 前体分离背涡图1 6 战斗机1 8 0 0 滚转机动 基于m e m s 的微小器件运用到流体力学的研究之中，采用具有更高时间分辨 率和空间分辨率的微型传感器单元或者阵列对高r e y n o l d s 数下的流动进行测 量，采用低成本、可批量生产的微型执行器单元或者阵列对流动进行控制，以及 采用微型传感器阵列、微型执行器阵列以及微处理单元集成在一起的微型系统对 流动进行实时监测、处理和闭环反馈控制，不仅可以揭示流动机理，如测量高 r e y n o l d s 数下湍流边界层内微小尺度和拟序结构，而且在实际的应用中具有很 7 山东大学硕士学位论文 强的背景，如改善低r e y n o l d s 数下飞行的微小型飞行器，无人驾驶飞机的气动 性能，控制战斗机的气动力矩等n 5 1 。 微型热剪切应力传感器分布式阵列、微型执行器分布式阵列以及智能处理 单元集成在一起构成一个完整的微电子机械系统，此系统具有实时分布式探测流 动状态，实时处理信息，以及反馈主动控制流动特征的特点，作为一种新的智能 化的控制模式，对于控制和利用复杂流动具有广阔的前景。 1 2 基于m e m s 技术的流体测量与流体主动控制技术的研究进展 1 2 1 国外研究现状及其分析 国外基于m e m s 技术的流体技术的发展情况相当迅速，主要是国外各国政府 都投入了大量的资金，特别是军事部门确立了很多预研项目，主要是针对其在军 事中的应用，很多的大公司也投入了很多财力进行这方面的研究，主要是针对 m e m s 广阔的应用前景。例如在1 9 9 3 年，a d i 公司成功地将基于m e m s 的微型加速 度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着m e m s 技术商品化的开端。i b m ， 日本精工爱普生，美国的a e r o v i r o n m e n t 公司，m a r t i n 公司，以及很多有名的大学， 研究所( 如f l o r i d a 1 ，n o t r ed a m e n 6 ，m i c h i g a n n 7 1 ，m i t 蚓，u c l a c a l t e c h 1 9 - 2 2 , 狰矧 等) 都在进行这方面的研究工作。日本和德国主要是进行细微加工技术和微系统 方面的研究工作。 将m e m s 系统应用到航空航天飞行器及其流动控制方面，在近二十年以来， 国外已经作了大量的研究工作，主要涉及到以下的几个方面： 美国军方，包括空军和海军都投入了大量的资金用于微型飞行器( m a v ) 和 小型无人机( u a v ) 的预研工作，美国国防高级研究项目计划署( d a r p a ，d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e ta g e n c y ) 在1 9 9 7 年就投资3 5 0 0 万美元用于研制微型 飞行器，目前已经取得了相当的成果，这部分工作主要是 h u c l a 和c a l t e c h 研究 小组进行的。 欧洲在9 0 年代开始了有关名微b r i t e e u r a m 的航空m e m s 应用方面的研究工 作啪1 ，目的是探索基于m e m s 的流动控制技术在航空工业方面应用的可行性，以及 其应用前景。他们分三步进行了该计划( 初步评估、详细的设计阶段和实验验证 阶段) 。 u c l a 和c a l t e c h 研究小组在m e m s 应用于流动测量和控制方面的研究处于领 8 山东大学硕士学位论文 先位置，已经取得大量的研究成果，代表了此领域的国际研究水平，下面主要结 合u c l a 和c a l t e c h 研究小组的研究思路、进展情况分析国外的研究现状h 引。 a ) 微型剪切应力传感器的研究进展 微剪切应力传感器主要用来测量流体对壁面施加的剪切应力分布从而了解 流体的流动特性，然后把信号传输给微型执行器，以此来实现对流体的控制。 为了测量流体流动状态，1 9 9 4 年，y u c h o n gt a i ，c h i h - m i n gh o 心h 卅咖等利 用p s g 湿法牺牲层腐蚀工艺设计制造了一种热剪切应力传感器( 如图1 7 所示) ， 它是由磷掺杂后的多晶硅电阻条作为热源和热敏元件，尺寸是2 | lm 宽，8 0 | im s i n 腐蚀孔 窟蚀沟遁 窟蚀肉遒 t 体一 l 篇t i l lt m 黼 r _ 一霄嚣竺逐 紫。 锰商 ： 爹毒 鹱 一毳奄蠹囊 ，j 镬赣 融 阻条缸： 气 l r 口 。= 么 嘉完密 正正j s i 0 2 鸟嘴 图1 7 热剪切应力传感器的俯视侧面图图1 8 热剪切应力传感器的工艺流程图 2 0 0 um 长，0 4 5pm 厚，经过掺杂后，方块电阻为5 0 q ，对于不同长度的电阻条 在室温下典型的电阻值是1 2 5 5 kq 。每个电阻条都位于一个真空腔上横膈膜的 中间，空腔大小为2 0 0 2 0 0 x 2um s ，横隔膜厚1 5 um ，空腔内气压小于4 0 p a 。 电阻条由宽度为l o um 的金属导线连接到外部电极。这种传感器最新颖的是横膈 膜下面有一个隔热真空腔，它减少了电阻条热量像衬底的散失，从而起到很好的 绝热效果。它的工艺流程如图1 8 所示。对此热剪切应力传感器的动态性能测试 以及理论分析表明：相对于无隔热空腔，和有非真空隔热空腔，此传感器的灵敏 度显著高于前两者，在c t 模式下，灵敏度可达7 0 m v p a ，动态时间响应常数为 7 2l as 。 1 9 9 6 年，为了进一步测量流体流动过程中剪切应力的分布情况，进一步揭示 9 薯习吕一酋 生查奎兰! ! 圭兰堡堡塞 近壁面流动情况，f u k a n gj i a n g “。”1 等将微热剪切应力传感器单元集成为传感器 图1 9 ( a ) 为热剪切应力传感器阵列芯片 ( 白色的小方框为传感器单元)图1 1 0 剪切应力分布轮廓图 ( b ) 传感器单元的s e m 扫描图。 阵列。如图1 9 5 示。传感器芯片l c m 宽，3 a m 长，2 5 0um 厚，它由7 5 个单元平行 排成3 y i j 组成，阵列间相距5 唧，单元阃相距3 0 0 p m ，如图1 9 ( a ) 所示。这块传 感器阵列主要是针对r e y n o d s 数约1 0 0 0 0 的湍流流动而设计的，因而在流动的纵 向可以从一个快速条纹中获得至少4 个数据点，而在流动的横向可以从一个快速 条纹中采集到至少3 个数据点。对此集成传感器阵列的测量和校测结果表明：在 c t 模式下其频响带宽可以达到3 0 k h z ，典型的截至频率为l o k h z ，典型的分辨率为 1 5 m v p a ，足够进行r e y n o l d s 数约1 0 0 0 0 的湍流流动的测量；如图11 0 所示是测量 得到的壁面剪切应力分布轮廓图，结果显示在不同的来流速度下快速条纹的尺度 各异，高速( 2 0 m s ) 情况下的快速条纹显然比低速( 8 m s ) 情况下的更细，且 分布更加密集。针对不同的r e y n o l d s 数测量和校测得到了所期望的在c t 模式下输 出电压和剪切应力的1 3 次方成线性关系。 1 9 9 7 年，为了能实现在三维物体上测量实时剪切应力分布情况，f u k a n g j i a n g ，v uc h o n gt a i ”14 ”1 等利用新的h e m s 技术制造出了柔性聚亚酰胺表皮， 并在此基础上研发出了柔性热剪切应力传感器阵列，并将其应用到飞机三角翼前 缘，对三角翼前缘分离点进行探测。如图1 1 1 所示是柔性热剪切应力传感器阵 山东大学硕士学位论文 列的照片，其长度为3 c m ，宽度为l c m ，包括两列分别具有3 2 个传感器的阵列， 在每- - n 中各个传感器之问的距离为6 3 5um ，此柔性阵列中还包括了很多其他 的测试装置，总共的传感器数量大于1 0 0 个。两列传感器阵列相距5 m m ，它们的 连接头都一直延伸到柔性表皮的边缘，这样安排传感器的目的是便于将它安装在 直径为1 3 c m 的三角翼前缘半圆柱表面( 如图l _ 1 2 ，1 1 3 所示) ，使得每个传感 器单元对于半圆柱前缘的角分辨率为5 6 0 。他们将两片柔性传感器阵列相连安装 在三角翼模型前缘进行了风洞试验测量，如图1 1 3 ( b ) 所示为迎角3 0 0 ，来流 速度3 0 m s 时不同位置的传感器输出结果( r m s 值) ，从图中可以明显的看出分 离点的位置约为8 0 0 ，这是第一次在实验中实时地测量得到了分离位置。 图1 1 1 柔性剪切应力传感器阵列 舅 引 ( a )( b ) 图1 1 2 ( a ) 铺设在圆柱体上的柔性剪切应力传感器表皮 ( b ) 铺设在三角翼半圆柱表面的柔性剪切应力传感器表皮 山东大学硕士学位论文 一一d 】6 一 ；1 2 ； l 8 分离点 8 0i c o ( 度) ( a )( b ) 图1 1 3 ( a ) 柔性剪切应力传感器阵列位于三角翼上 ( b ) 分离位置的探测 为了验证柔性热剪切应力传感器阵列表皮在实际飞行中的应用，如图l _ 1 4 所示 为流动分离探测系统在无人驾驶飞机一u a v ( g r y p h o n ) 上的飞行测试试验啪3 。飞 行试验结果表明：安装在u a v ( g r y p h o n ) e 的流动分离探测系统可以在不同的 飞行速度( 例如1 7 5 m s 和1 l m s ) 和不同的飞行迎角( 如1 0 。和2 4 。) 下探测到 前缘的分离位置( 与前面的飞行速度和迎角对应的分离位置分别为1 2 5 0 和1 0 0 0 ) 。 圈1 1 4u a v 上的流动分离测试系统 b ) 微型执行器的研究进展 微型执行器主要通过它本身的偏移对流体施加一定的作用来达到改变流体 的动力特性的目的，从而实现壁面边界层减阻和三角翼飞行器前缘涡层流控制。 为了实现飞行器壁面边界层减阻的目的，1 9 9 4 年，l i uc 。“1 等利用牺牲层腐 蚀工艺技术加工出了一种微磁执行器或磁拍动片，即第一代微型执行器。如图 1 1 5 所示。磁拍动片由位于一测的两个悬臂粱或者位于四角的四个蜿蜒悬梁支 撑，金属线圈就位于拍动片的平面上，拍动片的尺寸为2 5 0 9 0 0um ，梁的长度为 敬的 柏1 恻 口 加底 从 山东大学硕士学位论文 金属腐蚀金属 粘连点 毳箍群磊苗衬底 饕舻 糍馥箍豁 ( 岬j( 1 - )( i 岫)l i l 脚j 加o 加o i 加1 4 了s 3 舶o1 sl o 舶 3 铀 狮1 43 & 臼3 绷胡一蠲5 柏 图 1 1 5 ( a ) 拍动片的透视图图1 1 6 不同尺寸拍动片在外加磁场的偏移 ( b ) 拍动片的截面图 1 0 0 3 6 0pm ，宽度为1 4 5 0u m 。拍动片为双层结构由掺杂的多晶硅和氮化硅组成， 并且多晶硅层直接作为电流输入输出端之一。将通电的拍动片( 金属线圈) 放置 在外部电磁场中，则拍动片受到电磁场力的作用，会产生偏斜振动。经过测试， 在外部磁场作用下，拍动片在垂直方向上的偏移大于1 0 0um ，共振频率为1 k h z ， 磁力为1 1 0 6 n 。虽然这个偏移位移已经达到减阻的效果，但由于通电多晶硅层 充当电阻发热使拍动片在未加外部磁场时就有了很大的热偏移，并且由于多晶硅 与氮化硅的本征应力差异也会导致拍动片的偏移( 如图1 1 6 ) ，这些都是不希望 发生的。所以，这个器件还有待改进。 1 9 9 4 年，t s a ot 哳1 等在第一代微磁执行器的基础上，制作了第二代微磁执 行器( 如图1 1 7 ) 。通过改进执行器结构，新的执行器不仅避免了第一代微型执 行器出现的问题，而且使微型执行器在无外加磁场下，能自主产生偏移，从而能 与微传感器实现结合形成独立的系统。 燮翱警 生查查兰塑圭兰堡垒塞 震 图i 1 7 第二代微磁执行器的俯视图图i1 8 ( a ) 截面图 ( b ) 俯视图 在第一代执行器中，使拍动片发生偏移的是外部电磁场，在第二代执行器中，拍 动片以及它下面的空腔被另一个线圈所包围，这个线圈被用来产生磁场以代替外 部磁场。正是由于有了这个外部线圈，使得集成微型执行器和微传感器于同一芯 片上成为可能。在结构上，放弃使用多晶硅，采用一种架空的金属线桥来实现线 圈的闭合( 如图i1 8 ) ，从而使得应力问题，热膨胀问题都得到解决。 为了实现对三角翼匕行器前缘涡层流的控制，1 9 9 5 年，c h a n gl i u 等。”3 制 作了透磁合金微型执行器阵列来控制无尾三角翼飞行器前缘涡。如图1 1 9 所示。 如图l2 l 是它的工艺流程囤，先在多品硅上形成图形和腐蚀孔，以光刻胶为模板， 瞪 目0 墨菌臣；i 目 一j _ _ 。 疆匦d 疆圃 图11 9 两个悬臂梁支撑的透磁台金微型执行器 幽i2 0 执行器在外部交变电磁场的 作用卜产生偏斜振动 真空蒸发2 0 n m c r * 1 8 0 h m 的c u 做为种子层，并利用电镀的方法在其上电镀一层厚 的电磁合余( n i f e ) 。最后利用牺牲层1 ：艺释放拍动片。此执行器在外部交变 谚秘 、务 鱼 = 一 = 山东大学硕士学位论文 电磁场的作用下产生偏斜振动如图12 0 所示，对透磁台金磁执行器的测试结果表 明：振动片的最大偏斜角大于6 0 0 ，垂直偏斜位移达到卜2 m m 的数量级，磁力和流 动载荷约为几百“n 的数量级，将此执行器线性阵列镶嵌在三角翼前缘进行的风 洞试 图12 1 微透磁合会执行器工艺流程 验证明执行器的振动能够产生滚转力矩，其试验设计如图1 2 2 所示，作用效果流 动显示如图1 2 3 所示，在图1 2 2 的实验中，微执行器阵列被安排在三角翼的右侧 前缘，( a ) 图所示为机翼迎角在5 0 0 时的流动显示结果，此时右侧的分离漩涡涡 核向外移动，产生正的滚转力矩，( b ) 图所示为机翼迎角在8 矿时的流动显示结 果，此时右侧的分离漩涡涡核向内移动，产生负的滚转力矩，试验结果也表明执 行器对两侧分离漩涡的控制是相互独立的。 通过以上的努力，人们可以确定通过利用壁面微执行器阵列是可以对飞行器 进行控制的，但上述微执行器都是被设计用于风速小于5 0 m s 的风洞测试，而对 于真正的高速飞行器或者速度大于5 0 m s 的风洞测试，这些微执行器的悬臂都会 发生断裂，如果单纯加