一种微气泡型MEMS作动器研究

　　基于 微 机 电 系 统 (Micro- Electro- MechanicalSystems, MEMS)技术制作的器件, 具有体积小、重量轻、功耗低的特点, 这种器件在航空航天领域具有广阔的应用前景。采用基于 MEMS 技术制作的作动器具有极小可控干扰, 可实现对空气运动的控制, 为提高飞机的稳定控制提供极具潜力的技术手段。通过微作动器产生气动扰流, 可实现对流动的实时控制,从而实现对微型飞行器的飞行姿态控制[1]。MEMS 微型作动器及其阵列用于飞行器气动控制已成为一个重要研究方向。

　　本文基于 MEMS 技术制作微气泡作动器, 作动器通过作动动作扰动边界层流动状态, 从而实现宏观气动控制。选择 NACA0012 翼型和三角翼进行了数值计算, 研究微气泡作动器在不同布置方式下对翼型性能和三角翼控制力矩的影响, 探索应用微作动器来控制前缘涡流并由此提供足够的力矩用于飞行控制的可行性, 以期用 MEMS 作动器进行飞行器的气动力控制。

　　1 气泡型微作动器

　　1.1 工作原理

　　微气泡作动器组成阵列排布在三角翼机的前缘上, 在边界层尺度范围内, 气泡产生收缩和膨胀动作。微作动器在非工作状态下(未充气体时)具有平整的外形; 工作时, 在气体压力作用下, 由弹性薄膜材料构成的气泡外壳发生膨胀, 向外凸出微小位移,产生具有平滑外形的气泡, 实现对气流的扰动, 如图1 所示, 基底材料为柔性金属, 中间黑色层为隔离层。

　　1.2 气泡薄膜材料

　　产生变形的薄膜是微气泡作动器的关键结构,这层薄膜需要在充气的情况下能迅速发生较大变形并能承受一定的载荷。作动器采用一种橡胶材料, 这种橡胶具有较好的机械性能, 它具有低模量、高延率以及良好的密封性, 因此能够满足微作动器工作的需求。其弹性模量在 0.5Mpa 左右, 伸长率约为1000%, 这种材料在较小的作用力下就能产生毫米级的垂直位移。

　　1.3 结构尺寸

　　为了保证作动器对被控气流产生有效的扰动作用, 微作动器的宽度和垂直方向变形位移都要保证在一定范围内。微气泡薄膜的厚度小于 0.5mm, 单个作动器做成细长结构。为使作动器坚固稳定, 有效作动薄膜部分的边缘处要有足够宽的附着带, 气泡之间的间隔距离小于 1cm。隔离层周边拐角处采用平滑圆角, 以减小应力集中, 避免弹性薄膜脱落。通气孔为毫米级的圆孔, 以保证作动器作动频率。

　　1.4 加工工艺

　　经过曝光、显影、刻蚀、去膜工艺加工弹性气泡薄膜。在柔性衬底上沉积一层薄膜材料, 充当防止粘连的隔离层, 隔离层材料的选择要保证它和气泡材料的粘附作用非常微弱。然后涂敷微气泡弹性外壳材料, 在基底的背面刻蚀连接高压气体的通气孔。