【正文】 得到均勻致密的聚對二甲苯薄膜。 利用聚對二甲苯和硅酮橡膠的復(fù)合物，由于硅酮橡膠對聚對二甲苯有較弱的粘附性，可以利用一層聚對二甲苯作為釋放層，形成一層大面積的懸浮硅酮橡膠薄膜，避免了侵蝕犧牲層帶來的不利影響。 主要有體微加工工藝、表面微加工工藝、深度反應(yīng)離子刻蝕（ DRIE）技術(shù)、 LIGA 技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)等 [15][16]。通氣孔為 。為使可有效致動薄膜部分的邊緣處有足夠?qū)挼母街鴰?，設(shè)定氣泡之間的間隔距離為 。 在一定范 圍內(nèi)，微致動器的寬度越大，相同氣壓下氣泡的變形位移相對越大；或者說 ,產(chǎn)生相同變形位移時，薄膜越寬其塑性變形越小。為了減少微氣泡驅(qū)動器上層的硅片晶體在加工過程中的破裂以及使得最終的微氣泡驅(qū)動器更加堅固，我們將壓縮空氣的槽開在微氣泡驅(qū)動器下層的基板上。重要的是這種材料能在較小力的作用下產(chǎn)生毫米級的形變，目前的技術(shù)能將硅酮橡膠與硅很好的結(jié)合起來，美國的加州大學(xué)洛杉磯分校已經(jīng)對此進行了研究，硅酮橡膠材料的具體參數(shù)如下表。當(dāng)微致動器處于非工作狀態(tài)時（未充氣體時）具有與彈體表面平整的外形；當(dāng)處于工作狀態(tài)時，在壓力氣體作用下，由硅酮橡膠構(gòu)成的微氣泡外殼發(fā)生膨脹，向外凸出一定位移（ 1~2mm），從而實現(xiàn)對氣流的擾動，圖 1 是其工作示意圖。以某彈丸為背景，根據(jù)陀螺穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性、追隨穩(wěn)定性的判定條件，來驗證微氣泡彈丸氣動外形是否合理。根據(jù)外彈道理論，對制動彈在飛行過程中的受力進行了分析，建立了制動彈的剛體彈道模型，結(jié)合四階龍格庫塔方法，對制動彈外彈道仿真，得出不同狀態(tài)下的修正能力，并進行了對比分析。以某炮彈為背景， 根據(jù)空氣動力學(xué)原理，應(yīng)用計 算流體軟件 Fluent 模擬了不同氣泡結(jié)構(gòu)在彈丸不同安裝位置時的擾流流場，并對其結(jié)果進行了對比分析。采用有限元分析方法對氣泡靜力變形進行數(shù)值計算，分析了輸入壓力和氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對氣泡靜力變形的影響。包括微氣泡制動器薄膜材料的選擇，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、工藝設(shè)計，微氣泡制動器在彈體前緣的配置結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)的飛行器一般使用副翼、升降舵、垂直尾翼等控制方式，本文采用的微氣泡制動器控制，屬于 MEMS 范疇，采用微氣泡制動器控制彈體表面氣流的流動狀態(tài)，從而控制彈丸的飛行軌跡，這種控制 實現(xiàn)了飛行器控制技術(shù)的新變革，加速了微致動器在流動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，可以顯著提高飛行器的機動和操控性能，并將加速我國微型飛行器集成化、微小化的進程。微氣泡致動器已在 F15 機翼上進行初步試驗，實驗結(jié)果表明，在微氣泡制動器的作 用下， 飛機可實現(xiàn)俯仰、偏航等動作，在最大速度 ，溫度變化 41℃ ~78℃的條件下，初步驗證了 MEMS 裝置能在較惡劣環(huán)境下正常工作。 在這一方面，尤其以美國加州大學(xué)洛杉磯分校的進展最為顯著 [13]，這種微氣泡制動采用 硅酮橡膠材料，利用其較好的機械性能如低模量，高延展率以及良好的密封性，因此能夠滿足微致動器工作的需求。磁性制動器如圖 所示，磁性制動器主要利用磁力來驅(qū)動透磁合金的擺動，這種毫米級大小的微致動器可以產(chǎn)生較大的力和非平面擺動位 移 (12mm)，磁性制動器已經(jīng)被安裝在飛機的三角翼前緣進行試驗，通過透磁合金的擺動的可調(diào)整機翼表面的氣流 [12]，進而調(diào)整飛機的飛行姿態(tài)，風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，這種磁性制動器的致命弱點是承載能力差，當(dāng)風(fēng)速超過 50 米 /秒時，磁致開關(guān)的懸臂梁會發(fā)生折斷，因此如果這種磁性制動應(yīng)用于航空領(lǐng)域還需進一步的改進。隨后，一些西方國家也開始了微致動器陣列和微傳感器陣列結(jié)合用于流體動力學(xué)控制的研究，最后形成了MEMS 技術(shù)的最新研究領(lǐng)域，基于 MEMS 技術(shù)的流動主 動控制技術(shù)，這方面的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域。然而，現(xiàn)在大部分微制動器還處于研究階段，因此，提高微致動器器件的性能是市場化的主要趨勢。熱氣動微執(zhí)行方式是利用流體加熱時發(fā)生體積膨脹來實現(xiàn)執(zhí)行動作 [10]。與電、磁兩種微執(zhí)行方式不同，熱執(zhí)行方式原則上只適用于制備可變形結(jié)構(gòu)型微執(zhí)行器，在熱執(zhí)行方式中，比較 引人注目的是雙金屬、形狀記憶合金和熱氣動。其工作原理如圖 所示。當(dāng)上、下導(dǎo)電硅之間加上電壓后，由于靜電引力，使彈性模向上變形，從而產(chǎn)生垂直于基板平面方向的驅(qū)動力。 表 微型機械不同制動方式特點 制動類型 壓力 行程（位移） 相應(yīng)時間 可靠性耐久性 壓電 大 小 快 好 靜電 小 很小 很快 很好 電磁 小 大 快 好 熱氣動 大 一般 一般 好 雙金屬 大 一般 一般 足夠 壓力：很大（ pcmk gf ?2/100 ），大（ 22 /1 0 0/1 cmk g fpcmk g f ?? ）， 一般（ 22 /1/ cmk g fpcmk g f ?? ），?。?2/ cmkgfp ? ） 行程：大（ dm??100 ），一般（ mdm ?? 10030 ?? ），?。?mdm ?? 3010 ?? ），很?。?md ?10? ） 響應(yīng)時間：很快（ mst ? ），快（ mstms ?? ），一般（ stms 11 ?? ），慢（ ts?1 ） 各種致動方式的對應(yīng)的典型致動器如表 所示 [7]。例如，壓電式馬達或超聲馬達可以通過兩馬達材料之間產(chǎn)生的逆壓電效應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)，微氣泡制動器的凸起可以通過壓力效應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)，磁性驅(qū)動器可以通過電磁效應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)。微致動器是 MEMS 的重要組成部分，在微機械研究領(lǐng)域起到了不可替代的作用，微致動器的動作可以利用能量轉(zhuǎn)換，將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能，使其達到驅(qū)動的目的。 MEMS 的 發(fā)展 會開辟許多新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，由于其 微型化、集成化 會帶來許多 新原理、新功能元件和系統(tǒng) 的探索 ， 目前，形成使用的產(chǎn)品是一些微傳感器、微執(zhí)行器等微結(jié)構(gòu)裝置，這些產(chǎn)品能夠到達人類以前無法進入的許多領(lǐng)域，對生物醫(yī)學(xué)、機器人、汽車、航天、航空、軍事等領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響， 21 世紀 MEMS 將走向?qū)嵱没?，因此未來發(fā)展的市場前景是十分寬廣的。 微電子 器件 、 微執(zhí)行器和微傳感器的集成可制造出穩(wěn)定性、可靠性很高的 MEMS。 3）批量生產(chǎn)： 在一片硅片上可以利用硅微加工工藝制作成上百個或上千個完整的 MEMS 裝置 ,大大降低了 MEMS 的制造成本。 2）以硅為主要材料，硅的熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢 ， 密度類似鋁，強度 、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng) ，具有良好的 機械電器性能 。 MEMS(微機電系統(tǒng) )最初大量用于汽車安全氣囊，而后以 MEMS 傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個領(lǐng)域，隨著 MEMS 技術(shù)的進一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端 “ 輕、薄、短、小 ” 的特點，對小體積高性能的 MEMS 產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了 MEMS 產(chǎn)品的身影 [4][5]。微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué) 創(chuàng)新思維 的結(jié)果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進與革命。 微機電系統(tǒng)的優(yōu)點是 [3]：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉等優(yōu)點。它的學(xué)科面也擴大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學(xué)的各分支 [1]。 MEMS 技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料，因此從制造技術(shù)本身來講， MEMS 中基本的制造技術(shù)是成熟的。 第 1 章 緒論 微型機電系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 微機電系統(tǒng)（ MEMS, MicroElectroMechanic System）是一種先進的制造技術(shù)平臺。它是以 半導(dǎo)體制造技術(shù) 為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。但 MEMS 更側(cè)重 于超精密機械加工 ，并要涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。 微機電系統(tǒng) 是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中后期崛起以來發(fā)展極其迅速，被認為是繼微電子之后又一個對國民經(jīng)濟和軍事具有重大影響的技術(shù)領(lǐng)域，將成為 21世紀新的國民經(jīng)濟增長點和提高軍事能力的重要技術(shù)途徑 [2]。、性能穩(wěn)定等。微機電系統(tǒng)是當(dāng)前交叉學(xué)科的重要研究領(lǐng)域，涉及電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學(xué)技術(shù)工程 ，將是未來國民經(jīng)濟和軍事科研領(lǐng)域的新增長點。 MEMS 的特點是： 1）微型化： MEMS 器件重量輕、體積小、慣性小、耗能低、響應(yīng)時間短、諧振頻率高。 硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。 4）集成化：可以把致動方向 、 不同功能 或 不同敏感方向的多個執(zhí)行器或傳感器集成于一體，或形成微執(zhí)行器陣列、微傳感器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。 5）多學(xué)科交叉： MEMS 涉及機械、制造、電子、材料、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。 基于 MEMS 的微制動器 微致動器 (Microactuator)又稱微執(zhí)行器或微驅(qū)動器，是能夠產(chǎn)生和執(zhí)行動作的一類微機械部件或器件的總稱。 微致動器的動作可以利用多種物理效應(yīng)實現(xiàn)，常用的執(zhí)行方式有壓力效應(yīng)、電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和靜電效應(yīng)。除此之外，光制動、超 導(dǎo)制動、凝膠等高分子制動、超聲波制動、行波制動、電液制動等技術(shù)也在微致動器領(lǐng)域得到應(yīng)用，下表 列出了應(yīng)用較廣的幾種微致動器制動類型和特點 [6]。 表 微制動器及其制動方式 制動方式 典型器件 壓電 微泵、微閥、磁盤驅(qū)動器伺服系統(tǒng) 靜電 微電機、微閘、微鏡、微掃描器、微繼電器 電磁 微繼電器、微泵、微閥 熱膨脹 微閥、微夾持器 熱氣動 微泵、微閥、打印機噴頭 形狀記憶 微閥、光纖開關(guān) 電磁微執(zhí)行方法是靜電、壓電和磁的執(zhí)行方法，自從集成電路工藝提供導(dǎo)電和絕緣材料的廣泛選擇范圍之后，靜電執(zhí)行的實現(xiàn)逐漸成為可能，靜電型可變形膜微執(zhí)行器，在上、下 兩片導(dǎo)電硅中，用絕緣材料形成空氣間隙，在下面的硅基體中形成一個很薄的彈性模 [8][9]。靜電執(zhí)行方式還可產(chǎn)生基板平面內(nèi)的運動。 圖 靜電型可變形膜微執(zhí)行器的工作原理圖 與靜電執(zhí)行方式一樣，磁執(zhí)行也可用于可變形結(jié)構(gòu)型和機械結(jié)構(gòu)型兩種微執(zhí)行器中，大部分電磁型微馬達使用的是磁執(zhí)行方式。雙金屬微執(zhí)行方式利用夾心層材料元件的熱膨脹系數(shù)之間的失配而產(chǎn)生力或位移，形狀記憶合金是一種具有形狀恢復(fù)特性的金屬，這種金屬當(dāng)在某一溫度下塑性形變，當(dāng)他們升到較高溫度時，將完全恢復(fù)原先的形狀，在恢復(fù)形狀時，這種金屬所產(chǎn)生的位移或力或兩者的結(jié)合將是溫度的函數(shù)。 上面已經(jīng)介紹了電、磁、熱等各種微執(zhí)行方式，它們各具優(yōu)點，可用于各種不同的情況，衡量某種微執(zhí)行方式的優(yōu)劣主要應(yīng)該由實際使用效果來決定，但其中一個重 要的因素是要考慮這種執(zhí)行方式能產(chǎn)生的力或機械能的大小。 微制動器在流動控制中的應(yīng)用 20 世紀 90 年代初，美國的研究人員已經(jīng)提出了這樣的設(shè)想，將 MEMS 微致動器陣列應(yīng)用于流動控制中，這種設(shè)想得到了美國軍方的支持，繼而一些研究人員開始了微氣泡微致動器在流動控制中的研究 [11]。 在湍流邊界層中微氣泡驅(qū)動器通過控制主動氣流來控制飛行器，過去的研究已經(jīng)證明了一些方法的可行性， 1997 年前后，一些研究人員已經(jīng)研究了微致動器的使用，這些微致動器可以安裝在可展開機翼上或者火炮彈體的軀體上，絕大多數(shù)的制動器是為了干擾流體的流向，在一定程度上來引起沿該表面的局部靜態(tài)壓力的變化，這些制動器包括磁性制動器，微氣泡制動器。 圖 磁性制動器制動原理示意圖 相對而言，近年來研究的一種健全的、大偏轉(zhuǎn)、抗沖擊的微氣泡驅(qū)動器，如圖 所示，微氣泡制動器彌補了磁性驅(qū)動器的弱點，提高承載能力，因此微氣泡制動去有望實現(xiàn)對火炮、微型飛行 器、飛機等空氣動力控制。當(dāng)微氣泡制動作用于三角翼前緣或彈體頭錐時，通過控制微氣泡制動器內(nèi)氣體的壓強，來調(diào)整微氣泡制動器的收縮與膨脹，利用微氣泡的膨脹對氣流進行擾動產(chǎn)生力及力矩分量，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的副翼和尾翼等剛性控制表面，使飛行器具有更靈活的操控性能。 圖 微氣泡制動器 論文研究內(nèi)容及意義 本論文擬將微致動器組成陣列安裝于彈體前緣，利用其微小形變來擾動邊界層分離，從而實現(xiàn)彈丸兩側(cè)壓力的不對稱，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，偏航和俯仰等空中機動動作。 論文主要研究內(nèi)容包括： （ 1）彈體前緣微氣泡制動器陣列排布設(shè)計。 （ 2）微氣泡制動器數(shù)值模擬與分析。 （ 3）制動彈繞流流場數(shù)值模擬分析。 （ 4）彈道方程的建立與修正能力分析。 （ 5）彈丸飛行穩(wěn)定性分析。 第 2 章 微制動器陣列 設(shè)計及仿真 工作原理 微氣泡致動器組成陣列安置在彈體的頭錐前緣，通過控制微氣泡的收縮與膨脹可以控制氣流在彈體表面的流動狀態(tài)。 圖 在壓力氣體作用下微氣泡產(chǎn)生致動 微氣泡制動器陣列設(shè)計 微氣泡薄膜材料 微氣泡制動器結(jié)構(gòu)中微氣泡薄膜是關(guān)鍵的部分，根據(jù)微氣泡工作原理，要 求微氣泡在充入氣體的情況下能迅速產(chǎn)生變形，并且要承載一定的載荷，研究表明[14]，硅酮橡膠材料具有良好的機械性能能夠滿足這種需求，這種材料延展率高、模量低而且具有良好的密封性。 表 MRTV1 的性能參數(shù) 混合粘度 (cPs) 60， 000 硬度 ShoreA24 抗張強度 (PSI) 500