一种全柔性气泡致动器及其制作工艺

　　随着微机电系统(MEMS)技术的发展,微小型器件用于主动流动控制成为可能^[1]。气泡致动器采用MEMS工艺制作,具有质量轻、变形大、响应速度快、功耗小等优点,成为一种新型的致动器件^[2]。1998年,C. Grosjean等^[3]在硅基底上采用刻蚀、粘接工艺制作了一种气泡致动器,测定了压力与弹性薄膜的变形关系,风洞试验说明了气泡致动器能够辅助飞行器完成翻滚、偏航等动作。

　　由于基底硅为刚性,因此该致动器无法弯曲变形,其使用受到了限制。在此基础上,2001年,A.Huang等^[4]研制了一种在柔性金属箔上制作的气泡致动器,可弯曲变形,粘贴在加工有气体通道的翼型表面,经过无人机搭载试验,证明了气泡致动器的致动效果。2008年,X.S.Wu等^[5]采用微铸造工艺研制了一种带有“内骨骼”的新型气泡致动器,通过“内骨骼”限制弹性薄膜膨胀变形的方向,提高了气泡弹性薄膜变形的可控性。气泡致动器的发展进程说明该器件正在向着柔性化、精密化和可控化的方向发展。

　　上述文献主要关注气泡致动器的致动效果,未关注该器件的核心结构弹性薄膜的制作,弹性薄膜厚度不均会导致变形不规则,影响气泡致动器的精密化;制作气泡致动器的过程中,通过粘结剂将含有气体通道的基底与弹性薄膜粘接,易出现高压气体泄露;气泡的变形规律通过试验测定,测试周期较长,精度不高;未从理论上对气泡的变形特性进行分析,影响了气泡致动器的可控化。

　　因此,弹性薄膜的厚度一致、器件整体柔性以及气密性是影响气泡致动器使用的关键问题。本文重点对弹性薄膜的成形工艺、致动器的整体制作工艺进行改进,同时在理论上对弹性薄膜的变形特性进行研究,以期获得高质量的气泡致动器。

　　1　气泡致动器的工作原理

　　气泡致动器安装于飞行器的机体表面或翼型表面,通过微传感器阵列检测表面的气动参数分布,由逻辑处理单元计算出边界层分离点的位置,并向致动器阵列中的特定单元发送指令,驱动对应位置处的气泡致动器动作,从而对周围流场进行控制,达到延迟流动分离、降低气动阻力和提高机动性能等^[6-7]。

　　典型的气泡致动器系统由储气装置、气体管路、电磁阀以及致动单元组成。储气装置储存高压气体,用于驱动气泡致动器的弹性薄膜发生变形;气体管路用于输送高压气体;电磁阀控制气路的通断;致动单元中的弹性薄膜在高压气体的作用下发生膨胀,形成气泡,从而完成对周围流体的致动作用。气泡的形成机理如图1所示。

　　弹性薄膜厚度的一致性会影响其在压力作用下变形的规则性,因此在制作弹性薄膜的过程中应严格控制工艺参数。