專利名稱：柔性mems減阻蒙皮及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型機械和流體動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柔 性MEMS (Micro Electro-Mechanical System)減阻蒙皮及其制造方法。
背景技術(shù)：
水面及水下航行體行駛時所受到的行進(jìn)阻力包括壓差阻力、旋渦 阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常占據(jù)最大比重，對于長度 和長寬比或長徑比比較大的航行體尤其如此。因此，降低其表面摩擦 阻力具有重要意義在動力一定的條件下，降低摩擦阻力將使航行體 的航速和航程有效增加；或者反之，在保證航速和航程的前提下，可 縮減動力系統(tǒng)的體積和重量，節(jié)省空間和有效載荷，在航行體總體設(shè) 計中，提升其它子系統(tǒng)的性能。
目前減阻技術(shù)的理論和應(yīng)用研究主要集中在湍流邊界層，涉及多 種技術(shù)方案。聚合物添加劑減阻的理論研究發(fā)展很快，但其實用化面 臨成本和環(huán)保等問題。表面形貌減阻(如肋條減阻)和仿生減阻(如 柔順壁減阻)是無源減阻方式，無需致動器和功率輸入，并能夠在不 改變航行體外輪廓的前提下實現(xiàn)一定的減阻效果。但不同研究者給出 的實驗結(jié)果相差較遠(yuǎn)，局部表面摩擦阻力的降幅大多在5%到20%之 間。
表面減阻的另--有效途徑是氣泡注入減阻，通過一定的機構(gòu)向航行體與水接觸的界面以一定速度噴射氣體，變單相流為水-氣泡雙相 流，其局部摩擦阻力的最大降幅據(jù)稱可達(dá)80%。這種技術(shù)的作用原理 尚無確切定論， 一般認(rèn)為一定濃度的氣泡注入后，改變了液/固界面
附近流體的等效密度和粘度，從而降低了表面摩擦阻力系數(shù)；也有一
些最新的研究成果認(rèn)為氣泡的可壓縮性是主要原因。此外，注入氣泡 的直徑越小，與壁面距離越小，則減阻效果越好。氣體注入的方式最 初多采用多孔板，氣泡大小和分布范圍難以控制，多數(shù)氣泡對減阻是 無效的，因此所需氣流量和功耗過大，很難實際用于艦船和其它航行 體。為更精確地控制氣泡的大小及其與航行體壁面的距離，還有人提
出了采用MEMS流體控制器件制備氣泡發(fā)生器的方案。但總之氣泡 注入減阻方式需要額外的氣體噴射系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)必需持續(xù)工作， 這對航行體的動力系統(tǒng)是較大負(fù)擔(dān)；而且注入氣泡并沒有從根本上改 變固體壁面和液體的接觸狀態(tài)，就目前的研究現(xiàn)狀分析，其減阻效果 在實用中到底如何尚無可靠保證。
引入氣體的減阻方式還有一例是利用超空化原理，使得航行體在 高速行駛過程中，在其頭部發(fā)生空化生成大量氣體，形成氣膜將航行 體大部分外表面包裹，從而變液-固界面為液-氣-固界面，大大減小摩 擦阻力。但存在空化噪聲，而且需要采用特殊的發(fā)動機，且功耗極大， 雖然航速很高，但航程大大縮短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決背景技術(shù)中所述引入氣體的減阻方式存在 功耗過大、有空化噪聲及航程縮短等問題，基于利用微細(xì)駐留氣泡實現(xiàn)減阻的原理，提供一種柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于，柔 性MEMS減阻蒙皮由襯底K絕緣層2、表層3、金屬電極和引線等 構(gòu)成，蒙皮上表面是表層3，下表面是襯底l，表層3為柔性材料制 備的柔性材料薄膜，其上開孔，形成微凹坑6陣列，表層3下方，在 每個微凹坑6的底部有包括電解陽極4和電解陰極5的交錯排列微細(xì) 平面梳狀電極，陽極引線端子7和陰極引線端子8通過內(nèi)部連線分別 與每個微凹坑6內(nèi)的電解陽極4和電解陰極5導(dǎo)通，電解電極、引線 端子及其之間的內(nèi)部連線均附著在絕緣層2上，絕緣層2下方是襯 底l，襯底1是柔性材料制備的柔性材料薄膜，在對應(yīng)于陽極引線端 子7和陰極引線端子8的部位，襯底1和絕緣層2被去除，陽極引線 端子7和陰極引線端子8暴露于蒙皮下表面，是連接外部供電導(dǎo)線的 焊接部位。
所述制備柔性材料薄膜表層3和襯底1的柔性材料為聚酰亞 胺(polyimide)或聚對二甲苯(parylene)等柔性高分子聚合物。 所述絕緣層2為二氧化硅薄膜，其厚度為0.1 lpm。 所述表層3的厚度為5 250pm。 所述襯底1的厚度為5 250|iim。
所述微凹坑6的長度和寬度的尺寸均為5 250pm，深度和表層3
的厚度相同。
所述電解陽極4和電解陰極5的材料為金屬鉑。 所述陽極引線端子7、陰極引線端子8和內(nèi)部連線的材料為鉑、
金、鎳、銅或鋁等良導(dǎo)體金屬中任一種。所述電解陽極4、電解陰極5、陽極引線端子7、陰極引線端子8 和內(nèi)部連線的厚度為0.1 l|Lim。
柔性MEMS減阻蒙皮制造方法的技術(shù)方案為采用MEMS微細(xì)加 工工藝制備平面電極和微凹坑等微細(xì)結(jié)構(gòu)以及柔性材料薄膜，具體步 驟如下
步驟1)在基底硅片11上采用MEMS平面微細(xì)工藝制備絕緣 層2，然后采用MEMS平面微細(xì)工藝制備薄膜金屬圖案，形成電解 陽極4、電解陰極5、陽極引線端子7、陰極引線端子8和內(nèi)部連線；
步驟2)在絕緣層2和金屬電極上方采用柔性材料制備柔性材料 薄膜表層3;通過光刻和刻蝕形成微凹坑6陣列，并對表層3上表面 和微凹坑6內(nèi)表面進(jìn)行表面浸潤性處理，提高其表面接觸角；
步驟3)采用體硅刻蝕工藝將基底硅片11完全去除，在絕緣層2 下方用柔性材料制備柔性材料薄膜襯底1，并通過光刻和刻蝕，在對 應(yīng)于陽極引線端子7和陰極引線端子8的位置，將襯底1和絕緣層2 去除，形成連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。
所述制備絕緣層2的MEMS平面微細(xì)工藝為熱氧化或LPCVD(低 壓化學(xué)氣相沉積)工藝。
所述制備薄膜金屬圖案的MEMS平面微細(xì)工藝為光刻-濺射-超聲 剝離工藝。
所述制備柔性材料薄膜的工藝為旋涂工藝。 所述表面浸潤性處理工藝為采用含氟等離子體進(jìn)行表面改性。 所述體硅刻蝕工藝為ICP干法刻蝕(感應(yīng)耦合等離子體刻蝕)或KOH濕法刻蝕(氫氧化鉀各向異性腐蝕)等工藝。
本發(fā)明所實現(xiàn)的MEMS減阻蒙皮整體上是厚度很小的柔性薄膜 結(jié)構(gòu)，可貼附于航行體流線型曲面的表面。采用MEMS微細(xì)加工工 藝制備平面電極和微凹坑等微細(xì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)陣列駐留氣泡的生成機 構(gòu)，生成尺寸微小的氣泡附著于蒙皮表面，從而減小與流體之間的摩 擦阻力。駐留氣泡生成機構(gòu)采用表面電極的電解水反應(yīng)產(chǎn)生氣體，并 實現(xiàn)氣泡的駐留和自動補充。 本發(fā)明的有益效果是
1. 所述MEMS減阻蒙皮的各部分均采用柔性材料制備，最終得 到的結(jié)構(gòu)整體上是高度柔性的，能夠在相當(dāng)大的曲率范圍內(nèi)任意彎 折。因此，本發(fā)明所實現(xiàn)的柔性MEMS減阻蒙皮能夠貼覆于任意復(fù) 雜曲面，其應(yīng)用范圍不受航行體外表面形狀的限制。
2. 所述柔性MEMS減阻蒙皮的總厚度很小，貼覆于航行體表面 后，基本上不改變航行體外表面的形狀和尺寸，因此不會影響其水力 特性。應(yīng)用本發(fā)明所述的柔性MEMS減阻蒙皮，對航行體本體設(shè)計 的影響和額外要求很少，不僅可用于新型號航行體的研制，也可用于 舊型號航行體的升級改造。
3. 相比于表面形貌減阻、聚合物添加劑減阻和氣泡注入減阻等 減小表面摩擦阻力的技術(shù)方案，本發(fā)明所實現(xiàn)的駐留氣泡減阻方式將 液-固界面變?yōu)橐?氣界面，其減阻效果更好。
4. 所述柔性MEMS減阻蒙皮的上表面進(jìn)行了表面浸潤性處理， 具有較大的表面接觸角，且微凹坑的寬度和深度尺寸是經(jīng)過理論仿真和試驗確定的優(yōu)化值，能夠保證微氣泡在凹坑中聚集、生長、附著和 形態(tài)保持，既使在高速航行時形成的強剪切流中微氣泡仍能穩(wěn)定可靠 地駐留而不易隨水流脫離和破裂，保證了減阻效果。
5相比于氣泡注入等需要持續(xù)通電或驅(qū)動的減阻方式，本發(fā)明柔
性MEMS減阻蒙皮給航行體的供電和動力系統(tǒng)所造成的額外負(fù)擔(dān)很小。
例如注入氣泡減阻方式，如果同樣采用表面電極的電解水反應(yīng)生 成減阻氣泡，那么氣泡一經(jīng)產(chǎn)生，會立即被水流沖向下游并脫離航行 體表面，電解水反應(yīng)必需持續(xù)進(jìn)行才能維持足夠的氣流量以補充邊界
層及其附近水流中的氣泡濃度。例如，某濕周為lm、航速為50kn的 航行體，如果采用電解產(chǎn)氣的注入氣泡減阻方式，根據(jù)法拉第定律計 算可知，為保證減阻效果，即使假設(shè)氣泡始終接近航行體外表面而不 遠(yuǎn)離壁面，維持注入氣泡濃度所需的電解電流仍可能高達(dá)104 105A， 在海水中所需的電功率高達(dá)105W，在淡水中的功耗則還要再提 高2 3個數(shù)量級。對航行體的動力及供電系統(tǒng)而言，這么大的維持 電流和功耗是無法接受的。而且，實際上氣泡除隨水流向下游流失之 外，必定以--定速度和比例隨時向遠(yuǎn)離航行體壁面的方向運動，這部 分氣泡對航行體而言是沒有減阻效果的，因此需要更大的電功率。這 樣的減阻方案也就失去了實用價值。
而本發(fā)明所實現(xiàn)的減阻蒙皮能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)工作模式，當(dāng)微凹坑 內(nèi)形成駐留的減阻氣泡后，電極與水脫離接觸，電解水反應(yīng)自動中止； 當(dāng)減阻氣泡破裂或脫離后，電解水反應(yīng)自動重啟，并形成新的減阻氣泡。航行體正常行進(jìn)的過程中，已形成的駐留氣泡發(fā)生破裂、收縮或 脫離的概率很低，因此，當(dāng)蒙皮表面全部或絕大多數(shù)微凹坑內(nèi)已形成 駐留氣泡后，所需的電解電流和維持功耗很低。
6本發(fā)明所提出的柔性減阻蒙皮方案與柔性MEMS (Flexible Micro Electro-Mechanical System)技術(shù)兼容，可利用已有的材料和成 熟的加工工藝，實現(xiàn)原理設(shè)計所要求的材料特性、結(jié)構(gòu)形式和微細(xì)特 征尺寸。
7通過電解水反應(yīng)產(chǎn)生減阻氣泡，反應(yīng)過程安靜平穩(wěn)，特別是在 駐留氣泡已經(jīng)形成后，絕大多數(shù)凹坑內(nèi)的電解反應(yīng)會自動停止。因此， 相比于通過氣泡注入或超空化方式產(chǎn)生減阻氣泡的減阻技術(shù)，本發(fā)明 所實現(xiàn)的減阻蒙皮工作時產(chǎn)生的振動和噪聲很小，不會干擾航行體的 聲納等電子設(shè)備的工作，也不會形成噪聲源。
8所述柔性MEMS減阻蒙皮的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，采用金屬鉑制 備電解電極。在電解水反應(yīng)中，鉑用作陽極時是穩(wěn)定的，可長期使用 而不發(fā)生電極損耗和失效，有利于提高氣體的生成速度和氣泡的形成 速度，并且使得該減阻蒙皮可以長期反復(fù)使用，工作壽命很長，不僅 適用于一次性使用或短時運行的航行體，也適用于長期工作的水面或 水下艦船的減阻。
9所述電極引線端子暴露于蒙皮底面，所有的外部供電導(dǎo)線在蒙 皮-F方焊接并從航行體內(nèi)部走線，不會影響蒙皮和航行體外表面的形 狀尺寸和水力特性。
10所述柔性MEMS減阻蒙皮在通電情況下是主動減阻方式，如不通電，則其表面的微細(xì)凹坑陣列是一種表面形貌減阻結(jié)構(gòu)，蒙皮仍
能以無源減阻模式工作而保持一定的減阻效果。


圖1為柔性MEMS減阻蒙皮的工藝流程示例及其結(jié)構(gòu)示意圖2為柔性MEMS減阻蒙皮的減阻原理示意圖3為柔性MEMS減阻蒙皮的外觀和微觀結(jié)構(gòu)示意圖。其中，a
為柔性MEMS減阻蒙皮單元的整體外觀示意圖，b為柔性MEMS減
阻蒙皮局部微觀立體結(jié)構(gòu)放大示意圖。
附圖標(biāo)記l一襯底；2 —絕緣層；3 —表層；4一電解陽極；5 — 電解陰極；6 —微凹坑；7—陽極引線端子；8—陰極引線端子；9一減 阻氣泡*, IO —水流相對于航行體航向的流動方向；ll一基底硅片。
具體實施例方式
在綜合分析氣泡注入和超空化氣膜這兩種減阻技術(shù)的基礎(chǔ)上，本 發(fā)明提出一種新的減阻原理駐留微氣泡減阻。氣泡不是注入流體邊 界層中，而是控制其穩(wěn)定地附著和駐留在水面及水下航行體外壁表 面，大量附著的微細(xì)氣泡隔離了大部分的水-固界面，變液-固界面為 液-氣界面，從而使航行體行進(jìn)中的表面摩擦阻力得到顯著減小。結(jié)
合柔性MEMS技術(shù)，制成柔性薄膜結(jié)構(gòu)，得到適用于水面及水下航
行體的減阻蒙皮。
以下為本發(fā)明的實施例，結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的實施方式。 所述柔性MEMS減阻蒙皮的結(jié)構(gòu)如圖lc所示，由襯底l、絕緣
層2、表層3、金屬電極和內(nèi)部連線等構(gòu)成。蒙皮上表面是表層3，下表面是襯底1。表層3是采用聚酰亞胺(polyimide)或聚對二甲 苯(parylene)柔性高分子聚合物材料制備的柔性材料薄膜，厚度 為15pm。表層3上開孔，形成矩形微凹坑6陣列，長寬尺寸 為20pmX2(^m，其深度與表層3厚度相同，為15pm。表層3和微
凹坑6表面均經(jīng)過疏水處理，形成大接觸角的疏水表面。表層3下方， 每個微凹坑6的底部有交錯排列的微細(xì)平面梳狀電極，分別是電解陽 極4和電解陰極5。電解電極材料是金屬鉑，在電解水反應(yīng)中不損耗。 陽極引線端子7和陰極引線端子8通過內(nèi)部電連線分別與所有電解陽 極4和電解陰極5導(dǎo)通，陽極引線端子7、陰極引線端子8和內(nèi)部連 線的材料也是金屬鉑。電解電極、引線端子及其內(nèi)部電連線均附著在 二氧化硅絕緣層2上。用作電解電極、引線端子和內(nèi)部連線的薄膜金 屬層厚度為1500埃，用作絕緣層2的二氧化硅薄膜的厚度為3500埃。 絕緣層2下方是襯底1，襯底1也是采用聚酰亞胺(polyimide)或聚 對二甲苯(parylene)柔性高分子聚合物材料制備的柔性材料薄膜， 厚度為25jum。在對應(yīng)于陽極引線端子7和陰極引線端子8的部位， 柔性襯底1和絕緣層2被去除，使得引線端子暴露于蒙皮下表面，便 于與外部供電連接。陽極引線端子7和陰極引線端子8用于焊接供電 導(dǎo)線，提供蒙皮工作時的電解電流。圖lc中只畫出了陰極引線端 子8。陽極引線端子7的結(jié)構(gòu)與陰極引線端子8完全相同。
圖1為柔性MEMS減阻蒙皮制造方法的一個工藝流程實施例 步驟一，如圖la所示，在基底硅片ll上，采用熱氧化或LPCVD 工藝制備二氧化硅絕緣層2。然后采用光刻-濺射-超聲剝離工藝制備薄膜金屬圖案，形成電解陽極4、電解陰極5、陽極引線端子7、陰 極引線端子8和內(nèi)部連線等。所用金屬為鉑，以便電解電極在電解水 反應(yīng)中穩(wěn)定不損耗。
步驟二，如圖lb所示，在絕緣層2和金屬電極上方，用聚酰亞 胺(polyimide)柔性高分子聚合物材料，采用旋涂工藝制備柔性材料 薄膜，即表層3，并通過光刻和刻蝕形成陣列微凹坑6。然后對表 層3上表面和微凹坑6內(nèi)表面進(jìn)行表面浸潤性處理，提高其表面接觸 角。表面浸潤性處理工藝為采用含氟等離子體進(jìn)行表面改性處理。
步驟三，如圖lc所示，采用ICP干法刻蝕工藝或KOH濕法刻蝕 工藝將基底硅片11完全去除，在絕緣層下方用聚酰亞胺(polyimide) 高分子聚合物材料，采用旋涂法制備柔性材料薄膜，即襯底l。然后 在對應(yīng)于陽極引線端子7和陰極引線端子8的位置通過光刻和刻蝕， 將襯底層1和絕緣層2去除，形成連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。
最終形成柔性MEMS減阻蒙皮結(jié)構(gòu)如圖lc所示。圖1的各圖中 僅畫出了陰極引線端子8，陽極引線端子7的結(jié)構(gòu)和工藝過程與陰極 引線端子8完全相同。
減阻蒙皮的用途是蒙覆于水面及水下航行體外表面，以減小行進(jìn) 中的表面摩擦阻力。實際航行體的外表面往往并非平面，而是復(fù)雜的 流線型曲面。如果減阻蒙皮是剛性的無法變形，就只能硬性拼接在航 行體外表面，這會改變航行體的水力外形，可能反而增大壓差阻力和 旋渦阻力。因此，有實用價值的減阻蒙皮必需具備較好的柔性。本發(fā) 明提出的柔性MEMS減阻蒙皮的主體結(jié)構(gòu)中，表層3和襯底1均采用柔性材料制備，同時，絕緣層2和用作電解電極的薄膜金屬層的厚 度極小，為亞微米量級，在這樣的厚度下，金屬薄膜和絕緣層薄膜也 具備較大的彈性變形率。因此，本減阻蒙皮整體上是高度柔性的，在 相當(dāng)大的曲率范圍內(nèi)可任意彎折，能夠貼覆于形狀復(fù)雜的航行體外表 面，其應(yīng)用范圍不受航行體外形的限制。
使用中，該減阻蒙皮蒙覆于水面及水下航行體外表面。其減阻原
理如圖2所示。下水后，微凹坑6被水充滿。無論航行體運行于淡水
還是海水環(huán)境，水中都含有一定濃度的電解質(zhì)離子。因此，通過陽極
引線端子7和陰極引線端子8給減阻蒙皮通電后，在微凹坑6底部的 電解陽極4和電解陰極5上將發(fā)生電解水反應(yīng)生成氧氣和氫氣，形成 微小氣泡。初始，氣體量較少并聚集在凹坑底部和側(cè)壁上形成較小氣 泡，如圖2a所示。隨著電解反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，氣泡逐漸長大，如 圖2b所示，在微凹坑6內(nèi)氣泡邊緣逐漸逼近蒙皮上表面和相對的凹 坑側(cè)壁。最終，氣泡生長到足夠體積并完全填充微凹坑6，形成所需 的減阻氣泡9，如圖2c所示。圖2c所示是當(dāng)航行體處于靜止?fàn)顟B(tài)時 呈對稱形狀的氣泡形態(tài)。當(dāng)航行體以一定速度行進(jìn)時，水流相對于航 行體的流動方向與航行體的航向相反，如圖2d中箭頭10所示。減阻 氣泡9的上表面由于受到水流粘性摩擦的作用，其輪廓將變得更加平 緩并向凹坑6下游延伸--定距離，覆蓋微凹坑6及其下游的表層3部 分表面，隔離了固體表面與水的直接接觸，將固-水界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?氣-水界面，相比于前者，后者的表面摩擦阻力系數(shù)可降低1個數(shù)量級以 上。減阻氣泡9的間距遠(yuǎn)小于其長寬尺寸，因此航行體外表面的絕大部分表面積被陣列微細(xì)減阻氣泡9所覆蓋，從而大大降低航行體行進(jìn)中的總表面摩擦阻力。
理論仿真和試驗研究表明，只有當(dāng)微凹坑6的尺寸足夠微小，才
能實現(xiàn)氣泡9在微凹坑6內(nèi)的生長、聚集和穩(wěn)定駐留并保持合理形狀，
特別是在高速航行所形成的強剪切流中不破裂，不脫離壁面，從而保
證總體的減阻效果。并且表層3的上表面和微凹坑6側(cè)壁的接觸角越大，越有利于氣泡9的穩(wěn)定駐留和保持。需要根據(jù)蒙皮結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)、流體的物性參數(shù)和航行體航速范圍等條件，通過理論計算和試驗來確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)的具體數(shù)值。經(jīng)測算，對于多數(shù)水面及水下航行體的航速范圍，微凹坑6的深度和寬度尺寸應(yīng)為亞毫米量級或更小，且表層3應(yīng)選取具有較大的表面接觸角的材料制備或在成型后再進(jìn)行表面改性處理以提高其表面接觸角。這對結(jié)構(gòu)、材料和尺寸設(shè)計以及加工工藝都提出了較高耍求。本發(fā)明所提出的柔性減阻蒙皮方案與柔性MEMS技術(shù)的典型材料、結(jié)構(gòu)形式和加工工藝手段兼容，可利用已有的材料和成熟的加工工藝，實現(xiàn)原理設(shè)計所要求的材料特性、結(jié)構(gòu)形式和微細(xì)特征尺寸。
由于微凹坑6的尺寸很小，因此圖2所示減阻氣泡9的形成時間很短，在航行體下水通電后很短時間內(nèi)便會在蒙皮表面形成一層駐留微氣泡并發(fā)揮減阻作用，其響應(yīng)速度很高。
在航行體行進(jìn)的過程中，如果上述電解水反應(yīng)不中斷地進(jìn)行，航行體的供電系統(tǒng)就必需為蒙皮持續(xù)提供所需的電解電流和功率，這對航行體的動力和供電系統(tǒng)將造成一定的負(fù)擔(dān)。特別是對小型航行體而言，這個負(fù)擔(dān)可能是無法承受的。而本發(fā)明所提出的柔性MEMS減阻蒙皮，如圖2c和圖2d所示， 一旦減阻氣泡9最終形成，微凹坑6將完全被氣體充滿和覆蓋，隔斷了電解陽極4和電解陰極5與水環(huán)境的接觸，該凹坑6內(nèi)的電解水反應(yīng)自動中止，不再有電解電流通過。如前所述，在隨航行體行進(jìn)的過程中陣列減阻氣泡9非常穩(wěn)定，其破裂、收縮或脫離的概率很低。只有當(dāng)偶然因素造成的局部沖擊或振動等干擾作用過大時，才可能有極少量的減阻氣泡失效，此時水又進(jìn)入微凹坑6內(nèi)部并與電解電極接觸，電解水反應(yīng)自動重啟，重復(fù)圖2所示的過程，直至形成新的減阻氣泡9后電解水反應(yīng)再次自動停止。因此，本發(fā)明所實現(xiàn)的柔性減阻蒙皮的工作過程是完全自適應(yīng)的，并且當(dāng)蒙皮表面上全部或大多數(shù)微凹坑6內(nèi)都形成穩(wěn)定的駐留氣泡9后，總的電解電流降至非常低的水平，整個減阻蒙皮所需的運行維持功耗很低。應(yīng)用本發(fā)明的減阻蒙皮實現(xiàn)水面及水下航行體減阻，對航行體供電系統(tǒng)所造成的負(fù)擔(dān)很小。
如前所述，表層3的厚度等于微凹坑6的深度，其尺寸為亞毫米量級或更小，絕緣層2和金屬薄膜層的厚度均為亞微米量級，襯底l的厚度對減阻功能的實現(xiàn)沒有顯著影響，可根據(jù)實際需要選取， 一般為亞毫米量級或更小。因此蒙皮整體上呈厚度很小的薄膜形態(tài)，相比于多數(shù)航行體的外形尺寸，該蒙皮的厚度是可以忽略的。此外，陽極引線端子7和陰極引線端子8位于蒙皮下表面，蒙皮的外部供電導(dǎo)線分別焊接在電解陽極引線端子7和電解陰極引線端子8上并從蒙皮下表面和航行體內(nèi)部走線，蒙皮上表面無連線或焊點等突出物。因此，由于蒙皮具有柔性且厚度很小以及下表面引線的設(shè)計，貼覆于航行體表面后，基本上不改變航行體的外表面形狀和尺寸，不會影響其水力
特性。應(yīng)用本發(fā)明所提出的柔性MEMS減阻蒙皮，對航行體本體設(shè)計的額外要求很低，不僅適用于新型號航行體的研制，也適用于舊有型號航行體的升級改造。
制備完成的柔性MEMS減阻蒙皮的外觀和微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，a是一個柔性MEMS減阻蒙皮單元的整體外觀，呈薄膜形態(tài)并具有很好的柔性，該蒙皮單元的外形尺寸為80mmX80mm，厚度為0.04mm。其下表面是光滑的襯底，陽極引線端子7和陰極引線端子8位于下表面的邊緣，其上表而是密集的矩形微凹坑6陣列，微凹坑6的尺寸是20)LimX20^im，陣列規(guī)模約為2500X3200，微細(xì)梳狀電解陽極4和電解陰極5位于微卩「1坑6的底部。b是柔性MEMS減阻蒙皮局部微觀立體結(jié)構(gòu)放大示意圖。
本發(fā)明用于水面或水下各種航行體。使用中，若干這樣的減阻蒙皮單元拼接貼覆在航行體外表面上需要進(jìn)行減阻處理的部位。例如，對于形狀細(xì)長的水面及水下航行體，其航行中所受的行進(jìn)阻力主要來自中部圓柱段的表面摩擦阻力，故將本發(fā)明貼覆于該航行體的中部圓柱段外表面，僅留出頭部和尾部的推進(jìn)器和舵面等機構(gòu)。航行體下水并給減阻蒙皮通電后，很短時間內(nèi)即可在蒙皮外表面形成駐留于微凹坑6內(nèi)的密集的減阻氣泡9，陣列減阻氣泡9覆蓋了蒙皮表面絕大部分面積，從而大大減小航行體行進(jìn)中的表面摩擦阻力。
權(quán)利要求
1. 一種柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于柔性MEMS減阻蒙皮主要由襯底(1)、絕緣層(2)、表層(3)、金屬電極和引線構(gòu)成，蒙皮上表面是表層(3)，下表面是襯底(1)，表層(3)是采用柔性材料制備的柔性材料薄膜，其上開孔，形成微凹坑(6)陣列，表層(3)下方，在每個微凹坑(6)的底部有包括電解陽極(4)和電解陰極(5)的交錯排列微細(xì)平面梳狀電極，陽極引線端子(7)和陰極引線端子(8)通過內(nèi)部連線分別與每個微凹坑(6)內(nèi)的電解陽極(4)和電解陰極(5)導(dǎo)通，電解電極、引線端子及其之間的內(nèi)部連線均附著在絕緣層(2)上，絕緣層(2)下方是襯底(1)，襯底(1)是柔性材料制備的柔性材料薄膜，在對應(yīng)于陽極引線端子(7)和陰極引線端子(8)的部位，襯底(1)和絕緣層(2)被去除，陽極引線端子(7)和陰極引線端子(8)暴露于蒙皮下表面，是連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于所述制備柔性材料薄膜表層(3)和襯底(1)的柔性材料為柔性高分子聚合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于所述柔性高分子聚合物為聚酰亞胺或聚對二甲苯。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在亍所述絕緣層(2)為二氧化硅薄膜，其厚度為0.1 lpm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于 所述表層(3)的厚度為5 250pm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于 所述襯底(1)的厚度為5 250pm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于， 所述微凹坑6的長度和寬度尺寸均為5 250)am，深度和表層(3)的 厚度相同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于 所述電解陽極(4)和電解陰極(5)的材料是金屬鉑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特征在于 所述電解陽極(4)、電解陰極(5)、陽極引線端子(7)、陰極引線端 子(8)和內(nèi)部連線的厚度為0.1 l|am。
10. —種柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，其特征在于采 用MEMS微細(xì)加工工藝制備平面電極和微凹坑微細(xì)結(jié)構(gòu)以及柔性材 料薄膜，具體步驟如下步驟l)在基底硅片(11)上采用MEMS平面微細(xì)工藝制備絕緣 層(2)，然后采用MEMS平面微細(xì)工藝制備薄膜金屬圖案，形成電 解陽極(4)、電解陰極(5)、陽極引線端子(7)、陰極引線端子(8) 和內(nèi)部連線；步驟2)在絕緣層(2)和金屬電極上方采用柔性材料制備柔性材料薄膜表層(3);通過光刻和刻蝕形成微凹坑(6)陣列，并對表 層(3)上表面和微凹坑(6)內(nèi)表面進(jìn)行表面浸潤性處理；步驟3)采用體硅刻蝕工藝將基底硅片(11)完全去除，在絕緣層下方采用柔性材料制備柔性材料薄膜襯底(1 )，并通過光刻和刻蝕，在對應(yīng)于引線端子(7)和(8)的位置將襯底(1)和絕緣層(2)去 除，形成連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述制備絕緣層(2)的MEMS平面微細(xì)工藝為熱氧化 或LPCVD工藝。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述制備薄膜金屬圖案的MEMS平面微細(xì)工藝為光刻-濺 射-超聲剝離工藝。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述制備柔性材料薄膜的工藝為旋涂工藝。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述表面浸潤性處理工藝為采用含氟等離子體進(jìn)行表面改 性。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述體硅刻蝕工藝為ICP干法刻蝕工藝或KOH濕法刻蝕 工藝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性MEMS減阻蒙皮及其制造方法，利用微細(xì)駐留氣泡實現(xiàn)減阻，屬于微型機械和流體動力學(xué)領(lǐng)域，用于減小水面及水下航行體行進(jìn)中的表面摩擦阻力。蒙皮上表面是布滿微凹坑陣列的表層，并經(jīng)表面浸潤性處理。微凹坑底部有附著在絕緣層上的梳狀微細(xì)平面金屬電解陽極和電解陰極。絕緣層下方是柔性襯底，電極引線端子位于蒙皮下表面，表層和襯底均采用柔性材料制作。減阻蒙皮整體厚度為亞毫米量級，呈柔性薄膜形態(tài)，其制造方法為與柔性MEMS技術(shù)相兼容的MEMS微細(xì)加工工藝。本發(fā)明貼覆于航行體外表面，由航行體供電。通過電解水反應(yīng)形成穩(wěn)定駐留于微凹坑內(nèi)的微氣泡覆蓋航行體的絕大部分表面，實現(xiàn)減小表面摩擦阻力的功能。
文檔編號B81B7/00GK101486438SQ20091007971
公開日2009年7月22日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者朱效谷, 勇 李, 陳旭鵬, 黃偉峰 申請人:清華大學(xué)