柔性mems減阻蒙皮及其製造方法

2024-02-07 14:36:15

專利名稱：柔性mems減阻蒙皮及其製造方法
技術領域：
本發明屬於微型機械和流體動力學技術領域，特別涉及一種柔 性MEMS (Micro Electro-Mechanical System)減阻蒙皮及其製造方法。
背景技術：
水面及水下航行體行駛時所受到的行進阻力包括壓差阻力、旋渦 阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常佔據最大比重，對於長度 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 縮減動力系統的體積和重量，節省空間和有效載荷，在航行體總體設 計中，提升其它子系統的性能。
目前減阻技術的理論和應用研究主要集中在湍流邊界層，涉及多 種技術方案。聚合物添加劑減阻的理論研究發展很快，但其實用化面 臨成本和環保等問題。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，並能夠在不 改變航行體外輪廓的前提下實現一定的減阻效果。但不同研究者給出 的實驗結果相差較遠，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稱可達80%。這種技術的作用原理 尚無確切定論， 一般認為一定濃度的氣泡注入後，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係數；也有一
些最新的研究成果認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 初多採用多孔板，氣泡大小和分布範圍難以控制，多數氣泡對減阻是 無效的，因此所需氣流量和功耗過大，很難實際用於艦船和其它航行 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
出了採用MEMS流體控制器件製備氣泡發生器的方案。但總之氣泡 注入減阻方式需要額外的氣體噴射系統，並且該系統必需持續工作， 這對航行體的動力系統是較大負擔；而且注入氣泡並沒有從根本上改 變固體壁面和液體的接觸狀態，就目前的研究現狀分析，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，而且需要採用特殊的發動機，且功耗極大， 雖然航速很高，但航程大大縮短。

發明內容
本發明的目的是為解決背景技術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，基於利用微細駐留氣泡實現減阻的原理，提供一種柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於，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 平面梳狀電極，陽極引線端子7和陰極引線端子8通過內部連線分別 與每個微凹坑6內的電解陽極4和電解陰極5導通，電解電極、引線 端子及其之間的內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是柔性材料製備的柔性材料薄膜，在對應於陽極引線端 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暴露於蒙皮下表面，是連接外部供電導線的 焊接部位。
所述製備柔性材料薄膜表層3和襯底1的柔性材料為聚醯亞 胺(polyimide)或聚對二甲苯(parylene)等柔性高分子聚合物。 所述絕緣層2為二氧化矽薄膜，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和內部連線的材料為鉑、
金、鎳、銅或鋁等良導體金屬中任一種。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 和內部連線的厚度為0.1 l|Lim。
柔性MEMS減阻蒙皮製造方法的技術方案為採用MEMS微細加 工工藝製備平面電極和微凹坑等微細結構以及柔性材料薄膜，具體步 驟如下
步驟1)在基底矽片11上採用MEMS平面微細工藝製備絕緣 層2，然後採用MEMS平面微細工藝製備薄膜金屬圖案，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和內部連線；
步驟2)在絕緣層2和金屬電極上方採用柔性材料製備柔性材料 薄膜表層3;通過光刻和刻蝕形成微凹坑6陣列，並對表層3上表面 和微凹坑6內表面進行表面浸潤性處理，提高其表面接觸角；
步驟3)採用體矽刻蝕工藝將基底矽片11完全去除，在絕緣層2 下方用柔性材料製備柔性材料薄膜襯底1，並通過光刻和刻蝕，在對 應於陽極引線端子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線的焊接部位。
所述製備絕緣層2的MEMS平面微細工藝為熱氧化或LPCVD(低 壓化學氣相沉積)工藝。
所述製備薄膜金屬圖案的MEMS平面微細工藝為光刻-濺射-超聲 剝離工藝。
所述製備柔性材料薄膜的工藝為旋塗工藝。 所述表面浸潤性處理工藝為採用含氟等離子體進行表面改性。 所述體矽刻蝕工藝為ICP幹法刻蝕(感應耦合等離子體刻蝕)或KOH溼法刻蝕(氫氧化鉀各向異性腐蝕)等工藝。
本發明所實現的MEMS減阻蒙皮整體上是厚度很小的柔性薄膜 結構，可貼附於航行體流線型曲面的表面。採用MEMS微細加工工 藝製備平面電極和微凹坑等微細結構，實現陣列駐留氣泡的生成機 構，生成尺寸微小的氣泡附著於蒙皮表面，從而減小與流體之間的摩 擦阻力。駐留氣泡生成機構採用表面電極的電解水反應產生氣體，並 實現氣泡的駐留和自動補充。 本發明的有益效果是
1. 所述MEMS減阻蒙皮的各部分均採用柔性材料製備，最終得 到的結構整體上是高度柔性的，能夠在相當大的曲率範圍內任意彎 折。因此，本發明所實現的柔性MEMS減阻蒙皮能夠貼覆於任意復 雜曲面，其應用範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，貼覆於航行體表面 後，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。應用本發明所述的柔性MEMS減阻蒙皮，對航行體本體設計 的影響和額外要求很少，不僅可用於新型號航行體的研製，也可用於 舊型號航行體的升級改造。
3. 相比於表面形貌減阻、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方案，本發明所實現的駐留氣泡減阻方式將 液-固界面變為液-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過理論仿真和試驗確定的優化值，能夠保證微氣泡在凹坑中聚集、生長、附著和 形態保持，既使在高速航行時形成的強剪切流中微氣泡仍能穩定可靠 地駐留而不易隨水流脫離和破裂，保證了減阻效果。
5相比於氣泡注入等需要持續通電或驅動的減阻方式，本發明柔
性MEMS減阻蒙皮給航行體的供電和動力系統所造成的額外負擔很小。
例如注入氣泡減阻方式，如果同樣採用表面電極的電解水反應生 成減阻氣泡，那麼氣泡一經產生，會立即被水流衝向下遊並脫離航行 體表面，電解水反應必需持續進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，某溼周為lm、航速為50kn的 航行體，如果採用電解產氣的注入氣泡減阻方式，根據法拉第定律計 算可知，為保證減阻效果，即使假設氣泡始終接近航行體外表面而不 遠離壁面，維持注入氣泡濃度所需的電解電流仍可能高達104 105A， 在海水中所需的電功率高達105W，在淡水中的功耗則還要再提 高2 3個數量級。對航行體的動力及供電系統而言，這麼大的維持 電流和功耗是無法接受的。而且，實際上氣泡除隨水流向下遊流失之 外，必定以--定速度和比例隨時向遠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。
而本發明所實現的減阻蒙皮能夠實現自適應工作模式，當微凹坑 內形成駐留的減阻氣泡後，電極與水脫離接觸，電解水反應自動中止； 當減阻氣泡破裂或脫離後，電解水反應自動重啟，並形成新的減阻氣泡。航行體正常行進的過程中，已形成的駐留氣泡發生破裂、收縮或 脫離的概率很低，因此，當蒙皮表面全部或絕大多數微凹坑內已形成 駐留氣泡後，所需的電解電流和維持功耗很低。
6本發明所提出的柔性減阻蒙皮方案與柔性MEMS (Flexible Micro Electro-Mechanical System)技術兼容，可利用已有的材料和成 熟的加工工藝，實現原理設計所要求的材料特性、結構形式和微細特 徵尺寸。
7通過電解水反應產生減阻氣泡，反應過程安靜平穩，特別是在 駐留氣泡已經形成後，絕大多數凹坑內的電解反應會自動停止。因此， 相比於通過氣泡注入或超空化方式產生減阻氣泡的減阻技術，本發明 所實現的減阻蒙皮工作時產生的振動和噪聲很小，不會干擾航行體的 聲納等電子設備的工作，也不會形成噪聲源。
8所述柔性MEMS減阻蒙皮的結構和工藝設計，採用金屬鉑制 備電解電極。在電解水反應中，鉑用作陽極時是穩定的，可長期使用 而不發生電極損耗和失效，有利於提高氣體的生成速度和氣泡的形成 速度，並且使得該減阻蒙皮可以長期反覆使用，工作壽命很長，不僅 適用於一次性使用或短時運行的航行體，也適用於長期工作的水面或 水下艦船的減阻。
9所述電極引線端子暴露於蒙皮底面，所有的外部供電導線在蒙 皮-F方焊接並從航行體內部走線，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，則其表面的微細凹坑陣列是一種表面形貌減阻結構，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構示意圖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構示意圖。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構放大示意圖。
附圖標記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 —水流相對於航行體航向的流動方向；ll一基底矽片。
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的基礎上，本 發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，從而使航行體行進中的表面摩擦阻力得到顯著減小。結
合柔性MEMS技術，製成柔性薄膜結構，得到適用於水面及水下航
行體的減阻蒙皮。
以下為本發明的實施例，結合附圖闡述本發明的實施方式。 所述柔性MEMS減阻蒙皮的結構如圖lc所示，由襯底l、絕緣
層2、表層3、金屬電極和內部連線等構成。蒙皮上表面是表層3，下表面是襯底1。表層3是採用聚醯亞胺(polyimide)或聚對二甲 苯(parylene)柔性高分子聚合物材料製備的柔性材料薄膜，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，在電解水反應中不損耗。 陽極引線端子7和陰極引線端子8通過內部電連線分別與所有電解陽 極4和電解陰極5導通，陽極引線端子7、陰極引線端子8和內部連 線的材料也是金屬鉑。電解電極、引線端子及其內部電連線均附著在 二氧化矽絕緣層2上。用作電解電極、引線端子和內部連線的薄膜金 屬層厚度為1500埃，用作絕緣層2的二氧化矽薄膜的厚度為3500埃。 絕緣層2下方是襯底1，襯底1也是採用聚醯亞胺(polyimide)或聚 對二甲苯(parylene)柔性高分子聚合物材料製備的柔性材料薄膜， 厚度為25jum。在對應於陽極引線端子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，使得引線端子暴露於蒙皮下表面，便 於與外部供電連接。陽極引線端子7和陰極引線端子8用於焊接供電 導線，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的結構與陰極引線端子8完全相同。
圖1為柔性MEMS減阻蒙皮製造方法的一個工藝流程實施例 步驟一，如圖la所示，在基底矽片ll上，採用熱氧化或LPCVD 工藝製備二氧化矽絕緣層2。然後採用光刻-濺射-超聲剝離工藝製備薄膜金屬圖案，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和內部連線等。所用金屬為鉑，以便電解電極在電解水 反應中穩定不損耗。
步驟二，如圖lb所示，在絕緣層2和金屬電極上方，用聚醯亞 胺(polyimide)柔性高分子聚合物材料，採用旋塗工藝製備柔性材料 薄膜，即表層3，並通過光刻和刻蝕形成陣列微凹坑6。然後對表 層3上表面和微凹坑6內表面進行表面浸潤性處理，提高其表面接觸 角。表面浸潤性處理工藝為採用含氟等離子體進行表面改性處理。
步驟三，如圖lc所示，採用ICP幹法刻蝕工藝或KOH溼法刻蝕 工藝將基底矽片11完全去除，在絕緣層下方用聚醯亞胺(polyimide) 高分子聚合物材料，採用旋塗法製備柔性材料薄膜，即襯底l。然後 在對應於陽極引線端子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線的焊接部位。
最終形成柔性MEMS減阻蒙皮結構如圖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的結構和工藝過程與陰極 引線端子8完全相同。
減阻蒙皮的用途是蒙覆於水面及水下航行體外表面，以減小行進 中的表面摩擦阻力。實際航行體的外表面往往並非平面，而是複雜的 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 明提出的柔性MEMS減阻蒙皮的主體結構中，表層3和襯底1均採用柔性材料製備，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 相當大的曲率範圍內可任意彎折，能夠貼覆於形狀複雜的航行體外表 面，其應用範圍不受航行體外形的限制。
使用中，該減阻蒙皮蒙覆於水面及水下航行體外表面。其減阻原
理如圖2所示。下水後，微凹坑6被水充滿。無論航行體運行於淡水
還是海水環境，水中都含有一定濃度的電解質離子。因此，通過陽極
引線端子7和陰極引線端子8給減阻蒙皮通電後，在微凹坑6底部的 電解陽極4和電解陰極5上將發生電解水反應生成氧氣和氫氣，形成 微小氣泡。初始，氣體量較少並聚集在凹坑底部和側壁上形成較小氣 泡，如圖2a所示。隨著電解反應進一步進行，氣泡逐漸長大，如 圖2b所示，在微凹坑6內氣泡邊緣逐漸逼近蒙皮上表面和相對的凹 坑側壁。最終，氣泡生長到足夠體積並完全填充微凹坑6，形成所需 的減阻氣泡9，如圖2c所示。圖2c所示是當航行體處於靜止狀態時 呈對稱形狀的氣泡形態。當航行體以一定速度行進時，水流相對於航 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的上表面由於受到水流粘性摩擦的作用，其輪廓將變得更加平 緩並向凹坑6下遊延伸--定距離，覆蓋微凹坑6及其下遊的表層3部 分表面，隔離了固體表面與水的直接接觸，將固-水界面轉變為固-氣-水界面，相比於前者，後者的表面摩擦阻力係數可降低1個數量級以 上。減阻氣泡9的間距遠小於其長寬尺寸，因此航行體外表面的絕大部分表面積被陣列微細減阻氣泡9所覆蓋，從而大大降低航行體行進中的總表面摩擦阻力。
理論仿真和試驗研究表明，只有當微凹坑6的尺寸足夠微小，才
能實現氣泡9在微凹坑6內的生長、聚集和穩定駐留並保持合理形狀，
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。並且表層3的上表面和微凹坑6側壁的接觸角越大，越有利於氣泡9的穩定駐留和保持。需要根據蒙皮結構材料的物性參數、流體的物性參數和航行體航速範圍等條件，通過理論計算和試驗來確定相關設計參數的具體數值。經測算，對於多數水面及水下航行體的航速範圍，微凹坑6的深度和寬度尺寸應為亞毫米量級或更小，且表層3應選取具有較大的表面接觸角的材料製備或在成型後再進行表面改性處理以提高其表面接觸角。這對結構、材料和尺寸設計以及加工工藝都提出了較高耍求。本發明所提出的柔性減阻蒙皮方案與柔性MEMS技術的典型材料、結構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，實現原理設計所要求的材料特性、結構形式和微細特徵尺寸。
由於微凹坑6的尺寸很小，因此圖2所示減阻氣泡9的形成時間很短，在航行體下水通電後很短時間內便會在蒙皮表面形成一層駐留微氣泡並發揮減阻作用，其響應速度很高。
在航行體行進的過程中，如果上述電解水反應不中斷地進行，航行體的供電系統就必需為蒙皮持續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將造成一定的負擔。特別是對小型航行體而言，這個負擔可能是無法承受的。而本發明所提出的柔性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與水環境的接觸，該凹坑6內的電解水反應自動中止，不再有電解電流通過。如前所述，在隨航行體行進的過程中陣列減阻氣泡9非常穩定，其破裂、收縮或脫離的概率很低。只有當偶然因素造成的局部衝擊或振動等幹擾作用過大時，才可能有極少量的減阻氣泡失效，此時水又進入微凹坑6內部並與電解電極接觸，電解水反應自動重啟，重複圖2所示的過程，直至形成新的減阻氣泡9後電解水反應再次自動停止。因此，本發明所實現的柔性減阻蒙皮的工作過程是完全自適應的，並且當蒙皮表面上全部或大多數微凹坑6內都形成穩定的駐留氣泡9後，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。應用本發明的減阻蒙皮實現水面及水下航行體減阻，對航行體供電系統所造成的負擔很小。
如前所述，表層3的厚度等於微凹坑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沒有顯著影響，可根據實際需要選取， 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，相比於多數航行體的外形尺寸，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位於蒙皮下表面，蒙皮的外部供電導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上並從蒙皮下表面和航行體內部走線，蒙皮上表面無連線或焊點等突出物。因此，由於蒙皮具有柔性且厚度很小以及下表面引線的設計，貼覆於航行體表面後，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。應用本發明所提出的柔性MEMS減阻蒙皮，對航行體本體設計的額外要求很低，不僅適用於新型號航行體的研製，也適用於舊有型號航行體的升級改造。
製備完成的柔性MEMS減阻蒙皮的外觀和微觀結構如圖3所示。圖3中，a是一個柔性MEMS減阻蒙皮單元的整體外觀，呈薄膜形態並具有很好的柔性，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位於下表面的邊緣，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，陣列規模約為2500X3200，微細梳狀電解陽極4和電解陰極5位於微卩「1坑6的底部。b是柔性MEMS減阻蒙皮局部微觀立體結構放大示意圖。
本發明用於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行減阻處理的部位。例如，對於形狀細長的水面及水下航行體，其航行中所受的行進阻力主要來自中部圓柱段的表面摩擦阻力，故將本發明貼覆於該航行體的中部圓柱段外表面，僅留出頭部和尾部的推進器和舵面等機構。航行體下水並給減阻蒙皮通電後，很短時間內即可在蒙皮外表面形成駐留於微凹坑6內的密集的減阻氣泡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中的表面摩擦阻力。
權利要求
1. 一種柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於柔性MEMS減阻蒙皮主要由襯底(1)、絕緣層(2)、表層(3)、金屬電極和引線構成，蒙皮上表面是表層(3)，下表面是襯底(1)，表層(3)是採用柔性材料製備的柔性材料薄膜，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)的交錯排列微細平面梳狀電極，陽極引線端子(7)和陰極引線端子(8)通過內部連線分別與每個微凹坑(6)內的電解陽極(4)和電解陰極(5)導通，電解電極、引線端子及其之間的內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)是柔性材料製備的柔性材料薄膜，在對應於陽極引線端子(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)暴露於蒙皮下表面，是連接外部供電導線的焊接部位。
2. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於所述製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. 根據權利要求2所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於所述柔性高分子聚合物為聚醯亞胺或聚對二甲苯。
4. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在亍所述絕緣層(2)為二氧化矽薄膜，其厚度為0.1 lpm。
5. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於 所述表層(3)的厚度為5 250pm。
6. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於 所述襯底(1)的厚度為5 250pm。
7. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於， 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. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於 所述電解陽極(4)和電解陰極(5)的材料是金屬鉑。
9. 根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮，其特徵在於 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)和內部連線的厚度為0.1 l|am。
10. —種柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於採 用MEMS微細加工工藝製備平面電極和微凹坑微細結構以及柔性材 料薄膜，具體步驟如下步驟l)在基底矽片(11)上採用MEMS平面微細工藝製備絕緣 層(2)，然後採用MEMS平面微細工藝製備薄膜金屬圖案，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) 和內部連線；步驟2)在絕緣層(2)和金屬電極上方採用柔性材料製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，並對表 層(3)上表面和微凹坑(6)內表面進行表面浸潤性處理；步驟3)採用體矽刻蝕工藝將基底矽片(11)完全去除，在絕緣層下方採用柔性材料製備柔性材料薄膜襯底(1 )，並通過光刻和刻蝕，在對應於引線端子(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線的焊接部位。
11. 根據權利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮製造方法，其 特徵在於，所述製備絕緣層(2)的MEMS平面微細工藝為熱氧化 或LPCVD工藝。
12. 根據權利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮製造方法，其 特徵在於，所述製備薄膜金屬圖案的MEMS平面微細工藝為光刻-濺 射-超聲剝離工藝。
13. 根據權利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮製造方法，其 特徵在於，所述製備柔性材料薄膜的工藝為旋塗工藝。
14. 根據權利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮製造方法，其 特徵在於，所述表面浸潤性處理工藝為採用含氟等離子體進行表面改 性。
15. 根據權利要求10所述的柔性MEMS減阻蒙皮製造方法，其 特徵在於，所述體矽刻蝕工藝為ICP幹法刻蝕工藝或KOH溼法刻蝕 工藝。
全文摘要
本發明公開了一種柔性MEMS減阻蒙皮及其製造方法，利用微細駐留氣泡實現減阻，屬於微型機械和流體動力學領域，用於減小水面及水下航行體行進中的表面摩擦阻力。蒙皮上表面是布滿微凹坑陣列的表層，並經表面浸潤性處理。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，電極引線端子位於蒙皮下表面，表層和襯底均採用柔性材料製作。減阻蒙皮整體厚度為亞毫米量級，呈柔性薄膜形態，其製造方法為與柔性MEMS技術相兼容的MEMS微細加工工藝。本發明貼覆於航行體外表面，由航行體供電。通過電解水反應形成穩定駐留於微凹坑內的微氣泡覆蓋航行體的絕大部分表面，實現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 優先權日2009年3月6日
發明者朱效谷, 勇 李, 陳旭鵬, 黃偉峰 申請人:清華大學