熱對流加速度計的研究進(jìn)展

熱對流加速度計的研究進(jìn)展

1微流動系統(tǒng)微型機(jī)械系統(tǒng)（微型elastic系統(tǒng)）是指基于自主技術(shù)（但不限）的小規(guī)模系統(tǒng)，設(shè)計與制造，集電子、機(jī)械和設(shè)備于一體的小型系統(tǒng)[1.2]。微流動系統(tǒng)是MEMS的一個重要分支,是構(gòu)成大多數(shù)微系統(tǒng)中感應(yīng)元件和執(zhí)行器件的主要組成部分,它包括微傳感器、微泵、微閥、微噴和微通道等。在MEMS發(fā)展的初期,人們把主要精力都放在微加工技術(shù)上,隨著硅加工技術(shù)的日益成熟,人們發(fā)現(xiàn)制約MEMS發(fā)展的不再是加工手段,而是微系統(tǒng)中出現(xiàn)的與宏觀尺寸下不同的、人們尚未認(rèn)識清楚的諸如流動和換熱等基本問題。正如Mohamed在一篇技術(shù)報告中指出,“技術(shù)的發(fā)展速度超出了人們對存在其中的內(nèi)部機(jī)理的理解能力”。因此,近年來,對微流動系統(tǒng)的研究受到了前所未有的重視,同時也取得了巨大的成就。美國國防部高級研究計劃局對MEMS的市場分析及對未來的預(yù)測表明,在未來的幾年里,微流體機(jī)械的市場分額將占整個MEMS市場分額的一半以上。作為MEMS的一個組成部分,微流動系統(tǒng)同樣具有集成化和批量生產(chǎn)的特點,同時由于尺寸小,可減小流動系統(tǒng)中的無效體積,降低能耗和試劑用量,而且響應(yīng)快,因此有著廣闊的應(yīng)用前景。例如流體的微量配給、藥物的微量注射、微集成電路的冷卻及微小衛(wèi)星的推進(jìn)等。下面對微流動系統(tǒng)的幾個重要部分分別加以介紹。2對流加速度計的工作原理微加速度計在汽車的安全系統(tǒng)、航天器的導(dǎo)航和姿態(tài)控制系統(tǒng)及生物醫(yī)學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中都有廣泛和重要的應(yīng)用。熱對流加速度計是一種原理新穎的新型加速度計,它是基于密閉腔體內(nèi)流體的自然對流進(jìn)行工作的。圖1所示為熱對流加速度計的工作原理圖,它主要包括裝有氣體的腔體、一個用來加熱氣體的加熱絲,一對對稱布置在加熱絲兩旁的溫度傳感器。當(dāng)加熱絲中通過電流受熱升溫時,流體的密度會因為溫度發(fā)生變化而變化,若在如圖所示的方向上不存在加速度,則兩邊溫度傳感器的顯示溫度相同,若在此方向(或相反方向)上存在一定的加速度,則在腔體內(nèi)將會形成與加速度方向相同的自然對流,從而使兩個溫度傳感器的顯示溫度出現(xiàn)差異。與傳統(tǒng)加速度計相比,熱對流加速度計的顯著特點是結(jié)構(gòu)緊湊簡單、加工方便、成本低,對小加速度的敏感性很高,Billat等人使用如圖2所示的加速度計測量斜面上的加速度分量用以確定斜面的角度,其加速度精度可達(dá)0.1mg左右。3基于溫度的傳感器圖3是一典型的基于溫度變化的微型流量傳感器的示意圖。加熱電阻后,由于流體的流動,使得其下游溫度高于上游溫度,兩者的溫差包含了流量信息。圖4為Ashauer等人制造的基于溫度的微流量傳感器,其可測的最小流量為2mL/h,測量精度可達(dá)10μL/h,熱響應(yīng)時間常數(shù)為2ms。此流量計在醫(yī)學(xué)及生物MEMS上有很重要的應(yīng)用前景。4有不可動閥片微泵作為一個重要的微流動執(zhí)行器件,是微流動系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微泵根據(jù)其有無可動閥片可分為有閥型微泵和無閥型微泵。有閥型微泵往往基于機(jī)械驅(qū)動,原理簡單,制造工藝成熟,易于控制,是目前應(yīng)用的主流;無閥型微泵則常常利用流體在微尺下的新特性,原理比較新穎,更適于微型化,具有更大的發(fā)展前景。4.1壓電片驅(qū)動微型泵有閥型微泵一般是利用腔體容積的周期性變化和單向閥門進(jìn)行工作的。根據(jù)驅(qū)動薄膜振動的方式不同,有閥微型泵可以分為壓電驅(qū)動微型泵、靜電驅(qū)動微型泵和熱驅(qū)動微泵等。圖5所示為一種使用球形閥的壓電片驅(qū)動微型泵,它的特點是通過壓力腔和內(nèi)部流道的優(yōu)化設(shè)計,來實現(xiàn)優(yōu)化的流動狀態(tài)。圖6所示為一種靜電驅(qū)動的微型泵。其驅(qū)動頻率范圍是1～100Hz,可以實現(xiàn)的最大流量為350μL/min,最大背壓為2.4mH2O。圖7所示為清華大學(xué)精儀系研究的雙層結(jié)構(gòu)雙金屬驅(qū)動微泵,驅(qū)動電壓為16V,驅(qū)動頻率為0.9Hz時,輸出流量為43μL/min。4.2等機(jī)械可動部件盡管有閥型微泵的工作原理較簡單,易于控制,制造工藝較成熟,但由于整個泵體中存在閥片等機(jī)械可動部件必然受到加工工藝和加工精度的限制,不利于微型化的發(fā)展趨勢,而且由于閥片的頻繁開關(guān),泵體的可靠性和使用壽命也不高。相比之下,無閥型微泵由于其結(jié)構(gòu)相對簡單、制造工藝要求不高,因而有著獨特的發(fā)展優(yōu)勢。無閥型微泵通常利用了流體在微尺度下的新特點。4.2.1雙向止流性能收縮-擴(kuò)張型微泵是一種比較典型的無閥微泵。它以收縮和擴(kuò)張的不同形狀通道代替了單向閥,利用因流道不對稱所引起的壓力損失的不對稱性來實現(xiàn)流體的泵送,但這類泵的反向止流性能較差。Tsai等人利用氣泡的縮脹來驅(qū)動收縮-擴(kuò)張型微泵,其最大流量為5μL/min,驅(qū)動頻率為250～400Hz,最大泵壓為377Pa。4.2.2力泵的驅(qū)動電壓類型電液動力泵的原理是通過誘導(dǎo)液體中的電荷運動而產(chǎn)生動量,帶動流體運動。微型電液動力泵按其驅(qū)動電壓類型可分為兩種,一種是在平行電極間施加直流電壓的EHD泵,另一種是在電極陣列上施加不同相位行波電壓的EHD泵。EHD泵的原理比較新穎,但這種泵對液體的導(dǎo)電特性有特殊要求,往往還需要在液體中注入離子,其應(yīng)用受到很大限制。4.2.3利用流體作為微泵的原理熱驅(qū)動微泵是利用流體的熱特性,例如熱脹冷縮或者相變來驅(qū)動工作流體。圖8所示為利用流體受熱相變來實現(xiàn)泵送的新型微泵。通過對微細(xì)管內(nèi)液體進(jìn)行循環(huán)周期性加熱,利用流體周期性的相變可以使流體沿?zé)嵩匆苿拥姆较虮盟汀τ谔卣鞒叨葹?00μm的微泵,其泵送流量可達(dá)34μL/min,最大泵壓可達(dá)20kPa以上。4.2.4依托于不同的距離的流體,利用定向泵送液體由于尺度減小,流體的粘性特性也會發(fā)生變化,可以利用這一點來實現(xiàn)定向泵送。圖9所示為一種新型的粘性泵,這種泵利用由于旋轉(zhuǎn)軸與上下兩端壁面的距離不同,所造成的粘性力的不同從而實現(xiàn)定向的凈流量。這種泵常常應(yīng)用在兩端壓差很小時。利用流體粘性隨溫度的變化規(guī)律也可以實現(xiàn)微泵的定向泵送。對于液體來說,受熱溫度升高會使粘度下降。利用這一點,當(dāng)膜片擠壓流體時加熱出口處流體,使之粘性阻力下降,使流體更易從出口流出,當(dāng)膜片復(fù)原吸入流體時,加熱入口處流體,是流體更易從入口處流入,這樣就實現(xiàn)了流體的定向泵送。該微泵的測試泵送流量最大可達(dá)5.5μL/min。4.2.5定向泵送泵送這里的雙膜泵不同于前面介紹的雙金屬膜微泵,它是利用在兩個膜的不同位置開孔,由于開孔的位置不同而造成的阻力不同,從而實現(xiàn)定向泵送。此泵不僅原理新穎,而且效率很高,對于體積為1.5×1.5×0.1(cm3)的微泵,其流量可達(dá)30mL/min。其結(jié)構(gòu)和工作原理示意見圖10。在微尺度下,流體的流動與常規(guī)尺度有許多不同之處,因此出現(xiàn)了許多基于不同新原理的新型微泵,除了本文介紹的之外,還有磁動力微泵(MHD)、電潤濕微泵、離子動力微泵等[17～19],本文不一一舉例。5傳統(tǒng)微噴是一個重要的應(yīng)用研究微噴也是微流動系統(tǒng)的重要組成部分。由于它在噴磨打印機(jī)及液體霧化方面的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)微噴一直是研究中的一個重要課題。近年來,由于基于新型原理的合成噴以及一些高效噴在電子器件冷卻、機(jī)翼主流動控制及微小衛(wèi)星姿態(tài)控制等領(lǐng)域的重要應(yīng)用,微噴再一次成為了人們關(guān)注的熱點問題。5.1氣體噴射法合成噴是由Coe等人首次提出并實現(xiàn)的一種微型流動器件[20～22],其結(jié)構(gòu)原理如圖11所示。合成噴的結(jié)構(gòu)非常簡單,主要由一個腔體和一個驅(qū)動膜片構(gòu)成。工質(zhì)一般為氣體,在驅(qū)動膜片對面的腔體壁上開一小孔或狹縫。當(dāng)驅(qū)動膜片上下振動時,氣體工質(zhì)因腔內(nèi)壓力的變化而吸進(jìn)或噴出,當(dāng)膜片的振動頻率足夠大時,就會在孔外形成連續(xù)的射流場。據(jù)報道,主流區(qū)的最大噴射速度可達(dá)30m/s。合成噴結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn);凈質(zhì)量流量為零,無需流體輸運;可以通過外在電參數(shù)來實現(xiàn)對合成噴噴射流場的控制;容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)和集成。盡管存在能量效率不高的缺點,但由于以上提到的種種優(yōu)勢,合成噴在電子器件冷卻和機(jī)翼主流場控制方面都有非常廣闊的應(yīng)用前景。5.2微型放流噴管使用Laval縮放噴管獲得超音速氣流的方法已經(jīng)在常規(guī)尺度下應(yīng)用得十分廣泛而且成熟,在微尺度下,由于尺寸和粘性的影響,是否還能產(chǎn)生超音速氣流曾經(jīng)是人們的一個疑問,隨著微加工技術(shù)的發(fā)展使足夠光滑的微型Laval噴管成為現(xiàn)實,實驗證明,微型縮放噴管不僅可以產(chǎn)生高速氣流,而且其推力/體積比要比常規(guī)尺度下的噴管大幾個量級,具有非常好的應(yīng)用前景。這種高速高效噴管可以應(yīng)用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制及打印機(jī)的噴頭等。圖12所示為使用單晶硅加工的微噴管的側(cè)面和出口截面圖,噴管喉部為37μm。6部分可缺少的部分閥門是實現(xiàn)流體控制的基本元件,是傳統(tǒng)流動系統(tǒng)中不可缺少的部分。傳統(tǒng)的微型閥可以分為被動閥和主動閥兩種。傳統(tǒng)的微型閥由于結(jié)構(gòu)簡單工藝比較成熟,在此不作詳細(xì)介紹。以下介紹的是四種結(jié)構(gòu)或原理新穎的微型閥。6.1扭曲膜微型閥由加州理工Tai等人先后研制了兩種高性能新型制止微閥,其原理示意圖如圖13所示。前者為使用新型塑料聚對二甲苯制造的扭曲膜微型閥,此閥的順流沖破壓力小于0.5kPa,逆流的制止壓力可達(dá)600kPa以上,性能非常好。后者為帶封閉環(huán)的制止閥,此閥的結(jié)構(gòu)簡單,逆流壓力達(dá)到207kPa也不會出現(xiàn)可見的泄露現(xiàn)象,順流方向上的沖破壓力小于6.9kPa,此閥集成到流動系統(tǒng)中的情況如圖21所示,測試結(jié)果表明,此閥幾乎可以達(dá)到一個理想的運行狀態(tài)。6.2氣體微閥的應(yīng)用圖14所示為基于Ta-Si-N膜上的靜電驅(qū)動的氣體微閥工作原理圖,此微閥的尺寸為340×40μm,其工作壓力可達(dá)0.2MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它靜電驅(qū)動的氣體微閥,有很好的應(yīng)用前景。6.3移動電場作用在微尺度條件下的流動,粘性力起著越來越重要的作用。如圖15所示,將ER流體理想化為柱狀的可極化分子模型。當(dāng)在微通道中的流動無電場作用時,如圖(a)所示,流體分子都有朝流動方向一致的趨勢;當(dāng)流場中作用一與流動垂直的電場時,如圖(b)所示,在極化的作用下,流體分子與流動方向垂直,從而導(dǎo)致流體的粘性增大。這就是所謂的電流變現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象可以制成微閥。報道中這種微閥的工作壓力可達(dá)0.17MPa。7微起伏阻力情況對MEMS系統(tǒng)中微通道內(nèi)流體阻力的研究從未間斷過,最近的研究主要集中于不同形狀的微通道轉(zhuǎn)角的流動阻力和直通道內(nèi)微突起的阻力情況,因為這兩種情況在MEMS中非常頻繁的出現(xiàn),很具有實用性。圖16所示為MEMS系統(tǒng)中最常見到的三種類型的轉(zhuǎn)角情況,圖17則顯示了三種轉(zhuǎn)角的阻力測試結(jié)果及與理論分析的對比曲線。圖18為直微通道內(nèi)不同大小的突起情況,圖19所示為對應(yīng)的阻力測試結(jié)果及與理論分析曲線的對比結(jié)果。8ic控制系統(tǒng)典型的微流動系統(tǒng)是集成多個流動器件(還可能包括IC控制系統(tǒng)),能夠獨立智能的完成一項或多項任務(wù)的流動系統(tǒng)。如圖20所示為集成了微閥和微噴等的微推進(jìn)器,圖21所示為集成了多種器件的火箭芯片。9國外微流研究的一些挑戰(zhàn)MEMS技術(shù)的高速發(fā)展為微流動系統(tǒng)的研究提供了非常好的機(jī)遇和條件,同時也提出了更多的挑戰(zhàn)。9.1過渡區(qū)的n-s方程在微尺度下,方程的適用性問題是首先應(yīng)該考慮的問題。對于氣體流動,當(dāng)氣體的分子數(shù)密度低于一定值時(使得氣體努森數(shù)大于0.1),傳統(tǒng)的N-S方程將不再適用;當(dāng)分子數(shù)密度足夠小時(努森數(shù)大于10),氣體流動符合自由分子流;而在這期間很大的范圍內(nèi)(稱之為過渡區(qū)),目前還沒有統(tǒng)一的方程可以對其進(jìn)行求解。即使在連續(xù)性假設(shè)可以使用的情況下,由于流動滑移、熱蔓延、粘性耗散、可壓縮性以及一些在微尺度下才影響顯著的分子間作用力等對邊界條件的影響也應(yīng)該充分的考慮到。9.2相關(guān)理論和實驗驗證尺度效應(yīng)一般可分為力的尺度效應(yīng)和物性的尺度效應(yīng)。力的尺度效應(yīng)近來是人們討論比較多的熱門話題,但各種文獻(xiàn)中給出的力隨尺度變化的關(guān)系卻并不統(tǒng)一,還需要理論和實驗的進(jìn)一步驗證。物性的尺度效應(yīng)由于實驗條件的限制,目前研究也僅限于對粘性隨尺度變化的一些奇異現(xiàn)象,而且實驗結(jié)果數(shù)據(jù)量少,也同樣期待著大量實驗的驗證。9.3粗糙度對微通道內(nèi)流動阻力的影響表面效應(yīng)通常是微流動研究中最為關(guān)心的問題。表面效應(yīng)可分為表面形貌效應(yīng)和表面力效應(yīng)。所謂表面形貌主要是指粗糙度對微通道內(nèi)流動阻力的影響,這方面的研究人們做了很多工作,但結(jié)果不盡相同,有時甚至是相互矛盾的。表面力效應(yīng)則內(nèi)容豐富得多,例如微尺度下的表面粘附力、表面摩擦力、表面吸收層問題以及表面親和力等。雖然表面力效應(yīng)大多數(shù)都可以從分子間作用力的角度合理解釋,但有些具體的系統(tǒng)工作還沒真正的展開,還有很大的發(fā)展空間。9.4分子模擬dmd使用傳統(tǒng)方程并加以適當(dāng)修正的方法是解決微尺度下流動問題的行之有效的處理方法,但其最大的缺點是每一次修正都需要大量實驗的驗證。