柔性mems减阻蒙皮及其制造方法

专利名称：柔性mems减阻蒙皮及其制造方法
技术领域：
本发明属于微型机械和流体动力学技术领域，特别涉及一种柔 性MEMS (Micro Electro-Mechanical System)减阻蒙皮及其制造方法。
背景技术：
水面及水下航行体行驶时所受到的行进阻力包括压差阻力、旋涡 阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常占据最大比重，对于长度 和长宽比或长径比比较大的航行体尤其如此。因此，降低其表面摩擦 阻力具有重要意义在动力一定的条件下，降低摩擦阻力将使航行体 的航速和航程有效增加；或者反之，在保证航速和航程的前提下，可 縮减动力系统的体积和重量，节省空间和有效载荷，在航行体总体设 计中，提升其它子系统的性能。
目前减阻技术的理论和应用研究主要集中在湍流边界层，涉及多 种技术方案。聚合物添加剂减阻的理论研究发展很快，但其实用化面 临成本和环保等问题。表面形貌减阻(如肋条减阻)和仿生减阻(如 柔顺壁减阻)是无源减阻方式，无需致动器和功率输入，并能够在不 改变航行体外轮廓的前提下实现一定的减阻效果。但不同研究者给出 的实验结果相差较远，局部表面摩擦阻力的降幅大多在5%到20%之 间。
表面减阻的另--有效途径是气泡注入减阻，通过一定的机构向航行体与水接触的界面以一定速度喷射气体，变单相流为水-气泡双相 流，其局部摩擦阻力的最大降幅据称可达80%。这种技术的作用原理 尚无确切定论， 一般认为一定浓度的气泡注入后，改变了液/固界面
附近流体的等效密度和粘度，从而降低了表面摩擦阻力系数；也有一
些最新的研究成果认为气泡的可压縮性是主要原因。此外，注入气泡 的直径越小，与壁面距离越小，则减阻效果越好。气体注入的方式最 初多采用多孔板，气泡大小和分布范围难以控制，多数气泡对减阻是 无效的，因此所需气流量和功耗过大，很难实际用于舰船和其它航行 体。为更精确地控制气泡的大小及其与航行体壁面的距离，还有人提
出了采用MEMS流体控制器件制备气泡发生器的方案。但总之气泡 注入减阻方式需要额外的气体喷射系统，并且该系统必需持续工作， 这对航行体的动力系统是较大负担；而且注入气泡并没有从根本上改 变固体壁面和液体的接触状态，就目前的研究现状分析，其减阻效果 在实用中到底如何尚无可靠保证。
引入气体的减阻方式还有一例是利用超空化原理，使得航行体在 高速行驶过程中，在其头部发生空化生成大量气体，形成气膜将航行 体大部分外表面包裹，从而变液-固界面为液-气-固界面，大大减小摩 擦阻力。但存在空化噪声，而且需要采用特殊的发动机，且功耗极大， 虽然航速很高，但航程大大縮短。

发明内容
本发明的目的是为解决背景技术中所述引入气体的减阻方式存在 功耗过大、有空化噪声及航程縮短等问题，基于利用微细驻留气泡实现减阻的原理，提供一种柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于，柔 性MEMS减阻蒙皮由衬底K绝缘层2、表层3、金属电极和引线等 构成，蒙皮上表面是表层3，下表面是衬底l，表层3为柔性材料制 备的柔性材料薄膜，其上开孔，形成微凹坑6阵列，表层3下方，在 每个微凹坑6的底部有包括电解阳极4和电解阴极5的交错排列微细 平面梳状电极，阳极引线端子7和阴极引线端子8通过内部连线分别 与每个微凹坑6内的电解阳极4和电解阴极5导通，电解电极、引线 端子及其之间的内部连线均附着在绝缘层2上，绝缘层2下方是衬 底l，衬底1是柔性材料制备的柔性材料薄膜，在对应于阳极引线端 子7和阴极引线端子8的部位，衬底1和绝缘层2被去除，阳极引线 端子7和阴极引线端子8暴露于蒙皮下表面，是连接外部供电导线的 焊接部位。
所述制备柔性材料薄膜表层3和衬底1的柔性材料为聚酰亚 胺(polyimide)或聚对二甲苯(parylene)等柔性高分子聚合物。 所述绝缘层2为二氧化硅薄膜，其厚度为0.1 lpm。 所述表层3的厚度为5 250pm。 所述衬底1的厚度为5 250|iim。
所述微凹坑6的长度和宽度的尺寸均为5 250pm，深度和表层3
的厚度相同。
所述电解阳极4和电解阴极5的材料为金属铂。 所述阳极引线端子7、阴极引线端子8和内部连线的材料为铂、
金、镍、铜或铝等良导体金属中任一种。所述电解阳极4、电解阴极5、阳极引线端子7、阴极引线端子8 和内部连线的厚度为0.1 l|Lim。
柔性MEMS减阻蒙皮制造方法的技术方案为采用MEMS微细加 工工艺制备平面电极和微凹坑等微细结构以及柔性材料薄膜，具体步 骤如下
步骤1)在基底硅片11上采用MEMS平面微细工艺制备绝缘 层2，然后采用MEMS平面微细工艺制备薄膜金属图案，形成电解 阳极4、电解阴极5、阳极引线端子7、阴极引线端子8和内部连线；
步骤2)在绝缘层2和金属电极上方采用柔性材料制备柔性材料 薄膜表层3;通过光刻和刻蚀形成微凹坑6阵列，并对表层3上表面 和微凹坑6内表面进行表面浸润性处理，提高其表面接触角；
步骤3)采用体硅刻蚀工艺将基底硅片11完全去除，在绝缘层2 下方用柔性材料制备柔性材料薄膜衬底1，并通过光刻和刻蚀，在对 应于阳极引线端子7和阴极引线端子8的位置，将衬底1和绝缘层2 去除，形成连接外部供电导线的焊接部位。
所述制备绝缘层2的MEMS平面微细工艺为热氧化或LPCVD(低 压化学气相沉积)工艺。
所述制备薄膜金属图案的MEMS平面微细工艺为光刻-溅射-超声 剥离工艺。
所述制备柔性材料薄膜的工艺为旋涂工艺。 所述表面浸润性处理工艺为采用含氟等离子体进行表面改性。 所述体硅刻蚀工艺为ICP干法刻蚀(感应耦合等离子体刻蚀)或KOH湿法刻蚀(氢氧化钾各向异性腐蚀)等工艺。
本发明所实现的MEMS减阻蒙皮整体上是厚度很小的柔性薄膜 结构，可贴附于航行体流线型曲面的表面。采用MEMS微细加工工 艺制备平面电极和微凹坑等微细结构，实现阵列驻留气泡的生成机 构，生成尺寸微小的气泡附着于蒙皮表面，从而减小与流体之间的摩 擦阻力。驻留气泡生成机构采用表面电极的电解水反应产生气体，并 实现气泡的驻留和自动补充。 本发明的有益效果是
1. 所述MEMS减阻蒙皮的各部分均采用柔性材料制备，最终得 到的结构整体上是高度柔性的，能够在相当大的曲率范围内任意弯 折。因此，本发明所实现的柔性MEMS减阻蒙皮能够贴覆于任意复 杂曲面，其应用范围不受航行体外表面形状的限制。
2. 所述柔性MEMS减阻蒙皮的总厚度很小，贴覆于航行体表面 后，基本上不改变航行体外表面的形状和尺寸，因此不会影响其水力 特性。应用本发明所述的柔性MEMS减阻蒙皮，对航行体本体设计 的影响和额外要求很少，不仅可用于新型号航行体的研制，也可用于 旧型号航行体的升级改造。
3. 相比于表面形貌减阻、聚合物添加剂减阻和气泡注入减阻等 减小表面摩擦阻力的技术方案，本发明所实现的驻留气泡减阻方式将 液-固界面变为液-气界面，其减阻效果更好。
4. 所述柔性MEMS减阻蒙皮的上表面进行了表面浸润性处理， 具有较大的表面接触角，且微凹坑的宽度和深度尺寸是经过理论仿真和试验确定的优化值，能够保证微气泡在凹坑中聚集、生长、附着和 形态保持，既使在高速航行时形成的强剪切流中微气泡仍能稳定可靠 地驻留而不易随水流脱离和破裂，保证了减阻效果。
5相比于气泡注入等需要持续通电或驱动的减阻方式，本发明柔
性MEMS减阻蒙皮给航行体的供电和动力系统所造成的额外负担很小。
例如注入气泡减阻方式，如果同样采用表面电极的电解水反应生 成减阻气泡，那么气泡一经产生，会立即被水流冲向下游并脱离航行 体表面，电解水反应必需持续进行才能维持足够的气流量以补充边界
层及其附近水流中的气泡浓度。例如，某湿周为lm、航速为50kn的 航行体，如果采用电解产气的注入气泡减阻方式，根据法拉第定律计 算可知，为保证减阻效果，即使假设气泡始终接近航行体外表面而不 远离壁面，维持注入气泡浓度所需的电解电流仍可能高达104 105A， 在海水中所需的电功率高达105W，在淡水中的功耗则还要再提 高2 3个数量级。对航行体的动力及供电系统而言，这么大的维持 电流和功耗是无法接受的。而且，实际上气泡除随水流向下游流失之 外，必定以--定速度和比例随时向远离航行体壁面的方向运动，这部 分气泡对航行体而言是没有减阻效果的，因此需要更大的电功率。这 样的减阻方案也就失去了实用价值。
而本发明所实现的减阻蒙皮能够实现自适应工作模式，当微凹坑 内形成驻留的减阻气泡后，电极与水脱离接触，电解水反应自动中止； 当减阻气泡破裂或脱离后，电解水反应自动重启，并形成新的减阻气泡。航行体正常行进的过程中，已形成的驻留气泡发生破裂、收縮或 脱离的概率很低，因此，当蒙皮表面全部或绝大多数微凹坑内已形成 驻留气泡后，所需的电解电流和维持功耗很低。
6本发明所提出的柔性减阻蒙皮方案与柔性MEMS (Flexible Micro Electro-Mechanical System)技术兼容，可利用已有的材料和成 熟的加工工艺，实现原理设计所要求的材料特性、结构形式和微细特 征尺寸。
7通过电解水反应产生减阻气泡，反应过程安静平稳，特别是在 驻留气泡已经形成后，绝大多数凹坑内的电解反应会自动停止。因此， 相比于通过气泡注入或超空化方式产生减阻气泡的减阻技术，本发明 所实现的减阻蒙皮工作时产生的振动和噪声很小，不会干扰航行体的 声纳等电子设备的工作，也不会形成噪声源。
8所述柔性MEMS减阻蒙皮的结构和工艺设计，采用金属铂制 备电解电极。在电解水反应中，铂用作阳极时是稳定的，可长期使用 而不发生电极损耗和失效，有利于提高气体的生成速度和气泡的形成 速度，并且使得该减阻蒙皮可以长期反复使用，工作寿命很长，不仅 适用于一次性使用或短时运行的航行体，也适用于长期工作的水面或 水下舰船的减阻。
9所述电极引线端子暴露于蒙皮底面，所有的外部供电导线在蒙 皮-F方焊接并从航行体内部走线，不会影响蒙皮和航行体外表面的形 状尺寸和水力特性。
10所述柔性MEMS减阻蒙皮在通电情况下是主动减阻方式，如不通电，则其表面的微细凹坑阵列是一种表面形貌减阻结构，蒙皮仍
能以无源减阻模式工作而保持一定的减阻效果。


图1为柔性MEMS减阻蒙皮的工艺流程示例及其结构示意图2为柔性MEMS减阻蒙皮的减阻原理示意图3为柔性MEMS减阻蒙皮的外观和微观结构示意图。其中，a
为柔性MEMS减阻蒙皮单元的整体外观示意图，b为柔性MEMS减
阻蒙皮局部微观立体结构放大示意图。
附图标记l一衬底；2 —绝缘层；3 —表层；4一电解阳极；5 — 电解阴极；6 —微凹坑；7—阳极引线端子；8—阴极引线端子；9一减 阻气泡*, IO —水流相对于航行体航向的流动方向；ll一基底硅片。
具体实施例方式
在综合分析气泡注入和超空化气膜这两种减阻技术的基础上，本 发明提出一种新的减阻原理驻留微气泡减阻。气泡不是注入流体边 界层中，而是控制其稳定地附着和驻留在水面及水下航行体外壁表 面，大量附着的微细气泡隔离了大部分的水-固界面，变液-固界面为 液-气界面，从而使航行体行进中的表面摩擦阻力得到显著减小。结
合柔性MEMS技术，制成柔性薄膜结构，得到适用于水面及水下航
行体的减阻蒙皮。
以下为本发明的实施例，结合附图阐述本发明的实施方式。 所述柔性MEMS减阻蒙皮的结构如图lc所示，由衬底l、绝缘
层2、表层3、金属电极和内部连线等构成。蒙皮上表面是表层3，下表面是衬底1。表层3是采用聚酰亚胺(polyimide)或聚对二甲 苯(parylene)柔性高分子聚合物材料制备的柔性材料薄膜，厚度 为15pm。表层3上开孔，形成矩形微凹坑6阵列，长宽尺寸 为20pmX2(^m，其深度与表层3厚度相同，为15pm。表层3和微
凹坑6表面均经过疏水处理，形成大接触角的疏水表面。表层3下方， 每个微凹坑6的底部有交错排列的微细平面梳状电极，分别是电解阳 极4和电解阴极5。电解电极材料是金属铂，在电解水反应中不损耗。 阳极引线端子7和阴极引线端子8通过内部电连线分别与所有电解阳 极4和电解阴极5导通，阳极引线端子7、阴极引线端子8和内部连 线的材料也是金属铂。电解电极、引线端子及其内部电连线均附着在 二氧化硅绝缘层2上。用作电解电极、引线端子和内部连线的薄膜金 属层厚度为1500埃，用作绝缘层2的二氧化硅薄膜的厚度为3500埃。 绝缘层2下方是衬底1，衬底1也是采用聚酰亚胺(polyimide)或聚 对二甲苯(parylene)柔性高分子聚合物材料制备的柔性材料薄膜， 厚度为25jum。在对应于阳极引线端子7和阴极引线端子8的部位， 柔性衬底1和绝缘层2被去除，使得引线端子暴露于蒙皮下表面，便 于与外部供电连接。阳极引线端子7和阴极引线端子8用于焊接供电 导线，提供蒙皮工作时的电解电流。图lc中只画出了阴极引线端 子8。阳极引线端子7的结构与阴极引线端子8完全相同。
图1为柔性MEMS减阻蒙皮制造方法的一个工艺流程实施例 步骤一，如图la所示，在基底硅片ll上，采用热氧化或LPCVD 工艺制备二氧化硅绝缘层2。然后采用光刻-溅射-超声剥离工艺制备薄膜金属图案，形成电解阳极4、电解阴极5、阳极引线端子7、阴 极引线端子8和内部连线等。所用金属为铂，以便电解电极在电解水 反应中稳定不损耗。
步骤二，如图lb所示，在绝缘层2和金属电极上方，用聚酰亚 胺(polyimide)柔性高分子聚合物材料，采用旋涂工艺制备柔性材料 薄膜，即表层3，并通过光刻和刻蚀形成阵列微凹坑6。然后对表 层3上表面和微凹坑6内表面进行表面浸润性处理，提高其表面接触 角。表面浸润性处理工艺为采用含氟等离子体进行表面改性处理。
步骤三，如图lc所示，采用ICP干法刻蚀工艺或KOH湿法刻蚀 工艺将基底硅片11完全去除，在绝缘层下方用聚酰亚胺(polyimide) 高分子聚合物材料，采用旋涂法制备柔性材料薄膜，即衬底l。然后 在对应于阳极引线端子7和阴极引线端子8的位置通过光刻和刻蚀， 将衬底层1和绝缘层2去除，形成连接外部供电导线的焊接部位。
最终形成柔性MEMS减阻蒙皮结构如图lc所示。图1的各图中 仅画出了阴极引线端子8，阳极引线端子7的结构和工艺过程与阴极 引线端子8完全相同。
减阻蒙皮的用途是蒙覆于水面及水下航行体外表面，以减小行进 中的表面摩擦阻力。实际航行体的外表面往往并非平面，而是复杂的 流线型曲面。如果减阻蒙皮是刚性的无法变形，就只能硬性拼接在航 行体外表面，这会改变航行体的水力外形，可能反而增大压差阻力和 旋涡阻力。因此，有实用价值的减阻蒙皮必需具备较好的柔性。本发 明提出的柔性MEMS减阻蒙皮的主体结构中，表层3和衬底1均采用柔性材料制备，同时，绝缘层2和用作电解电极的薄膜金属层的厚 度极小，为亚微米量级，在这样的厚度下，金属薄膜和绝缘层薄膜也 具备较大的弹性变形率。因此，本减阻蒙皮整体上是高度柔性的，在 相当大的曲率范围内可任意弯折，能够贴覆于形状复杂的航行体外表 面，其应用范围不受航行体外形的限制。
使用中，该减阻蒙皮蒙覆于水面及水下航行体外表面。其减阻原
理如图2所示。下水后，微凹坑6被水充满。无论航行体运行于淡水
还是海水环境，水中都含有一定浓度的电解质离子。因此，通过阳极
引线端子7和阴极引线端子8给减阻蒙皮通电后，在微凹坑6底部的 电解阳极4和电解阴极5上将发生电解水反应生成氧气和氢气，形成 微小气泡。初始，气体量较少并聚集在凹坑底部和侧壁上形成较小气 泡，如图2a所示。随着电解反应进一步进行，气泡逐渐长大，如 图2b所示，在微凹坑6内气泡边缘逐渐逼近蒙皮上表面和相对的凹 坑侧壁。最终，气泡生长到足够体积并完全填充微凹坑6，形成所需 的减阻气泡9，如图2c所示。图2c所示是当航行体处于静止状态时 呈对称形状的气泡形态。当航行体以一定速度行进时，水流相对于航 行体的流动方向与航行体的航向相反，如图2d中箭头10所示。减阻 气泡9的上表面由于受到水流粘性摩擦的作用，其轮廓将变得更加平 缓并向凹坑6下游延伸--定距离，覆盖微凹坑6及其下游的表层3部 分表面，隔离了固体表面与水的直接接触，将固-水界面转变为固-气-水界面，相比于前者，后者的表面摩擦阻力系数可降低1个数量级以 上。减阻气泡9的间距远小于其长宽尺寸，因此航行体外表面的绝大部分表面积被阵列微细减阻气泡9所覆盖，从而大大降低航行体行进中的总表面摩擦阻力。
理论仿真和试验研究表明，只有当微凹坑6的尺寸足够微小，才
能实现气泡9在微凹坑6内的生长、聚集和稳定驻留并保持合理形状，
特别是在高速航行所形成的强剪切流中不破裂，不脱离壁面，从而保
证总体的减阻效果。并且表层3的上表面和微凹坑6侧壁的接触角越大，越有利于气泡9的稳定驻留和保持。需要根据蒙皮结构材料的物性参数、流体的物性参数和航行体航速范围等条件，通过理论计算和试验来确定相关设计参数的具体数值。经测算，对于多数水面及水下航行体的航速范围，微凹坑6的深度和宽度尺寸应为亚毫米量级或更小，且表层3应选取具有较大的表面接触角的材料制备或在成型后再进行表面改性处理以提高其表面接触角。这对结构、材料和尺寸设计以及加工工艺都提出了较高耍求。本发明所提出的柔性减阻蒙皮方案与柔性MEMS技术的典型材料、结构形式和加工工艺手段兼容，可利用已有的材料和成熟的加工工艺，实现原理设计所要求的材料特性、结构形式和微细特征尺寸。
由于微凹坑6的尺寸很小，因此图2所示减阻气泡9的形成时间很短，在航行体下水通电后很短时间内便会在蒙皮表面形成一层驻留微气泡并发挥减阻作用，其响应速度很高。
在航行体行进的过程中，如果上述电解水反应不中断地进行，航行体的供电系统就必需为蒙皮持续提供所需的电解电流和功率，这对航行体的动力和供电系统将造成一定的负担。特别是对小型航行体而言，这个负担可能是无法承受的。而本发明所提出的柔性MEMS减阻蒙皮，如图2c和图2d所示， 一旦减阻气泡9最终形成，微凹坑6将完全被气体充满和覆盖，隔断了电解阳极4和电解阴极5与水环境的接触，该凹坑6内的电解水反应自动中止，不再有电解电流通过。如前所述，在随航行体行进的过程中阵列减阻气泡9非常稳定，其破裂、收縮或脱离的概率很低。只有当偶然因素造成的局部冲击或振动等干扰作用过大时，才可能有极少量的减阻气泡失效，此时水又进入微凹坑6内部并与电解电极接触，电解水反应自动重启，重复图2所示的过程，直至形成新的减阻气泡9后电解水反应再次自动停止。因此，本发明所实现的柔性减阻蒙皮的工作过程是完全自适应的，并且当蒙皮表面上全部或大多数微凹坑6内都形成稳定的驻留气泡9后，总的电解电流降至非常低的水平，整个减阻蒙皮所需的运行维持功耗很低。应用本发明的减阻蒙皮实现水面及水下航行体减阻，对航行体供电系统所造成的负担很小。
如前所述，表层3的厚度等于微凹坑6的深度，其尺寸为亚毫米量级或更小，绝缘层2和金属薄膜层的厚度均为亚微米量级，衬底l的厚度对减阻功能的实现没有显著影响，可根据实际需要选取， 一般为亚毫米量级或更小。因此蒙皮整体上呈厚度很小的薄膜形态，相比于多数航行体的外形尺寸，该蒙皮的厚度是可以忽略的。此外，阳极引线端子7和阴极引线端子8位于蒙皮下表面，蒙皮的外部供电导线分别焊接在电解阳极引线端子7和电解阴极引线端子8上并从蒙皮下表面和航行体内部走线，蒙皮上表面无连线或焊点等突出物。因此，由于蒙皮具有柔性且厚度很小以及下表面引线的设计，贴覆于航行体表面后，基本上不改变航行体的外表面形状和尺寸，不会影响其水力
特性。应用本发明所提出的柔性MEMS减阻蒙皮，对航行体本体设计的额外要求很低，不仅适用于新型号航行体的研制，也适用于旧有型号航行体的升级改造。
制备完成的柔性MEMS减阻蒙皮的外观和微观结构如图3所示。图3中，a是一个柔性MEMS减阻蒙皮单元的整体外观，呈薄膜形态并具有很好的柔性，该蒙皮单元的外形尺寸为80mmX80mm，厚度为0.04mm。其下表面是光滑的衬底，阳极引线端子7和阴极引线端子8位于下表面的边缘，其上表而是密集的矩形微凹坑6阵列，微凹坑6的尺寸是20)LimX20^im，阵列规模约为2500X3200，微细梳状电解阳极4和电解阴极5位于微卩「1坑6的底部。b是柔性MEMS减阻蒙皮局部微观立体结构放大示意图。
本发明用于水面或水下各种航行体。使用中，若干这样的减阻蒙皮单元拼接贴覆在航行体外表面上需要进行减阻处理的部位。例如，对于形状细长的水面及水下航行体，其航行中所受的行进阻力主要来自中部圆柱段的表面摩擦阻力，故将本发明贴覆于该航行体的中部圆柱段外表面，仅留出头部和尾部的推进器和舵面等机构。航行体下水并给减阻蒙皮通电后，很短时间内即可在蒙皮外表面形成驻留于微凹坑6内的密集的减阻气泡9，阵列减阻气泡9覆盖了蒙皮表面绝大部分面积，从而大大减小航行体行进中的表面摩擦阻力。
权利要求
1. 一种柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于柔性MEMS减阻蒙皮主要由衬底(1)、绝缘层(2)、表层(3)、金属电极和引线构成，蒙皮上表面是表层(3)，下表面是衬底(1)，表层(3)是采用柔性材料制备的柔性材料薄膜，其上开孔，形成微凹坑(6)阵列，表层(3)下方，在每个微凹坑(6)的底部有包括电解阳极(4)和电解阴极(5)的交错排列微细平面梳状电极，阳极引线端子(7)和阴极引线端子(8)通过内部连线分别与每个微凹坑(6)内的电解阳极(4)和电解阴极(5)导通，电解电极、引线端子及其之间的内部连线均附着在绝缘层(2)上，绝缘层(2)下方是衬底(1)，衬底(1)是柔性材料制备的柔性材料薄膜，在对应于阳极引线端子(7)和阴极引线端子(8)的部位，衬底(1)和绝缘层(2)被去除，阳极引线端子(7)和阴极引线端子(8)暴露于蒙皮下表面，是连接外部供电导线的焊接部位。
2. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于所述制备柔性材料薄膜表层(3)和衬底(1)的柔性材料为柔性高分子聚合物。
3. 根据权利要求2所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于所述柔性高分子聚合物为聚酰亚胺或聚对二甲苯。
4. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在亍所述绝缘层(2)为二氧化硅薄膜，其厚度为0.1 lpm。
5. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于 所述表层(3)的厚度为5 250pm。
6. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于 所述衬底(1)的厚度为5 250pm。
7. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于， 所述微凹坑6的长度和宽度尺寸均为5 250)am，深度和表层(3)的 厚度相同。
8. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于 所述电解阳极(4)和电解阴极(5)的材料是金属铂。
9. 根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮，其特征在于 所述电解阳极(4)、电解阴极(5)、阳极引线端子(7)、阴极引线端 子(8)和内部连线的厚度为0.1 l|am。
10. —种柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于采 用MEMS微细加工工艺制备平面电极和微凹坑微细结构以及柔性材 料薄膜，具体步骤如下步骤l)在基底硅片(11)上采用MEMS平面微细工艺制备绝缘 层(2)，然后采用MEMS平面微细工艺制备薄膜金属图案，形成电 解阳极(4)、电解阴极(5)、阳极引线端子(7)、阴极引线端子(8) 和内部连线；步骤2)在绝缘层(2)和金属电极上方采用柔性材料制备柔性材料薄膜表层(3);通过光刻和刻蚀形成微凹坑(6)阵列，并对表 层(3)上表面和微凹坑(6)内表面进行表面浸润性处理；步骤3)采用体硅刻蚀工艺将基底硅片(11)完全去除，在绝缘层下方采用柔性材料制备柔性材料薄膜衬底(1 )，并通过光刻和刻蚀，在对应于引线端子(7)和(8)的位置将衬底(1)和绝缘层(2)去 除，形成连接外部供电导线的焊接部位。
11. 根据权利要求10所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述制备绝缘层(2)的MEMS平面微细工艺为热氧化 或LPCVD工艺。
12. 根据权利要求10所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述制备薄膜金属图案的MEMS平面微细工艺为光刻-溅 射-超声剥离工艺。
13. 根据权利要求10所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述制备柔性材料薄膜的工艺为旋涂工艺。
14. 根据权利要求10所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述表面浸润性处理工艺为采用含氟等离子体进行表面改 性。
15. 根据权利要求10所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其 特征在于，所述体硅刻蚀工艺为ICP干法刻蚀工艺或KOH湿法刻蚀 工艺。
全文摘要
本发明公开了一种柔性MEMS减阻蒙皮及其制造方法，利用微细驻留气泡实现减阻，属于微型机械和流体动力学领域，用于减小水面及水下航行体行进中的表面摩擦阻力。蒙皮上表面是布满微凹坑阵列的表层，并经表面浸润性处理。微凹坑底部有附着在绝缘层上的梳状微细平面金属电解阳极和电解阴极。绝缘层下方是柔性衬底，电极引线端子位于蒙皮下表面，表层和衬底均采用柔性材料制作。减阻蒙皮整体厚度为亚毫米量级，呈柔性薄膜形态，其制造方法为与柔性MEMS技术相兼容的MEMS微细加工工艺。本发明贴覆于航行体外表面，由航行体供电。通过电解水反应形成稳定驻留于微凹坑内的微气泡覆盖航行体的绝大部分表面，实现减小表面摩擦阻力的功能。
文档编号B81B7/00GK101486438SQ20091007971
公开日2009年7月22日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者朱效谷, 勇 李, 陈旭鹏, 黄伟峰 申请人:清华大学