胡美些

綜述·專稿

MEMS固體微推力器的發(fā)展綜述

胡美些

（內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070）

MEMS固體微推力器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在微、納衛(wèi)星上具有很好的應(yīng)用前景?？偨Y(jié)和概述了MEMS固體微推力器的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造工藝技術(shù)，然后分析相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究情況進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，最后針對(duì)應(yīng)用需求，提出后續(xù)研究的建議。

固體微推力器；微機(jī)電系統(tǒng)；微推進(jìn)系統(tǒng)

1 引言

采用微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱微系統(tǒng)，MEMS）技術(shù)的微/納衛(wèi)星具有短周期、低成本、應(yīng)用廣、易擴(kuò)展、組網(wǎng)活等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其中之一便是采用微推力器的微/納衛(wèi)星技術(shù)。該技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的技術(shù)難題是微推進(jìn)系統(tǒng)中微/納衛(wèi)星位置保持、姿態(tài)控制等功能的實(shí)現(xiàn)[1]。

由于微/納衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，通常要求微推進(jìn)系統(tǒng)具有高集成度、低功耗、小推力、微沖量的特點(diǎn)。目前微/納衛(wèi)星采用的微推進(jìn)系統(tǒng)主要包括冷氣微推力器、化學(xué)微推力器和電微推力器三大類[2]。化學(xué)微推力器與冷氣微推力器相比比沖高，比電微推力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低，特別適合于微/納衛(wèi)星上應(yīng)用?；瘜W(xué)微推力器中的基于MEMS技術(shù)的固體微推力器（MEMS固體微推力器）雖然具有推力作用點(diǎn)分散，需要消耗工質(zhì)，壽命有一定的限制等缺點(diǎn)，但是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、封裝緊湊、無(wú)可動(dòng)部件、可靠性高、響應(yīng)快、推力可調(diào)、易集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，還是特別適合在高集成度、衛(wèi)星與推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)的微/納衛(wèi)星上應(yīng)用。

上世紀(jì)90年代，美國(guó)TRW公司等在DAPRA的資助下開展陣列式MEMS固體微推力器的研究[3]，提出了“數(shù)字推進(jìn)”的概念，并開展了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制備、封裝、測(cè)試等相關(guān)工作，單個(gè)單元沖量達(dá)到10-4N?s。美國(guó)Honeywell技術(shù)中心和Princeton大學(xué)等單位合作研究了高集成度的MEMS微型固體推力器，在1.3in（3.302cm）×l.3in（3.302cm）的硅片上集成了512×512個(gè)獨(dú)立推進(jìn)單元[4]。除此之外，法國(guó)LAAS-CNRS實(shí)驗(yàn)室針對(duì)軍用和民用微型航天器及微型航空器的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制造了兩種結(jié)構(gòu)的MEMS固體微推力器，其推力分別達(dá)到0.28～14mN和10～50mN[5～7]。韓國(guó)和日本的科研院所也開展了MEMS微型固體推力器的相關(guān)研究工作[8～10]。國(guó)內(nèi)最早開始研究MEMS固體微推力器的北京理工大學(xué)早在上世紀(jì)90年代末就已經(jīng)開始這方面的研究工作[11]。緊接著，清華大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京控制研究所、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校和科研院所相繼在MEMS固體微推力器方面開展了相關(guān)的研究工作。清華大學(xué)研制了基于MEMS技術(shù)的固體化學(xué)微推進(jìn)器，并對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了分析研究[12～15]。南京理工大學(xué)研究了10×10MEMS數(shù)字固體微推進(jìn)器，并對(duì)其推進(jìn)陣列設(shè)計(jì)、制備、性能進(jìn)行了研究[16，17]。北京控制工程研究所和北京航空航天大學(xué)在MEMS固體微推力器陣列對(duì)微/納/皮衛(wèi)星驅(qū)動(dòng)、控制方法和點(diǎn)火控制技術(shù)等方面開展研究[18～21]。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)從微推進(jìn)系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，制備出了三層結(jié)構(gòu)的4×4陣列的驗(yàn)證性MEMS固體微推進(jìn)器并開展了點(diǎn)火試驗(yàn)和微推力測(cè)試[22，23]。

2 設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

MEMS固體微推力器的設(shè)計(jì)和制造均基于微機(jī)械技術(shù)，通過(guò)采用微機(jī)械加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)批量制造和結(jié)構(gòu)功能集成化、微型化、智能化。MEMS固體微推力器的推進(jìn)原理與固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同，通過(guò)點(diǎn)火電路點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑，使推進(jìn)劑在燃燒室中燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體經(jīng)噴口加速噴出產(chǎn)生反作用推力。采用推進(jìn)陣列設(shè)計(jì)形式實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火啟動(dòng)可以成功解決固體推進(jìn)劑作為一次性消耗品的缺點(diǎn)。具體做法是借助MEMS工藝在同一個(gè)基片上制作出若干微推進(jìn)單元，通過(guò)具有邏輯尋址功能的底部點(diǎn)火電路，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)推進(jìn)單元的獨(dú)立點(diǎn)火或者是幾個(gè)推進(jìn)單元的聯(lián)合點(diǎn)火，這種工藝方法可以產(chǎn)生大小可變的脈沖推力，實(shí)現(xiàn)推力的“數(shù)字式”控制。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

MEMS固體微推力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是“三明治”結(jié)構(gòu)。由TRW公司設(shè)計(jì)的微推力器結(jié)構(gòu)分為三個(gè)基本層，如圖1所示。頂層的噴口層采用單晶硅濕法刻蝕加工而成，還設(shè)置了提高燃燒室壓力的爆破薄膜（0.5μm氮化硅），目的是增大流體噴出速度實(shí)現(xiàn)推力的提高。而且通過(guò)增高燃燒室壓力可以使推進(jìn)劑燃速加快，燃燒效率提高。中間玻璃層為裝填固體推進(jìn)劑的燃燒室層，推進(jìn)劑被澆注到燃燒室腔中，裝藥腔通孔厚度1.5mm，孔徑為300～700μm，通過(guò)調(diào)整燃燒室內(nèi)徑和噴嘴的幾何尺寸改變每個(gè)單元推力的大小。底層為點(diǎn)火層，在硅片上集成多晶硅點(diǎn)火電路，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制。各結(jié)構(gòu)層通過(guò)粘接等方式裝配后封裝在一起。

法國(guó)的LAAS-CNRS實(shí)驗(yàn)室在推動(dòng)固體微推力器的發(fā)展和應(yīng)用上開展了大量的工作，他們提出了另外兩種不同結(jié)構(gòu)的MEMS固體微推力器，分別是：垂直構(gòu)型；平面構(gòu)型，如圖2所示。其中，垂直構(gòu)型的微推力器，采用將多晶硅點(diǎn)火電路置于噴口處來(lái)改進(jìn)原有的經(jīng)典“三明治”結(jié)構(gòu)，這種改進(jìn)有利于增加燃燒室的長(zhǎng)度，改善推進(jìn)劑在燃燒室中的燃燒過(guò)程，同時(shí)提供更長(zhǎng)的脈沖時(shí)間。LAAS-CNRS實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的另一種垂直構(gòu)型微推力器的單元燃燒室直徑和長(zhǎng)度均較大（1.5 mm×1.5mm），提供的單元推力為0.28～14mN，可以滿足微型航天器的位置保持和軌道機(jī)動(dòng)的需要。另一種平面構(gòu)型的微推力器結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，中間層為包含燃燒室和噴口的單個(gè)硅片層，上下兩層分別為Pyrex玻璃和陶瓷板，在Pyrex玻璃與中間硅片層之間有0.3μm的薄膜電阻點(diǎn)火層。該平面構(gòu)型的微推力器可提供10～50mN的推力，可實(shí)現(xiàn)微型航天器的姿態(tài)控制。這兩種結(jié)構(gòu)均采用了絕緣薄膜上沉積多晶硅電阻點(diǎn)火方式，這種方式可以保證點(diǎn)火電阻與推進(jìn)劑/點(diǎn)火藥直接接觸，實(shí)現(xiàn)低能量的可靠點(diǎn)火。

圖2 LAAS-CNRS實(shí)驗(yàn)室的MEMS固體微推力器典型結(jié)構(gòu)[5]

我國(guó)清華大學(xué)、南京理工大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等均研究設(shè)計(jì)了三明治式的MEMS固體微推力的結(jié)構(gòu)并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。清華大學(xué)設(shè)計(jì)制作了3層MEMS結(jié)構(gòu)的6×6陣列的固體推進(jìn)器樣機(jī)，分別是Py-rex7740玻璃基底的點(diǎn)火層、P型硅片的燃燒室層和噴嘴層，如圖3所示。在對(duì)樣機(jī)點(diǎn)火測(cè)試時(shí)，瞬間點(diǎn)火功率小于1W，平均點(diǎn)火電壓比電推進(jìn)系統(tǒng)的點(diǎn)火電壓大大降低，不到40V，但是點(diǎn)火功率和點(diǎn)火電壓相較實(shí)際微型衛(wèi)星應(yīng)用要求來(lái)看仍然是偏高的，需要在后續(xù)的研究中進(jìn)一步改進(jìn)推進(jìn)劑配方和加注工藝，提高燃燒室與噴嘴層絕熱性能來(lái)加以克服[14]。

圖3 固體推進(jìn)器的三明治結(jié)構(gòu)圖

圖4 固體推進(jìn)器“三明治”結(jié)構(gòu)圖

圖5 南京理工大學(xué)6×6固體微推進(jìn)陣列整體封裝效果

南京理工大學(xué)設(shè)計(jì)制備的原理樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)同樣為噴口層、藥室層和密封層的“三明治”結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。噴口層底部覆蓋一層用于藥室密封的薄膜片，噴口背面制備點(diǎn)火橋和引線從而共同構(gòu)成噴口層，提高了器件的性能和藥室長(zhǎng)度的可擴(kuò)展性。噴口層與藥室層通過(guò)貼片式鍵合成為一個(gè)整體。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂價(jià)廉易得，強(qiáng)度又高，特別適合作為藥室材料使用，所以三層結(jié)構(gòu)從上到下依次為單晶硅材質(zhì)的噴口層、阻燃型環(huán)氧樹脂的藥室層和石英玻璃材質(zhì)的密封層，如圖4、圖5所示[24]。原理樣機(jī)經(jīng)單元點(diǎn)火測(cè)試和微沖量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)平均發(fā)火延遲時(shí)間小于50ms，微沖量平均值為2.55744×10-4N?s。

國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)制作了4×4陣列的、三明治式的MEMS固體微推進(jìn)器原理樣機(jī)，其底部為2in（5.08cm）的微晶玻璃片制成的點(diǎn)火層，中間為40mm×2mm的微晶玻璃制作的燃燒室，頂部為40mm×1mm的熱氧化硅片制作的噴管層，如圖6所示。利用此樣機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火試驗(yàn)和微推力測(cè)試，其中最低點(diǎn)火功率6.66W，平均推力約為0.2mN，脈沖沖量介于10～30μN(yùn)?s[25]。

圖6 國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)的微推進(jìn)器的組裝過(guò)程圖

2.2 制造工藝

MEMS固體微推力器的制造工藝以批量化的微電子制造技術(shù)為基礎(chǔ)，加上特有的微加工技術(shù)（硅基微加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、精密機(jī)械加工技術(shù)），并與IC（集成微電子系統(tǒng)，集成電路）集成在一起。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，MEMS固體微推力器一般制造工藝過(guò)程包括：點(diǎn)火層/薄膜點(diǎn)火器的制造、燃燒室層的制造、噴口層的制造及層間的連接裝配。

2.2.1 點(diǎn)火層/薄膜點(diǎn)火器的制造工藝

點(diǎn)火層/薄膜點(diǎn)火器的制造主要是使點(diǎn)火橋、引線薄膜圖形化，點(diǎn)火電路的基板一般采用硅片（表面需氧化處理）或耐熱玻璃片（Pyrex）等，常用的工藝主要包括濺射、低壓化學(xué)氣相沉積、光刻、濕法刻蝕等[26]。濺射是靶材表面的原子、分子在被陰極加速的氬離子轟擊下濺射出來(lái)沉積在基底表面上形成薄膜。采用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）的方法可以在將反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行沉積反應(yīng)時(shí)的操作壓力，降低到大約采用133Pa以下操作壓力將反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)淀積到基片表面形成一層固體膜的工藝。光刻是使紫外光穿過(guò)掩模版上的圖形窗口，照射基底上的光敏薄膜，將掩模上的圖像“轉(zhuǎn)移”到基底上，實(shí)現(xiàn)所需要微小圖形的加工。濕法刻蝕是在選擇性地保護(hù)預(yù)定的薄膜區(qū)域后，利用腐蝕溶液進(jìn)行刻蝕，得到所需的圖形。點(diǎn)火層/薄膜點(diǎn)火器的制造根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、材料和技術(shù)途徑的不同，選擇相應(yīng)的制造工藝，形成工藝流程。

2.2.2 燃燒室的制造工藝

適合燃燒室層的材料一般包括硅、可微加工的陶瓷、微晶玻璃或光敏玻璃，裝藥空腔的制造工藝過(guò)程較簡(jiǎn)單，采用感應(yīng)耦合等離子法刻蝕（ICP）或深反應(yīng)離子刻蝕（Deep RIE）工藝形成燃燒室通孔。

MEMS微推力器燃燒室推進(jìn)劑通常采用復(fù)合推進(jìn)劑，其澆注裝藥過(guò)程與固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥過(guò)程類似，重點(diǎn)要考慮澆注的特殊環(huán)境要求，一般需要采用在真空環(huán)境下進(jìn)行或加壓注入的方式，澆注過(guò)程中保持恒溫環(huán)境。澆注完成后，在一定溫度下使推進(jìn)劑固化成型。

2.2.3 噴口層的制造工藝

噴口層一般為收斂擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，由于其型面流線連續(xù)變化的要求，其加工要求較高，工藝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。除了采用上述工藝過(guò)程之外，主要采用硅各向異性刻蝕技術(shù)，利用硅各個(gè)晶面被刻蝕速率的不同，可以制備各種復(fù)雜精密的三維微結(jié)構(gòu)。通過(guò)雙面異向濕法腐蝕可以形成噴口層的收縮與擴(kuò)張段。

2.2.4 連接裝配工藝

微推力器的各層結(jié)構(gòu)分別加工, 通常采用鍵合和粘接的辦法裝配。陽(yáng)極鍵合技術(shù)可以將玻璃與金屬、合金或半導(dǎo)體鍵合在一起，而不用任何粘接劑，且鍵合界面牢固、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，是MEMS技術(shù)中常用的加工工藝。如通過(guò)陽(yáng)極鍵合可以實(shí)現(xiàn)玻璃基底的點(diǎn)火電路和硅材燃燒室連接，噴口采用硅，與燃燒室之間可以通過(guò)環(huán)氧樹脂粘接的方式連接。

3 技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)分析

MEMS固體微推力器的尺寸小（毫米、亞毫米量級(jí)），存在小尺度效應(yīng)、熱損失、表面張力等問(wèn)題，使MEMS固體推力器的設(shè)計(jì)制造存在很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在微尺度下的燃燒特性和燃燒機(jī)理與宏觀尺度不同，很多在宏觀尺度下被忽略的因素如熱損失、摩擦力等將對(duì)微尺度下的燃燒產(chǎn)生很大的影響[27]。因此，如何使固體推進(jìn)劑在微尺度下可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒是MEMS固體微推力器發(fā)展需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 點(diǎn)火的可靠性、降低點(diǎn)火能量

微型推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的重要指標(biāo)是低功耗，因此要求MEMS固體微推力器能夠在足夠小的能量下實(shí)現(xiàn)高可靠的點(diǎn)火。由于MEMS固體微推力器中的點(diǎn)火電阻尺寸十分微小，如何使低電壓下的微米量級(jí)電阻達(dá)到極高溫度且點(diǎn)燃推進(jìn)劑，是MEMS固體微推力器需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。點(diǎn)火方式設(shè)計(jì)、點(diǎn)火電阻材料選擇及圖形的設(shè)計(jì)是點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。目前應(yīng)用的點(diǎn)火材料有多晶硅、Pt、Cr、A1/Ni合金、Pt/Ti電阻絲等，點(diǎn)火電阻大多采用單根折線形的設(shè)計(jì)方式以便增大點(diǎn)火電阻與推進(jìn)劑的接觸面積，提高點(diǎn)火可靠性。但是電阻越長(zhǎng)，成型過(guò)程中電阻斷開的可能性也越大，降低了點(diǎn)火的可靠性。

3.2 推進(jìn)劑燃燒的穩(wěn)定性

與宏觀尺度燃燒相比，微尺度燃燒表現(xiàn)出許多新的燃燒特性，如熱損失較大、燃燒不穩(wěn)定、層流特點(diǎn)顯著以及壁面黏性效應(yīng)增強(qiáng)等。這些特性對(duì)固體推進(jìn)劑在微尺度燃燒室中的燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，特別是隨著尺寸減小，熱損失增大，燃燒困難，更加容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，甚至直接熄滅。

除了考慮燃燒室尺度效應(yīng)之外，由于燃料駐留時(shí)間短，可能出現(xiàn)推進(jìn)劑燃燒不完全現(xiàn)象，影響其燃燒效率和性能發(fā)揮。因此，選擇易于點(diǎn)火和快速穩(wěn)定燃燒的推進(jìn)劑也是MEMS微推力器成敗的關(guān)鍵。目前文獻(xiàn)報(bào)道的推進(jìn)劑主要有AP/HTPB/Al復(fù)合推進(jìn)劑、雙基推進(jìn)劑（DB）、HTPB/AP、黑火藥、GAP/AP/鋯（Zr）、斯蒂芬酸鉛、硼/硝酸鉀（NAB）推進(jìn)劑、鈍感點(diǎn)火藥（ZPP）等。

3.3 固體推進(jìn)劑的澆注和結(jié)構(gòu)的安全密封

對(duì)于固體微推力器而言，在狹小的空間中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的裝藥非常重要。但是由于推力單元燃燒室直徑很小，由于表面張力等因素的影響，將具有一定粘性的推進(jìn)劑注入小孔中，容易產(chǎn)生裝藥量不均勻、氣泡、點(diǎn)火橋和推進(jìn)劑的接觸空隙等問(wèn)題。另一方面，微推力器工作時(shí)，要承受高溫高壓（幾兆帕）載荷環(huán)境，需要保證結(jié)構(gòu)單元的可靠密封。

3.4 性能重復(fù)性和工作可靠性

由于制造過(guò)程中推進(jìn)劑填充程度及推進(jìn)劑與點(diǎn)火單元的接觸程度存在一定的偏差，導(dǎo)致每個(gè)微推力器單元的性能一致性差。另外，由于推力器采取高集成度設(shè)計(jì)，推力器單個(gè)推力單元工作時(shí)，由于導(dǎo)熱或密封問(wèn)題，可能導(dǎo)致相鄰的單元被點(diǎn)燃，出現(xiàn)工作異常。與硅的高導(dǎo)熱性相比，燃燒室采用Foturan玻璃具有更好的絕熱性能，可以減少相鄰?fù)屏卧捎趯?dǎo)熱引起的意外燃燒。

3.5 性能測(cè)試

固體微推力器單個(gè)推力單元的工作時(shí)間非常短，產(chǎn)生的推力很小且變化迅速，對(duì)其進(jìn)行壓力、推力及沖量的測(cè)量比較困難，高精度微推力和微沖量的精確測(cè)試是發(fā)展微推力器需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

4 國(guó)內(nèi)外研究對(duì)比

國(guó)內(nèi)外目前的研究大多處于原理樣機(jī)、性能參數(shù)模擬、仿真實(shí)驗(yàn)室研究階段，特別是陣列尋址、點(diǎn)火控制、姿態(tài)變化、軌道保持與變換控制等方面大多采用數(shù)值模擬或仿真進(jìn)行研究，最貼近應(yīng)用的研究就是空間驗(yàn)證試驗(yàn)[27～32]，截止目前國(guó)際公開報(bào)道的接受地面點(diǎn)火指令成功點(diǎn)火的MEMS固體微推力器陣列芯片僅有在金牛座納星上使用的由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、南京理工大學(xué)等聯(lián)合研制的碳化硅MEMS微推力器陣列芯片，該芯片成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)金牛座納星的在軌姿態(tài)控制驗(yàn)證,說(shuō)明該技術(shù)已由實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入工程應(yīng)用研究階段[33]。

微推力器從幾何結(jié)構(gòu)來(lái)看，分為垂直構(gòu)型和平面構(gòu)型兩種，雖然垂直構(gòu)型制作方法更為復(fù)雜，而平面構(gòu)型可以把微推進(jìn)器的各個(gè)部分都集成在同一個(gè)晶圓上而減少了制造步驟和粘接技術(shù)，但是由于垂直型集成度高、擴(kuò)展方便，更適合大規(guī)模推進(jìn)器陣列組，所以無(wú)論是國(guó)外的美國(guó)、日本、新加坡，還是國(guó)內(nèi)的各大高校，選擇垂直型的較多，而垂直構(gòu)型又以三明治式為多。三明治結(jié)構(gòu)的噴口層-燃燒室層-點(diǎn)火層，其材質(zhì)分別有硅-玻璃-硅、硅-硅-玻璃、硅-環(huán)氧樹脂-石英玻璃（光敏玻璃）和硅-微晶玻璃-微晶玻璃等多種選擇。其中，硅材料因?yàn)榫哂辛己玫陌雽?dǎo)體性能和機(jī)械性能，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)械和微電子的系統(tǒng)集成，適合批量生產(chǎn)，所以成為MEMS固體微推進(jìn)器研制初期的首選制備材料，但是由于玻璃，特別是光敏玻璃和微晶玻璃，具有熱導(dǎo)率低、制造成本低、集成度高的特點(diǎn)，近年來(lái)成為制作微推進(jìn)器材料的新寵[34～38]。

發(fā)展MEMS固體微推力器的挑戰(zhàn)之一在于推進(jìn)劑瞬時(shí)點(diǎn)火過(guò)程的控制，不同的點(diǎn)火方式會(huì)有不同的點(diǎn)火效果。目前國(guó)內(nèi)外采用的點(diǎn)火方式包括底部點(diǎn)火和頂部點(diǎn)火。底部點(diǎn)火過(guò)程是由底層的點(diǎn)火電路點(diǎn)燃中間燃燒室內(nèi)的藥劑，藥劑燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體沖出頂層的噴口層形成微推力做功。對(duì)于×的陣列式微推進(jìn)器，每個(gè)單元均含有與邏輯控制電路集成為一體的獨(dú)立推進(jìn)單元和獨(dú)立加熱絲，二者同軸排列在裝有燃料的燃燒室下方，使每個(gè)單元都可獨(dú)立或者組合尋址進(jìn)行點(diǎn)火控制。美國(guó)的TRW、Honeywell 技術(shù)中心和Princeton大學(xué)等以及國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等均采用此種點(diǎn)火方式[14，39]。但是對(duì)于底部點(diǎn)火，當(dāng)中間層的燃燒室壓力超過(guò)薄膜的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，未反應(yīng)的推進(jìn)劑（藥劑）和燃燒產(chǎn)物會(huì)一起沖出，降低推進(jìn)劑的利用率，造成推力損失。而頂層點(diǎn)火除了前面提到的有利于燃燒和提高脈沖時(shí)間之外，還具有極高的適應(yīng)性，只要在燃燒室的尺寸上稍加修改，即可滿足不同質(zhì)量級(jí)別的微納衛(wèi)星需求[24]。所以法國(guó)的LASS-CNRS實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院（KAIST）、南京理工大學(xué)等一些研究單位將點(diǎn)火橋和引線設(shè)計(jì)于頂層的噴口層與藥室層之間，同時(shí)噴口層底部預(yù)留有一層薄膜片，用于藥室密封，當(dāng)點(diǎn)火藥燃燒生成的熱向推進(jìn)劑方向形成熱對(duì)流，引燃推進(jìn)劑時(shí)，會(huì)輔助燃燒室內(nèi)產(chǎn)生壓力，使藥劑燃燒完全，最后沖破薄膜密封，噴出氣體做功。采取此種點(diǎn)火方式的主要目的就是希望能提高器件性能以及將來(lái)在此基礎(chǔ)上藥室長(zhǎng)度的可擴(kuò)展性[6，25，36，40]。在制造或組裝過(guò)程中，由于密封藥室的薄膜強(qiáng)度不足，頂部點(diǎn)火的點(diǎn)火電路很容易發(fā)生故障。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)MEMS固體微推力器的研究主要集中在微推力器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝方法、工藝參數(shù)對(duì)性能的影響以及部分性能測(cè)試等方面，對(duì)微推力器陣列點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)與控制、點(diǎn)火過(guò)程詳細(xì)描述等方面的研究很少[18]。

5 結(jié)束語(yǔ)

從應(yīng)用需求來(lái)看，微型航天器的位置及姿態(tài)保持精度取決于它的質(zhì)量和推進(jìn)系統(tǒng)提供的最小沖量單元。微型衛(wèi)星質(zhì)量一般為1～20kg，而納米衛(wèi)星質(zhì)量則低于1kg。對(duì)于這些微納衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，由于質(zhì)量很小，完成高精度位置和姿態(tài)保持所要求的推力和沖量也非常小，一般推力為mN量級(jí)甚至更低，沖量在（10-9～10-3）N?s量級(jí)。目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)展的MEMS固體微推力器性能指標(biāo)基本能夠滿足上述應(yīng)用的需求。由于MEMS固體微推力器完全采用MEMS制造技術(shù)，可以在同一芯片上高集成度制造大量的推力脈沖單元，通過(guò)一定的邏輯功能，可以方便地產(chǎn)生特定要求的沖量。固體推進(jìn)劑具有高體積比沖的特點(diǎn)，可以滿足固體微推力器體積小和質(zhì)量輕的要求，因此，MEMS固體微推力器特別適合在高度集成的微/納衛(wèi)星上應(yīng)用。

由于MEMS固體微推力器的發(fā)展仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)，其可靠性和性能穩(wěn)定性等方面尚未得到充分驗(yàn)證，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)，特別是需要在微尺度下含能材料的點(diǎn)火過(guò)程及控制、燃燒基礎(chǔ)方面開展深入研究，使該類型的推進(jìn)器技術(shù)達(dá)到應(yīng)用水平。

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Development of MEMS Solid Micro Thruster

Hu Meixie

(Inner Mongolia Technical College of Mechanics & Electrics, Hohhot 010070)

Because of the advantages of simple structure, low energy consumption, high reliability and small size, MEMS solid micro thruster has a good application prospect in Micro and nano-satellites. In this paper, firstly, the design method, structural characteristics and manufacturing technology of MEMS solid micro thruster are summarized, and then the related technical difficulties and key technologies are analyzed and the domestic and international research situation was compared. Finally, according to the application requirements, some suggestions are put forward for the follow-up research.

solid micro thruster；micro electro-mechanical systems；micro propulsion system

V435

A

胡美些（1977），副教授，材料加工工程專業(yè)；研究方向：材料加工、制備和測(cè)試。

2021-10-28