CN105888884A - 一种微小卫星的微推进器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔(3)，其特征在于，所述加热腔(3)内设有加热丝(5)，所述加热腔(3)壁上设有引出孔(17)使所述加热丝(5)的两端从所述加热腔(3)引出至所述加热腔(3)外。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小卫星的微推进器，特别涉及一种微小卫星的微推进器芯片。
背景技术
微小卫星具有体积小、重量轻、成本低、生产周期短、应用领域广等特点使得各国航天部门均高度重视发展微小卫星技术。大多数卫星，采用推进系统来控轨和调姿。随着卫星的体积被日益小型化使得对推进系统的技术要求更为苛刻，导致卫星推进器技术的发展。微小卫星的小体积和轻重量使得其转动惯量较小。采用较小的推力就能够控制微小卫星的姿态或者保持微小卫星在设定的轨道上运行；但是，只有从推进系统释放出的推力与设计推力之间出现偏差较小的概率较大时，才能说该推进系统具有更高的精度。同时，如果推进器具有较宽的推力或者冲量谱系，那么卫星将具有更多的轨道姿态或者能够在更多的轨道之间变换使得同一卫星能够应用在更广扩的空间中。微小卫星的微推进器芯片是微小卫星的推进器部件，这种微推进器芯片用于微小卫星的微推进器中发挥着重要作用。瑞典NanoSpace公司在2010年于《SIX-WAFER-STACK MEMSTHRUSTERS IN SPACE》中提到自己研发的微机电系统推进器芯片，采用微机电系统工艺激光化学气相沉积技术制成该推进器芯片的加热丝。但是，该加热丝的加工工艺复杂，加工难度大，且加工成本高。与微小卫星低成本的初衷相违背。荷兰Delft大学M.Mihailovicl等人在2011年于《MEMS SILICON－BASEDRESISTOJET MICRO-THRUSTER FOR ATTITUDE CONTROL OF NANO-SATELLITES》披露了一种基于硅与玻璃键合工艺制造的微推进器芯片，加热丝通过溅射铝在加热腔外部生成，加热丝产生的热量通过硅片到达加热腔。这使得加热腔内部升温速度慢且造成一定热量消耗。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微小卫星的微推进器芯片，这种微小卫星的微推进器芯片更容易被加工制造。
本发明的目的能够通过以下技术方案来实现。一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔，所述加热腔内设有加热丝，所述加热腔壁上设有引出孔使所述加热丝的两端从所述加热腔引出至所述加热腔外。加热丝置于加热腔外部使得加热腔内部升温速度慢且造成一定热量消耗。加热丝置于加热腔内部使加热腔内部升速度变快且不会造成热量消耗。
优选的，所述的加热丝是由钨制成的。对于加热丝，若采用溅射铝制成或者激光化学相沉积制成，微小卫星的微推进器芯片制成工序复杂。不采用钨丝制造加热丝，则不能简化推进器芯片制成工序。钨丝作为加热丝，在加热腔内直接嵌入使得微小卫星的微推进器芯片制成工序变得简单。制成工序的简化将提高推进器芯片的成品率和可靠性。
优选的，所述的加热丝是螺旋形的。若加热丝被制成螺旋形的，加热面积被增大使得加热腔内流动的气体被加热丝充分地加热，从而比冲被有效地提高了。
优选的，所述硅片设有隔离带。在加热腔外不设置隔离带，则加热腔中的热量有损耗。该隔离带用于防止加热腔中的热量通过硅片被传导出去使热损耗被阻断从而提高加热效率。
优选的，所述的加热腔是由硅片和玻璃片键合制成的。若不采用通过键合硅片和玻璃片制成加热腔的方法，不能简化加热腔的制成工序。
优选的，所述加热腔推进剂排出端腔壁收窄使得喷嘴的推进剂流入端腔壁收窄，所述喷嘴腔壁从推进剂流入端至推进剂排出端尺寸连续放大使得所述喷嘴腔壁呈现出从流入端至排出端的收缩至扩张的形状。气流通道的收窄使得从喷嘴喷出的推进剂具有更大的推力。
优选的，所述推进器芯片上设有螺栓孔，所述螺栓孔用精密机械加工制成，用于安装微推进器。
优选的，所述推进器芯片被组装到印刷电路板上。安装在印刷电路板上的推进器芯片便于安装，并且推进器芯片将获得印刷电路板的支撑，也便于后续与其他部件进行集成。
优选的，所述印刷电路板上设有焊盘，其通过导线与所述推进器芯片上的焊盘连接，电流经所述印刷电路板上的焊盘经所述导线才到达所述推进器芯片上的焊盘。采用这种结构导通电流能够保护推进器上的焊盘。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
钨元素具有熔点高、电阻率大、强度好、蒸气压低以及耐酸碱等物理化学性质。钨元素的这些性质使其适用于各种复杂环境。钨被用作加热丝的材料能够减少推进器的制作工艺步骤使这种微推进器更容易被加工制造。钨被用作加热丝的材料能够提高推进器的加工成品率。钨被用作加热丝的材料能够使微推进器的工作过程更加可靠。
加热丝设置于加热腔内使得推进剂在有限的空间内被快速加热。
采用螺旋弹簧形状的钨丝作为加热丝使加热丝与加热腔内流动的气体的加热面积增大，从而提高了加热效率，导致推进剂在更短的时间被加热膨胀使推进比冲增高。
现有技术指明瑞典NanoSpace公司采用激光化学气相沉积工艺制造三维螺旋形状的加热丝，这种工艺具有制造周期长，制造成本昂贵的特点。在加热腔内直接嵌入钨丝作为加热丝使得推进器芯片的制作步骤被减少了，从而节约了制作费用。这种低成本的推进器芯片符合卫星总成本低的设计宗旨。
附图说明
图1是将推进器芯片组装于印刷电路板后的示意图；
图2是推进器示意图；
图3是推进器芯片中与玻璃键合面相对的硅片面结构示意图和喷嘴结构局部放大图；
图4是推进器芯片中与玻璃键合面相背的硅片面结构示意图、引出孔局部放大图和硅片与玻璃片之间的绝缘层示意图；
附图标记说明：1为螺栓孔，2为进气孔，3为加热腔，4为隔离带，5为加热丝，6为喷嘴，7为焊盘，7-1、7-2至7-8分别为各块焊盘，10为绝缘层，11为硅片，13为玻璃层，14为推进器芯片，15为印刷电路板，17为引出孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图2至图4所示，一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使所述加热丝5的两端从加热腔3引出至所述加热腔3外。加热丝5置于加热腔3外部使得加热腔3内部升温速度慢且造成一定热量消耗。加热丝5置于加热腔3内部使加热腔3内部升速度变快且不会造成热量消耗。
对于加热丝5，若采用溅射铝制成或者激光化学相沉积制成，微小卫星的微推进器芯片制成工序复杂。不采用钨丝制造加热丝，则不能简化推进器芯片制成工序。为此一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使所述加热丝5的两端从加热腔3引出至加热腔3外，加热丝5是由钨制成的。钨丝作为加热丝，在加热腔内直接嵌入使得微小卫星的微推进器芯片制成工序变得简单。制成工序的简化将提高推进器芯片的成品率和可靠性。
若加热丝5是直线形的，则不能够增大加热面积。为了增大加热面积，一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使所述加热丝5的两端从所述加热腔3引出至加热腔3外，加热丝5是由钨制成的，加热丝5是螺旋形的。
在加热腔外不设置隔离带，则加热腔中的热量有损耗。一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使所述加热丝5的两端从加热腔3引出至加热腔3外，加热丝5是由钨制成的，加热丝5是螺旋形的，加热腔3外设有隔离带4，隔离带4用于阻断加热腔内的热损耗。该隔离带用于防止加热腔中的热量通过硅片被传导出去使热损耗被阻断从而提高加热效率。
为了简化加热腔的制成工序，一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使所述加热丝5的两端从加热腔3引出至加热腔3外，加热腔3是由硅片11和玻璃片13键合制成的。
一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使所述加热丝5的两端从加热腔3引出至加热腔3外，喷嘴6，进气孔2通过加热腔3和喷嘴6连通使推进剂经进气孔2流入加热腔3中被加热后从喷嘴6排出，加热腔3内设有加热丝5用于加热推进剂，硅片11与玻璃片13键合使得加热腔3和喷嘴6被置于硅片11与玻璃片13之间。硅片11的背面设有至少4个焊盘7用于构造四线法或者电桥法测量加热丝电阻的电路，所述焊盘包括第一焊盘7-1、第二焊盘7-2、第三焊盘7-3、第四焊盘7-4，第一焊盘7-1接正电压，第二焊盘7-2接地，加热丝5的两端分别接于第一焊盘7-1、第二焊盘7-2的引线上，第三焊盘7-3与第四焊盘7-4之间接入电流表，应用四线法或者电桥法构成的电阻值测量电路来获取加热丝的电阻值，然后通过该电阻值与加热丝温度系数的积得到加热丝的实时温度，用该电阻值测量电路作为一个温度传感器，能够实时监测加热丝的温度，焊盘7与硅片11之间设有绝缘层10，加热丝5是用钨制成的。
如图3所示，一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔3，加热腔3内设有加热丝5，加热腔3壁上设有引出孔17使加热丝5的两端从加热腔3引出至加热腔3外。加热丝5是由钨制成的。加热丝5是螺旋形的。加热腔3外设有隔离带4，隔离带4用于阻断加热腔内的热损耗。加热腔3是由硅片11和玻璃片13键合制成的。加热腔3推进剂排出端腔壁收窄使得喷嘴的推进剂流入端腔壁收窄，喷嘴腔壁从推进剂流入端至推进剂排出端尺寸连续放大使得所述喷嘴腔壁呈现出从流入端至排出端的收缩至扩张的形状。设置精密机械加工制成的螺栓孔1便于准确安装或者拆卸微小卫星的微推进器芯片。微小卫星的微推进器芯片能够被组装到印刷电路板15上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种微小卫星的微推进器芯片，包括加热腔(3)，其特征在于，所述加热腔(3)内设有加热丝(5)，所述加热腔(3)壁上设有引出孔(17)使所述加热丝(5)的两端从所述加热腔(3)引出至所述加热腔(3)外。
2.根据权利要求1所述的微小卫星的微推进器芯片，其特征在于，所述的加热丝(5)是由钨制成的。
3.根据权利要求2所述的微小卫星的微推进器芯片，其特征在于，所述的加热丝(5)是螺旋形的。
4.根据权利要求3所述的微小卫星的微推进器芯片，其特征在于，所述的加热腔(3)外设有隔离带(4)，所述隔离带(4)用于阻断加热腔内的热损耗。
5.根据权利要求1所述的微小卫星的微推进器芯片，其特征在于，所述的加热腔(3)是由硅片(11)和玻璃片(13)键合制成的。
6.根据权利要求1至6任意一项所述的微小卫星的微推进器芯片，其特征在于，所述加热腔(3)推进剂排出端腔壁收窄使得喷嘴的推进剂流入端腔壁收窄，所述喷嘴腔壁从推进剂流入端至推进剂排出端尺寸连续放大使得所述喷嘴腔壁呈现出从流入端至排出端的收缩至扩张的形状。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的微小卫星的微推进器芯片，其特征在于，所述推进器芯片设有螺栓孔(1)，所述的螺栓孔(1)是用精密机械加工制成的。
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