CN107975462A - 电热微推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镍薄膜电阻的电热微推力器。所述的电热微推力器包括：Pyrex玻璃基底，镍薄膜电阻，焊盘以及硅片四部分组成。本发明的以镍电阻产生的焦耳热来加热硅片，进而加热流道中推进剂流体，然后高温流体经由喷口产生推力。对气体推进剂而言，该项发明可以有效地对流道中的气体进行加热以提高其比冲，从而提高推进系统的总冲；对于以液体如水，丁烷等推进剂而言，该发明可以使液体汽化，蒸汽通过拉瓦尔喷口产生推力。该发明的电热微推力器应用于微纳卫星的微推进器系统，既可以完成对微纳卫星的单自由度调整，又可以实现对微纳卫星的姿态控制和轨道提升。

Description

电热微推力器

技术领域

本发明涉及一种基于镍薄膜电阻的电热微推力器，应用于纳卫星微推进系统。

背景技术

微小卫星质量轻体积小，所以在其子系统的设计也遇到了许多新的挑战，尤为突出的就是其推进系统。微推进系统是微纳卫星的核心部件，用以实现微纳卫星的姿态控制、轨道转移和保持(简称姿轨控)。微纳卫星的发展迫切需要配置能够提供高精度、小冲量、结构简单的微型推进系统。从微推进系统的要求来看，其推力水平要在0.5-10mN，所提供的△V不小于15m/s。

当前的微推进系统中，冷气推进系统是发展较为成熟的，且已经在太空进行了验证。常规冷气推进系统一般由高压储气罐、放气阀、缓压储气罐、稳压组件、电磁阀、喷口和连接件等几部分组成，其工作原理是贮存在高压储气罐中的高压气体经过放气阀释放到缓压储气罐内经过稳压组件的减压和稳压，在控制系统给出指令后，电磁阀开启，气体经喷口喷出产生控制所需的推力。常用的推进剂有氮气，丁烷，水等。但是，由于受到尺寸及质量的限制，微推进系统所能携带的推进剂的量也是一定的，为了最大程度的提高推进器的推进性能，对推进剂进行升温以后再经由喷口喷出。以氮气为例，在300K时，其比冲为72s，当氮气温度为600K时，其比冲增至103s，由此可见，升高气体的温度可以有效地提高气体的比冲，使总冲增大，从而提高推进器的推进性能。国外的一些大学虽然对电阻或者加热器来加热推进剂的推进器作了一定的研究，但存在不足之处。例如，加热器尺寸过大，无法实现与微推力器的搭载；功耗大，就需要功率处理单元来实现，导致微推力器质量过大；采用Al电阻加热，由于Al的熔点较低，因而无法将推进剂加热到更高的温度，总之无法更好的适用于微推力器。基于镍薄膜电阻的电热微推力器是一种新型的推力器，其主要特点是：贮槽中的推进剂通过电磁阀的控制流出贮槽，经由电热微推力器加热，然后通过电热微推力器中的拉瓦尔喷口喷出，从而产生推力。在推进剂质量一定的条件下，通过提高推进剂比冲的方式来提高推力器的推进性能。此外，由于受到体积功耗的限制，常规的大型加热器就不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于镍薄膜电阻的电热微推力器，应用于微纳卫星的微推进系统。

本发明是一种基于镍薄膜电阻的电热微推力器，整体装置包括：焊盘，Pyrex玻璃基底，硅片，拉瓦尔喷口，镍电阻；硅片阳极键合在Pyrex玻璃基底上，该硅片的对称轴上设有流道槽，流道槽中设有拉瓦尔喷口、流体通道及流体入口；还包括：硅片围绕流道槽及流体入口对称设有电阻埋槽；电阻埋槽内依次设有绝缘层、镍电阻；Pyrex玻璃基底还设有连接镍电阻的焊盘；Pyrex玻璃基底与硅片的键合面为：该硅片上电阻埋槽的开槽面。

上述的电热微推力器，整个装置尺寸所占体积为26.5mm×7mm×1.3mm，Pyrex玻璃基底厚度为0.8μm，硅片厚度为0.5μm；硅片最窄区域宽度为2mm，电阻埋槽深度1.2μm，与镍电阻两侧分别留有10μm的余量，在电阻埋槽顶部与镍电阻之间有一层厚度为0.5μm的SiO₂绝缘层。

上述的电热微推力器，镍薄膜电阻采用磁控溅射技术在绝缘层表面上镀0.5μm厚镍薄膜，镍电阻的总长度为5cm，宽度为50～300μm，阻值控制在24～140Ω。

上述的电热微推力器，流道槽深度150μm，宽度50μm；其中，流道中拉瓦尔喷口喉部宽度为10μm，喷口的扩张比为25，即出口处宽度与喉部宽度之比，流体入口为一通孔，直径为0.3mm。

上述的电热微推力器，在Pyrex玻璃基底上加工Ti/Au焊盘，厚度为0.3μm，且与镍薄膜电阻有交叉部分以形成有效接触。

上述的电热微推力器，硅片的电阻埋槽中，镍薄膜电阻与键合面之间存在0.2μm的间隙，不存在接触面。

与现有技术相比，本发明具有显著的优点是：

1.本发明采用镍电阻，由于镍的熔点为1453℃，与使用铝薄膜电阻来加热的推力器相比，可以达到的温度更高；与使用掺杂硅作为电阻来加热的推力器相比，镍电阻其阻值更稳定。相对于流体而言，采用镍薄膜电阻加热方式可以使其能达到更高的温度，可以为电热推力器提供更好的推进性能。

2.本发明与传统的加热器相比，镍薄膜电阻的电热微推力器质量和体积方面具有更强的适应性。

3.本发明基于镍薄膜电阻的电热微推力器，可以实现硅片多个面对流体进行加热，效率更高。

附图说明

图1为本发明电热微推力器的结构示意图；

图2为本发明中镍电阻的轮廓图；

图3为本发明中硅片中流道及电阻埋槽示意图；

图4为本发明镍微加热装置出口处截面图；

图5为本发明工作原理示意图。

其中，1、焊盘；2、Pyrex玻璃基底；3、流道槽；4、硅片；5、拉瓦尔喷口；6、电阻埋槽；7、镍电阻；8、流体入口。

具体实施方式

本发明为镍微加热装置，包括：

一Pyrex玻璃基底2；及阳极键合在Pyrex玻璃基底2上的硅片4；

在该硅片的对称轴上设有流道槽3，流道槽3设有拉瓦尔喷口5及流体入口8；

该装置还包括：在硅片4上，围绕流道槽3和流体入口8对称设有电阻埋槽6；电阻埋槽6内由内向外依次设有绝缘层、镍电阻7；

Pyrex玻璃基底上设有连接镍电阻7的焊盘1，与镍薄膜电阻有交叉部分以形成有效接触；

Pyrex玻璃基底2与硅片4的键合面为：该硅片4上电阻埋槽6的开槽面，结构示意图如图1所示，出口自截面如图4所示。

如图2所示为镍电阻，厚度为0.5μm，采用磁控溅射技术镀于Pyrex玻璃基底上。

如图3所示为硅片中流道及电阻埋槽示意图，其主要包含流道槽，电阻埋槽以流道入口三部分，均由MEMS微加工技术加工制得。

该装置尺寸的长宽高分别为26.5mm×7mm×1.3mm，Pyrex玻璃基底2厚度为0.8μm。

硅片4的形状适应电阻埋槽6设置，硅片4的厚度为0.5μm；其中，硅片4最窄区域宽度为2mm。

电阻埋槽6深度1.2μm，电阻埋槽两侧与镍电阻两侧存在10μm的余量。

绝缘层为在电阻埋槽6顶部与镍电阻7之间设有的一层厚度为0.5μm的SiO₂。

镍薄膜电阻7为通过磁控溅射于绝缘层表面上的镍薄膜，镍薄膜电阻7的厚度为0.5μm，其阻值为24～140Ω。

流道槽3深度为150μm，宽度为50μm；其中，流道槽3中拉瓦尔喷口喉部宽度为10μm，喷口的扩张比为25；所述的流体入口为一通孔，直径为0.3mm。

硅片4电阻埋槽6中镍薄膜电阻7与键合面之间存在0.2μm的间隙，不存在接触面。

本发明的工作原理示意图如图5所示，整个推进系统包括推进剂贮槽，压力传感器，电磁阀，微型加热器及控制电路。推进剂贮槽中装有气体或液体，压力传感器用于检测贮槽中的压力，电磁阀用于控制流体的流出。Pyrex玻璃的热传导系数为1.1W·m^-1·K^-1，硅片为单晶硅，具有良好的导热性能，其热传导系数为148W·m^-1·K^-1，远远高于玻璃基底，因此镍薄膜电阻产生的焦耳热绝大部分传递于硅片，可以提高加热效率。当推进系统需要工作时，需要提前对微加热器进行通电，镍电阻产生的焦耳热以热传导的形式将热量传递给硅片，从而使硅片升温，待其升高至一定温度后，打开电磁阀，流体流入流道，与此同时，硅片对流体加热，将流体升温(若流体为气体，硅片将气体升温至更高温度；若流体为液体，硅片将液体加热使其汽化)，然后流体经喷口喷出产生推力。

随着温度的变化，流体的热容比会发生变化，从而导致其比冲的变化；根据理论公式推导可以得出，随着温度的升高，气体的比冲也在增大，从而冲量也在增大；对于相同质量的推进剂来说，温度越高，其所能提供的冲量就越大，对于微纳卫星的推进系统而言，由于受到体积质量的限制，实现有限的推进剂提供更高的比冲是要必要的，而电热微推力器正可以满足这个要求，提供更好的推进性能。

本发明与使用铝薄膜电阻来加热的推力器相比，由于铝的熔点较低，为660℃，而镍的熔点为1453℃，相比而言，正常工作时，使用镍电阻可以达到的温度更高；与使用掺杂硅作为电阻来加热的推力器相比，在600℃时，硅存在晶型转变点，其阻值不再处于稳定。相对于流体而言，采用镍薄膜电阻加热方式可以使其能达到更高的温度，可以为电热推力器提供更好的推进性能。

Claims (8)

1.一种电热微推力器，其特征在于，包括：

一Pyrex玻璃基底(2)；及阳极键合在Pyrex玻璃基底(2)上的硅片(4)；

在该硅片的对称轴上设有流道槽(3)，流道槽(3)设有拉瓦尔喷口(5)及流体入口(8)；

该装置还包括：在硅片(4)上，围绕流道槽(3)和流体入口(8)对称设有电阻埋槽(6)；电阻埋槽(6)内由内向外依次设有绝缘层、镍电阻(7)；

所述的Pyrex玻璃基底上设有连接镍电阻(7)的焊盘(1)，与镍电阻(7)有交叉部分以形成有效接触；

所述的Pyrex玻璃基底(2)与硅片(4)的键合面为：该硅片(4)上电阻埋槽(6)的开槽面。

2.根据权利要求1所述的电热微推力器，其特征在于，该推力器尺寸的长宽高分别为26.5mm×7mm×1.3mm，Pyrex玻璃基底(2)厚度为0.8μm。

3.根据权利要求1所述的电热微推力器，其特征在于，所述的硅片(4)的形状适应电阻埋槽(6)设置，硅片(4)的厚度为0.5μm；其中，硅片(4)最窄区域宽度为2mm。

4.根据权利要求1所述的电热微推力器，其特征在于，电阻埋槽(6)深度1.2μm，电阻埋槽(6)两侧与镍薄膜电阻(7)两侧存在10μm的余量。

5.根据权利要求1所述的电热微推力器，其特征在于，所述的绝缘层为在电阻埋槽(6)顶部与镍电阻(7)之间设有的一层厚度为0.5μm的SiO₂。

6.根据权利要求1或2所述的电热微推力器，其特征在于，所述的镍电阻(7)为通过磁控溅射于绝缘层表面上的镍薄膜，镍电阻(7)的厚度为0.5μm，其阻值为24～140Ω。

7.根据权利要求1所述的电热微推力器，其特征在于，所述的流道槽(3)深度为150μm，宽度为50μm；其中，流道槽(3)中拉瓦尔喷口喉部宽度为10μm，喷口的扩张比为25；所述的流体入口为一通孔，直径为0.3mm。

8.根据权利要求1所述的电热微推力器，其特征在于，硅片(4)的电阻埋槽(6)中镍薄膜电阻(7)与键合面之间存在0.2μm的间隙，不存在接触面。