CN114018729B - 基于mems技术的微粒子加速装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于MEMS技术的微粒子加速装置，包括：依次连接的高压贮气罐、减压阀、气体稳压器、电磁阀驱动控制电路、电磁阀、MEMS微加速管，本发明能够精确控制粒子发射速度，为微粒子冲击现象的研究提供适合实验室范围内的科研平台。本发明具有体积小、功耗低、质量轻、集成度高，成本低等优势，并且能对微粒子加速的速度进行精确控制，实用性强。

Description

基于MEMS技术的微粒子加速装置
技术领域
本发明涉及的是一种微粒子检测领域的技术，具体是一种基于MEMS技术的微粒子加速装置。
背景技术
了解高速冲击下的物质行为是解决从小行星撞击和地质裂缝到冲击诱导的相变、散裂、磨损和弹道穿透等各种基本问题的关键。在微尺度和纳秒级分辨率中，研究单个金属微粒对基板的超音速冲击，可以直接观察材料相关的阈值速度，当高于该速度，微粒子冲击材料引起塑性变形并粘附到基板上而不是反弹。作为高温熔融或烧结颗粒的替代品，它还为增材制造开辟了一扇新窗口，许多金属颗粒可以通过超音速喷嘴加速并冲击到金属基底上以形成固体材料。
根据有限元仿真结果表明，目前流行的冲击剪切局部化和熔融理论不能解释材料的粘附现象。关于微粒子的冲击粘附现象，目前已经提出了许多在极端条件下各种机制来解释材料变化的基本问题，例如绝热剪切不稳定性，局部熔化，粘性型机械互锁，界面非晶化和氧化物层破碎等等。然而，这些推定的机制尚未得到物理理论的定量支持，也未被直接观察到。
发明内容
本发明针对现有微粒子高速冲击粘附机理检测技术存在的上述不足，提出一种基于MEMS技术的微粒子加速装置，能够精确控制粒子发射速度，为微粒子冲击现象提供共性研究平台，具有体积小、功耗低、质量轻、集成度高等特点，实用性强。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于MEMS技术的微粒子加速装置，包括：依次连接的气源、减压阀、稳压器、电磁阀、通过MEMS加工工艺制成的微型拉瓦微加速管以及电磁阀驱动控制电路，其中：结合气流稳压和开关控制模块，实现微粒子加速喷出。
所述的微型拉瓦微加速管包括：壳体、设置于其内部的螺线圈状加热片阵列、分别设置于壳体入口端和出口端的流量控制阀、喷嘴以及驱动接口电路，其中：流量控制阀通过过滤器与进气口相连，螺线圈状加热片阵列与驱动接口电路相连以加热喷射气体提高比冲，驱动接口电路与控制模块相连接收启动指令、监测和控制推进器的工作状态。
所述的喷嘴通过上下两张硅片键合而成，其两端为漏斗形以构成拉瓦管收拢扩张结构，使气流的速度因喷截面积的变化而变化，所述的微粒子置于喷嘴的漏斗形喷口处。
技术效果
本发明整体解决了现有技术中对于单个微观尺度粒子发射速度精确可控技术的缺失，通过MEMS技术来将锥形喷嘴作为微粒子发射装置，以锥形喷嘴可以充分采用拉瓦尔喷管的原理来加速气体，并且锥形口的喉部便于将发射微粒子精确定位于目标位置，同时能为整个微粒子加速提供精确地动力来源。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为MEMS微加速管结构示意图；
图3为加热丝示意图。
图4为漏斗形推进器喷嘴放置微粒子的状态图；
图5为试验中观测到的粒子发射前后的观测状态；
图中：高压贮气罐1、减压阀2、气体稳压器3、电磁阀驱动控制电路4、电磁阀5、微型拉瓦微加速管6、推进器喷嘴601、螺线圈状加热片阵列602、流量控制阀603、过滤器604、进气口605、传感器组P、T、驱动接口模块606、壳体607。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于MEMS技术的微粒子加速装置，包括：依次连接的高压贮气罐1、减压阀2、气体稳压器3、电磁阀驱动控制电路4、电磁阀5、微型拉瓦微加速管6，其中：当气体稳压器产生稳定气压后，将电磁阀打开，微粒子再加速管中快速喷出。电磁阀驱动板用于给电磁阀施加驱动电压，用于缩短从电磁阀指令发出到实际的时间，并且实现毫秒级脉宽喷气。
如图2和图3所示，所述的微型拉瓦微加速管6包括：壳体607、设置于其内部的螺线圈状加热片阵列602、分别设置于壳体入口端和出口端的流量控制阀603、喷嘴601以及驱动接口电路606，其中：流量控制阀603通过过滤器604与进气口605相连，螺线圈状加热片阵列602与驱动接口电路606相连以加热喷射气体提高比冲，驱动接口电路606与控制模块相连接收启动指令、监测和控制推进器的工作状态。
如图3所示，所述的喷嘴601通过上下两张硅片键合而成，其两端为漏斗形以构成拉瓦管收拢扩张结构，使气流的速度因喷截面积的变化而变化，所述的微粒子11置于喷嘴601的漏斗形喷口处。
所述的微型拉瓦微加速管6上进一步设有与驱动接口电路606相连的温度传感器T和压力传感器P，其中：温度传感器T和压力传感器P设置于流量控制阀603上。
所述的微粒子11优选预先在高速离心机中离心后经过真空干燥箱烘干，再放入喷嘴喷口处。
本实施例涉及一种基于上述装置的微粒子加速试验方法，包括：
步骤一，调整设置高压储气罐的输出压力。储气罐的最大输出压力存在一个定值，于此同时，通过设置进/出气阀的旋转旋钮即可调整设置一个满足加速需求的输出压力，对于不同的微粒子加速要求，需要根据力学条件和能量平衡大致估算出相应的气压，此处设置为6bar。
步骤二，在喷嘴的喉部放置微粒子。将粒子在显微镜下转移到喷嘴口，此时喷嘴的放置如图4所示，粒子在喷嘴口后会由于重力作用和喷嘴收窄的形状逐渐滑落到喉部，这时候也不排除微粒子由于微观作用力而停滞在喷嘴内壁，这时候可以通过轻轻抖动来使得粒子掉落到喉部位置。
步骤三，经过具体实际实验，在气压为6bar的条件下，尺寸在30-40微米区间的二氧化硅粒子，经显微镜观察，方便精确地被放置到目标位置(漏斗形喷口的喉部)。当管路进气，气体冲出至MEMS微加速管，气体经及加热器加热，经过拉瓦尔管的加速，驱动二氧化硅粒子飞出，实现微粒子的加速，如图5所示。
与现有技术相比，本装置能够精确方便地控制微粒子的位置以及对中性，同时可以应用基于MEMS的加速技术给微粒子提供动力，精确调控发射速度。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于MEMS技术的微粒子加速装置，其特征在于，包括：依次连接的气源、减压阀、稳压器、电磁阀、通过MEMS加工工艺制成的微型拉瓦微加速管以及电磁阀驱动控制电路，其中：结合气流稳压和开关控制模块，实现微粒子加速喷出；
所述的微型拉瓦微加速管包括：壳体、设置于其内部的螺线圈状加热片阵列、分别设置于壳体入口端和出口端的流量控制阀、喷嘴以及驱动接口电路，其中：流量控制阀通过过滤器与进气口相连，螺线圈状加热片阵列与驱动接口电路相连以加热喷射气体提高比冲，驱动接口电路与控制模块相连接收启动指令、监测和控制推进器的工作状态；
所述的喷嘴通过上下两张硅片键合而成，其两端为漏斗形以构成拉瓦管收拢扩张结构，使气流的速度因喷截面积的变化而变化，所述的微粒子置于喷嘴的漏斗形喷口处。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的微粒子加速装置，其特征是，所述的微型拉瓦微加速管上进一步设有与驱动接口电路相连的温度传感器和压力传感器，其中：温度传感器和压力传感器设置于流量控制阀上。
3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS技术的微粒子加速装置，其特征是，所述的微粒子预先在高速离心机中离心后经过真空干燥箱烘干，再放入喷嘴喷口处。
4.一种根据权利要求1～3中任一所述微粒子加速装置的微粒子加速试验方法，包括：
步骤一，调整设置高压储气罐的输出压力为6bar；
步骤二，在喷嘴的喉部放置微粒子：将粒子在显微镜下转移到喷嘴口，尺寸在30-40微米区间的粒子在喷嘴口后会由于重力作用和喷嘴收窄的形状逐渐滑落到喉部；
步骤三，当管路进气，气体冲出至MEMS微加速管，气体经及加热器加热，经过拉瓦尔管的加速，驱动二氧化硅粒子飞出，实现微粒子的加速。
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GR01 Patent grant
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