CN114633902A - 一种电热式mems微推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电热式MEMS微推力器，包括薄膜电阻加热单元及硅基微流道单元，薄膜电阻加热单元包括玻璃片、加热丝，硅基微流道单元包括硅片，玻璃片与所述硅片紧密贴合；加热丝设置于玻璃片上朝向硅片的面上，硅片朝向玻璃片的面的一端处开设有流体入口，硅片朝向玻璃片的面上刻蚀形成有入口流体缓冲区、加热室、微喷口以及引线孔，加热室的底面上刻蚀有流体流道，流体能够通过流体入口进入并通过入口流体缓冲区进入加热室上的流体流道，通过流体流道被加热丝加热后通过微喷口喷出产生推力，加热丝与电源通过导线连接，导线穿过引线孔。本发明体积小、质量轻、结构紧凑、集成度高，能有效提升推力器的比冲，延长了推力器的寿命。

Description

一种电热式MEMS微推力器

技术领域

本发明属于航天器微推进技术领域，具体涉及一种电热式MEMS微推力器。

背景技术

微推力器作为微纳卫星轨道控制的执行机构，可以为卫星提供控制力矩，配合控制分系统完成卫星姿态控制和轨道机动任务。推进系统对卫星的工作寿命、可靠性、轨道与姿态控制、机动、位置保持等各项功能和性能都有直接的影响，因而是卫星的重要组成部分。目前大多数微纳卫星缺乏一个主动推进系统，为了使卫星变得更加灵活，来完成相关的大型任务，推力器小型化和低能耗是重点研究方向。

目前微型冷气推进系统是微纳卫星上最常用、技术最成熟的推进方式，其结构简单、低成本，除阀门外几乎无其他功率消耗。尽管比冲较低，但微型冷气推进系统在精度控制方面有着较高优势。随着微纳卫星的发展，冷气推进技术正朝着提高系统性能、降低部件功耗、部件微小型化、系统集成模块化方向发展。微纳卫星姿态控制和轨道保持所需的推力更小，精度更高，还要求推力(冲量)有较宽的调节范围，为了替代大体积和大质量的传统推力器，研制电热式微型推力器成为迫切的需求。在此背景下，基于MEMS技术，在微推力器中嵌入电阻丝，使其通电后产生大量焦耳热来维持加热室处在较高的温度环境下，以此提高喷出气体的温度，提高推力器的比冲，减少推进剂的消耗。

国防科技大学开发集成了多层薄膜铝/钛(Al/Ti)微型加热器的MEMS微推力器，用于微型推进器的液体推进剂汽化和气体加热，以增加推力器比冲。使用微机电系统处理技术将微加热器制造到Pyrex7740基板上，在微加热室内布置单个加热器，微加热室较为简单，可用于加热常规气体工质，但是用于加热液态工质会由于受热面积不够而导致推进剂无法完全气化。

新加坡电力与电子工程学院卫星研究中心的K.H.Cheah和K.S.Low采用高温共烧陶瓷技术成功研制出三层结构的氧化锆电热式MEMS微推力器。该微推力器由推进剂入口、推进剂注射器、气化室、微喷口和微加热器组成。推进剂入口与微尺度的注射器连接起来，注射器是S形的带有90°弯角的微管路，用于减少推进剂供给过程中的黏性损耗。其中注射器、气化室与微喷嘴集成在中间层的氧化锆片上，微加热器集成在底层的氧化锆片上，此外上层及中间层氧化锆片均集成了推进剂入口与电气输出接口。该设计方案集成度高，不仅实现了对推进剂流量的精确比例控制，还获得了极高的工作响应速率以及理想的推力输出，但是该方案对材料质量以及加工技术要求极高。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种可用于微纳卫星姿态及轨道控制的电热式MEMS微推力器，不仅可以实现微纳卫星的精确姿态控制，而且可以实现卫星轨道机动能力，提高卫星在轨寿命，增加卫星空间任务的多样性。

为实现以上目的的技术解决方案如下：

一种电热式MEMS微推力器，包括薄膜电阻加热单元及硅基微流道单元，所述薄膜电阻加热单元包括玻璃片、加热丝，所述硅基微流道单元包括硅片，所述玻璃片与所述硅片紧密贴合；

所述加热丝设置于所述玻璃片上朝向硅片的面上，所述硅片朝向所述玻璃片的面的一端处开设有流体入口，所述硅片朝向所述玻璃片的面上刻蚀形成有入口流体缓冲区、加热室、微喷口以及引线孔，所述加热室的底面上刻蚀有流体流道，流体能够通过所述流体入口进入并通过所述入口流体缓冲区进入加热室上的流体流道，通过所述流体流道被加热丝加热后通过微喷口喷出产生推力，所述加热丝与电源通过导线连接，所述导线穿过所述引线孔。

进一步地，所述薄膜电阻加热单元还包括二氧化硅衬底，所述二氧化硅衬底的一个表面与玻璃片结合、另一个表面与加热丝结合。

进一步地，所述玻璃片为Pyrex玻璃。

进一步地，所述薄膜电阻加热单元还包括N个第一铝薄膜焊盘，N个第一铝薄膜焊盘在所述二氧化硅衬底的所述另一个表面上依次排列设置，每个所述第一铝薄膜焊盘的两端之间形成有回字型加热丝，所述回字型加热丝与所述第一铝薄膜焊盘一体成型，N≥2。

进一步地，所述流体流道数量为多个，每个流体流道呈S形，S形流体流道的进口端与所述入口流体缓冲区连接、出口端与微喷口连接。

进一步地，所述微喷口采用先收缩后扩张的结构。

进一步地，所述硅基微流道单元还包括N组第二铝薄膜焊盘，N组第二铝薄膜焊盘设置在所述硅片背向所述玻璃片的表面上，所述引线孔包括N组，每组第二铝薄膜焊盘通过导线穿过对应的引线孔与第一铝薄膜焊盘连接。

进一步地，所述硅基微流道单元还包括N组二氧化硅薄膜衬底，所述第二铝薄膜焊盘通过对应的二氧化硅薄膜衬底与所述硅片结合。

进一步地，所述N为7

进一步地，所述二氧化硅薄膜衬底的形状及厚度与第二铝薄膜焊盘一致。

一种微纳卫星，所述微纳卫星包括权利要求1-9任一项所述的电热式MEMS微推力器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于MEMS技术，在具有体积小、质量轻、结构紧凑、集成度高的微推力器中嵌入加热丝，解决了传统推力器推进剂利用率低的缺点，有效提升推力器的比冲，延长了推力器的寿命，符合微纳卫星小型化、轻量化的要求，减少对其他系统的质量和空间限制，提高了推力器的功能密度。

附图说明

图1是本发明电热式MEMS微推力器立体结构示意图。

图2是本发明电热式MEMS微推力器的结构爆炸示意图。

图3是本发明电热式MEMS微推力器薄膜电阻加热单元结构示意图。

图4是图3中A-A向剖面示意图。

图5是本发明电热式MEMS微推力器薄膜铝加热丝结构示意图。

图6是本发明电热式MEMS微推力器硅基微流道单元正面结构示意图。

图7是本发明电热式MEMS微推力器硅基微流道单元背面结构示意图。

图8是图6中B-B向剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

结合图1-6，一种电热式MEMS微推力器，包括薄膜电阻加热单元及硅基微流道单元，所述薄膜电阻加热单元包括玻璃片4、加热丝6，所述硅基微流道单元包括硅片2，所述玻璃片4与所述硅片2紧密贴合，薄膜电阻加热单元以玻璃片4作为基底，硅基微流道单元以硅片2作为基底；

所述加热丝6设置于所述玻璃片4上朝向硅片2的面上，所述硅片2朝向所述玻璃片4的面的一端处开设有流体入口1，所述硅片2朝向所述玻璃片4的面上刻蚀形成有入口流体缓冲区9、加热室10、微喷口3以及引线孔7，所述加热室10为长方形凹槽，其底面上刻蚀有流体流道11，流体能够通过所述流体入口1进入并通过所述入口流体缓冲区9进入加热室10上的流体流道11，通过所述流体流道11被加热丝6加热后通过微喷口3喷出产生推力，流体入口1通过外接软管将流体导入至入口流体缓冲区9，入口流体缓冲区9对高速流进的高压流体起到缓冲作用，所述加热丝6与电源通过导线连接，所述导线穿过所述引线孔7。

优选地，结合图2、4，所述玻璃片4为Pyrex玻璃，Pyrex玻璃是一种可耐受高温的材料，通过阳极键合的方式将玻璃片4和硅片2组合成电热式MEMS微推力器的主体结构部分，所述薄膜电阻加热单元还包括二氧化硅衬底5，所述二氧化硅衬底5的一个表面与玻璃片4结合、另一个表面与加热丝6结合，由于Pyrex玻璃4及薄膜铝加热丝6之间依附性较差，所以在Pyrex玻璃4及薄膜铝加热丝6之间沉积一层二氧化硅衬底5，用来增加材料间的依附性。

优选地，结合图5，所述薄膜电阻加热单元还包括7个第一铝薄膜焊盘8，7个第一铝薄膜焊盘8在所述二氧化硅衬底5的所述另一个表面上依次排列设置，每个所述第一铝薄膜焊盘8的两端之间形成有回字型加热丝6，所述回字型加热丝6与所述第一铝薄膜焊盘8一体成型，为避免整个加热丝6出现局部加热温度过高的现象，将加热丝6设计成“回”字型，加热丝6两端为与外部引线连接的长方形铝薄膜焊盘8的两个端部，电流自长方形铝薄膜焊盘8的一个端部进入经过迂回的“回”字型加热丝6后从长方形铝薄膜焊盘8的另一个端部流出。

优选地，结合图6，所述流体流道11数量为多个，每个流体流道11呈S形，S形流体流道11的进口端与所述入口流体缓冲区9连接、出口端与微喷口3连接，“S”形流道11可增加流体的行程，目的是使加热丝6能够充分加热流体,流体首先由流体入口1进入缓冲区9，随后流经流道11，最后流出微喷口3产生推力。加热丝6位于由流道11、加热室10及玻璃片4朝向硅片2的表面所组合成的微小腔体内，电热丝6通电后通过电流做功产生大量焦耳热提升所述微小腔体内流体的温度。

优选地，所述微喷口3采用先收缩后扩张的结构，可将流道11内的流体加速至超音速，从而产生有效推力。

优选地，结合图7-8，所述硅基微流道单元还包括7组第二铝薄膜焊盘13，7组第二铝薄膜焊盘13设置在所述硅片2背向所述玻璃片4的表面上，所述引线孔7包括7组，每组第二铝薄膜焊盘13通过导线穿过对应的引线孔7与第一铝薄膜焊盘8连接。由于基底硅片2具有一定的导电性，不能与铝薄膜焊盘13直接接触，因此在铝薄膜焊盘13与硅片2之间增加一层绝缘物质二氧化硅薄膜衬底12，二氧化硅薄膜衬底12的形状及厚度与铝薄膜焊盘13完全一致。

所述电热式MEMS微推力器几乎适用于各种推进剂类型的冷气推进系统，例如可采用氮气、丙烷、水以及制冷剂等作为推挤剂。推进剂流体通过流体入口1进入微推力器，流经流道11，并被加热丝6在加热室10内加热升温，随后由微喷口3喷出产生推力。

本发明采用硅-玻键合工艺将薄膜铝加热丝、微流道和微喷口集成在硅-玻基片内部，很大程度简化了电热式微推力器的结构复杂性、减小了微推力器的体积、提高了微推力器的能量利用率，适用于空间和电功率有限的微纳卫星平台。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电热式MEMS微推力器，其特征在于，包括薄膜电阻加热单元及硅基微流道单元，所述薄膜电阻加热单元包括玻璃片(4)、加热丝(6)，所述硅基微流道单元包括硅片(2)，所述玻璃片(4)与所述硅片(2)紧密贴合；

所述加热丝(6)设置于所述玻璃片(4)上朝向硅片(2)的面上，所述硅片(2)朝向所述玻璃片(4)的面的一端处开设有流体入口(1)，所述硅片(2)朝向所述玻璃片(4)的面上刻蚀形成有入口流体缓冲区(9)、加热室(10)、微喷口(3)以及引线孔(7)，所述加热室(10)的底面上刻蚀有流体流道(11)，流体能够通过所述流体入口(1)进入并通过所述入口流体缓冲区(9)进入加热室(10)上的流体流道(11)，通过所述流体流道(11)被加热丝(6)加热后通过微喷口(3)喷出产生推力，所述加热丝(6)与电源通过导线连接，所述导线穿过所述引线孔(7)。

2.根据权利要求1所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述薄膜电阻加热单元还包括二氧化硅衬底(5)，所述二氧化硅衬底(5)的一个表面与玻璃片(4)结合、另一个表面与加热丝(6)结合。

3.根据权利要求1所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述玻璃片(4)为Pyrex玻璃。

4.根据权利要求2所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述薄膜电阻加热单元还包括N个第一铝薄膜焊盘(8)，N个第一铝薄膜焊盘(8)在所述二氧化硅衬底(5)的所述另一个表面上依次排列设置，每个所述第一铝薄膜焊盘(8)的两端之间形成有回字型加热丝(6)，所述回字型加热丝(6)与所述第一铝薄膜焊盘(8)一体成型，N≥2。

5.根据权利要求4所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述流体流道(11)数量为多个，每个流体流道(11)呈S形，S形流体流道(11)的进口端与所述入口流体缓冲区(9)连接、出口端与微喷口(3)连接。

6.根据权利要求5所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述微喷口(3)采用先收缩后扩张的结构。

7.根据权利要求5或6所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述硅基微流道单元还包括N组第二铝薄膜焊盘(13)，N组第二铝薄膜焊盘(13)设置在所述硅片(2)背向所述玻璃片(4)的表面上，所述引线孔(7)包括N组，每组第二铝薄膜焊盘(13)通过导线穿过对应的引线孔(7)与第一铝薄膜焊盘(8)连接。

8.根据权利要求7所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述硅基微流道单元还包括N组二氧化硅薄膜衬底(12)，所述第二铝薄膜焊盘(13)通过对应的二氧化硅薄膜衬底(12)与所述硅片(2)结合。

9.根据权利要求8所述的电热式MEMS微推力器，其特征在于，所述二氧化硅薄膜衬底(12)的形状及厚度与第二铝薄膜焊盘(13)一致。

10.一种微纳卫星，其特征在于，所述微纳卫星包括权利要求1-9任一项所述的电热式MEMS微推力器。

Images