CN206221089U - Mems微型推进系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种MEMS微型推进系统，包括密封层和动力层，密封层盖合设置于动力层的上表面，动力层的上表面设置有发动机凹槽，发动机凹槽包括依次连通的通气槽、燃烧室、尾喷管和点火电路，点火电路通过电子束蒸镀工艺设置在密封层表面，点火电路由两层金属钛和金构成，针对点火电路的点火方式为Au‑Ti电路的点火方式。上述微型固体火箭发动机的设计提高了点火成功率，同时改善了结构的隔热性能。此外，采用横向分层结构，可精确调节尾喷管的扩张角度，简化了结构和加工流程，且完善了结构细节，改善了推进器性能，采用了全新的刻蚀硅片的推进器排布方式，提高了推进器的加工效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种MEMS微型推进系统。
背景技术
微型飞行器的出现，需要有相对应的微推进系统对其飞行姿态和飞行轨道进行有效的控制和调整。现有的微型固体火箭发动机大多采用纵向分层加工的形式，使得喷管角度不可调节，而且对加工精度提出了很高的要求，另外多层硅键合技术的不成熟也对微型推进器的发展有很大的制约。因此，针对以上不足，需要提供一种微型固定火箭发动机。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的是解决现有微型固体火箭发动机的加工工艺繁琐，加工精度高，难度大，加工过程喷管角度不可调节的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种MEMS微型推进系统，包括密封层和动力层，所述密封层盖合设置于所述动力层的上表面，所述动力层的上表面设置有发动机凹槽，所述发动机凹槽包括依次连通的通气槽、燃烧室、尾喷管和点火电路，所述点火电路通过电子束蒸镀工艺设置在所述密封层表面，所述点火电路由两层金属钛和金构成，针对所述点火电路的点火方式为Au-Ti电路的点火方式。
在其中一个实施例中，还包括：引申平台，用于防止所述燃烧室内的燃料进入所述通气槽中。
在其中一个实施例中，所述通气槽、燃烧室与所述尾喷管均沿所述发动机凹槽的中心线设置，且所述通气槽、燃烧室和微喷管一体成型。
在其中一个实施例中，所述尾喷管的喷口端与所述动力层的一侧边缘连通，所述通气槽的进口端与所述动力层相对的另一侧边缘连通。
在其中一个实施例中，对所述动力层表面执行电镀氧化膜操作，且所述密封层与所述动力层通过键合连接，其中，所述密封层为玻璃层，所述动力层为硅片层。
在其中一个实施例中，所述尾喷管沿燃料的喷射方向依次设有收缩段、喉管段和扩张段，所述喉管段用于过渡连接收缩端和所述扩张段。
在其中一个实施例中，将所述动力层上发动机的所有推力单元执行宽度相同推进器组合单元的组合方式，排布时所有组合的横边与纵边相互对齐。
在其中一个实施例中，所述燃烧室呈正方形。
(三)有益效果
本实用新型的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本实用新型提供了一种MEMS微型推进系统，包括密封层和动力层，密封层盖合设置于动力层的上表面，动力层的上表面设置有发动机凹槽，发动机凹槽包括依次连通的通气槽、燃烧室、尾喷管和点火电路，点火电路通过电子束蒸镀工艺设置在密封层表面，点火电路由两层金属钛和金构成，针对点火电路的点火方式为Au-Ti电路的点火方式。上述微型固体火箭发动机的设计改变了点火方式，采用Au-Ti金属薄膜点火电阻进行点火，提高了点火成功率，同时对结构表面进行了SiO2绝缘处理，改善了结构的绝缘性能。此外，采用横向分层结构，可精确调节尾喷管的扩张角度，简化了结构和加工流程，且完善了结构细节，改善了推进器性能，采用了全新的刻蚀硅片的推进器排布方式，提高了推进器的加工效率。
除了上面所描述的本实用新型解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本实用新型的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是现有技术中微型固体火箭发动机的立体图；
图2是本实用新型实施例的MEMS微型推进系统平面图；
图3是本实用新型实施例的MEMS微型推进系统硅片上的结构图；
图4是本实用新型实施例的MEMS微型推进系统BF33上的点火电路结构图；
图5是本实用新型实施例的MEMS微型推进系统BF33与硅片之间通过阳极键合的方式键合之后的结构图；
图6是本实用新型实施例的MEMS微型推进系统硅片上发动机结构单元的排布的示意图；
图7是本实用新型实施例的MEMS微型推进系统BF33上结构单元的排布的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“置于”、“相连”、“连接”、“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图2所示，为本实用新型提供的一种MEMS微型推进系统，包括密封层和动力层，密封层盖合设置于动力层的上表面，动力层的上表面设置有发动机凹槽，发动机凹槽包括依次连通的通气槽、燃烧室、尾喷管和点火电路，点火电路通过电子束蒸镀工艺设置在密封层表面，点火电路由两层金属钛和金构成，针对点火电路的点火方式为Au-Ti电路的点火方式。其中，尾喷管包括尾喷管扩张段和尾喷管收缩段组成，且该MEMS微型推进系统还包括隔热槽。
本实施例中，发动机整体结构包括燃烧室，尾喷管和点火电路三个主要部分，再次包括通气槽等附属结构。
需要说明的是，发动机呈硅-玻璃双层薄板结构，燃烧室、拉瓦尔喷管及其他部分结构横向布置在硅片上，其中，硅片上的具体结构如图3所示，通过干法刻蚀工艺进行加工，具体的，硅片的加工工艺包括刻蚀、氧化膜沉积两个主要步骤，首先通过硅深刻蚀工艺刻蚀出燃烧室等结构，再利用PECVD工艺在硅片表面沉积一层SiO2薄膜，使硅片与点火电路之间相互绝缘。其中，刻蚀深度500um，点火电路通过电子束蒸镀工艺制备在BF33玻璃上。
此外，BF33上的点火电路结构如图4所示。具体的，整个点火电路由两层金属钛和金构成。钛位于整个图案的底层。另外在导电电极的部位覆盖一层金属金。这样，发热电阻仅含有金属钛，而导电电极部分则由一层钛和一层金构成。点火电路通过电子束蒸镀的工艺布置在BF33玻璃表面。先蒸镀金属钛，之后蒸镀金属金，完成点火电路的加工。
进一步地，BF33与硅片之间通过阳极键合的方式结合在一起，键合之后的结构如图5所示。具体的，利用Au-Ti点火电路进行点火，简化了推进器结构，提高了点火成功率。同时，加上了遮挡圆柱和通气槽一端的引申平台，防止了燃料进入通气槽中。增加了电极槽的结构，便于电路与外部电源相连；从表面处理上来看，硅结构表面进行了氧化膜保护，提高了硅片与电路之间的绝缘性，保证了点火成功率；从推进器排布方式上来看，加工时，将所有系列的发动机布置在4inch单晶硅片与4inchBF33玻璃上，实现发动机的批量化加工，发动机布置形式如图6所示。具体的，其中，BF33上结构单元的排布如图7所示，即将所有推力单元进行了合理的组合，形成了宽度的相同推进器组合单元，排布时所有组合的横边与纵边相互对齐，大大简化了切片的工艺流程，提高了加工效率。
此外，需要具体说明的是，燃烧室是燃料的储存和燃烧场所，利用推进剂燃烧时所释放的化学能作为能量来源。燃烧后的高温燃气在拉瓦尔喷管中加速，将热能转化为动能，高速向外喷出，从而产生推力。其中，结构尺寸主要涉及外部尺寸，燃烧室尺寸，喷管宽度和喷管角度四个尺寸。燃烧室尺寸包括1mm，2mm，3mm三个尺寸系列。喷管宽度与燃烧室宽度的比值在0.25到0.35之间取了三个系列为0.25，0.30，0.35；喷管角度在25度到50度之间取了三个系列为25度、40度、50度。以上三个因素，相互正交，形成27个尺寸系列。
同样，对于同一个尺寸大小的发动机，发热电阻与导电电极各有两个尺寸系列。发热电阻的尺寸主要由电阻宽度、相邻电阻的间隙影响，对于小尺寸发动机，电阻宽度有60um和50um两个系列，间隙有30um和20um两个系列，两组尺寸各自配合，形成两组发热电阻的结构，按照等比例放大2倍与3倍便是中尺寸与大尺寸发动机的发热电阻结构。导电电极则主要由电极的长度影响，对于小尺寸发动机，其长度有1950um与1600um连个系列，按照等比例放大2倍与3倍便是中尺寸与大尺寸发动机的电机结构。以上两组尺寸相互正交，得到4组电路尺寸。这样，对于同一种尺寸的发动机，都要4种电路结构与之相互配合。
进一步地，由于燃料从尾喷管处进入燃烧室，因此需要通气槽用来平衡燃烧室与外界的压力，使得燃料可以顺利地装填进入燃烧室中。在通气槽与燃烧室联通的一端有两个引申平台，同时入口处有一个遮挡圆柱，用来防止燃料进入通气槽中。更进一步地，如图3所示的电极槽的作用是插入导电引线使之与BF33上的Au-Ti电路相连接，从而使点火电路通电放热。
综上所述，本实用新型提供了一种微型固体火箭发动机，包括密封层和动力层，密封层盖合设置于动力层的上表面，动力层的上表面设置有发动机凹槽，发动机凹槽包括依次连通的通气槽、燃烧室、尾喷管和点火电路，点火电路通过电子束蒸镀工艺设置在密封层表面，点火电路由两层金属钛和金构成，针对点火电路的点火方式为Au-Ti电路的点火方式。上述微型固体火箭发动机的设计改变了点火方式，采用Au-Ti金属薄膜点火电阻进行点火，提高了点火成功率，同时对结构表面进行了SiO2绝缘处理，改善了结构的隔热性能，提高了点火成功率。此外，采用横向分层结构，可精确调节尾喷管的扩张角度，简化了结构和加工流程，且完善了结构细节，改善了推进器性能，调整了刻蚀硅片的推进器排布方式，提高了推进器的加工效率。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种MEMS微型推进系统，其特征在于：包括密封层和动力层，所述密封层盖合设置于所述动力层的上表面，所述动力层的上表面设置有发动机凹槽，所述发动机凹槽包括依次连通的通气槽、燃烧室、尾喷管和点火电路，所述点火电路通过电子束蒸镀工艺设置在所述密封层表面，所述点火电路由两层金属钛和金构成，针对所述点火电路的点火方式为Au-Ti电路的点火方式。
2.根据权利要求1所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，还包括：引申平台，用于防止所述燃烧室内的燃料进入所述通气槽中。
3.根据权利要求1所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，所述通气槽、燃烧室与所述尾喷管均沿所述发动机凹槽的中心线设置，且所述通气槽、燃烧室和微喷管一体成型。
4.根据权利要求1所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，所述尾喷管的喷口端与所述动力层的一侧边缘连通，所述通气槽的进口端与所述动力层相对的另一侧边缘连通。
5.根据权利要求1所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，对所述动力层表面执行电镀氧化膜操作，且所述密封层与所述动力层通过键合连接，其中，所述密封层为玻璃层，所述动力层为硅片层。
6.根据权利要求1所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，所述尾喷管沿燃料的喷射方向依次设有收缩段、喉管段和扩张段，所述喉管段用于过渡连接收缩端和所述扩张段。
7.根据权利要求1所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，将所述动力层上发动机的所有推力单元执行宽度相同推进器组合单元的组合方式，排布时所有组合的横边与纵边相互对齐。
8.根据权利要求1-3任一所述的MEMS微型推进系统，其特征在于，所述燃烧室呈正方形。
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