（机械工程专业论文）mems固体微推进器的设计与制作.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 微飞行器技术的不断完善与发展使其对微推进系统提出了越来越高的要求。基于微 机电系统( m e m s ) 的微推进器由于具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高、无污染等 优点，近年来受到了广泛的重视。本课题主要在研究相关微加工工艺的基础上，设计制 作了一种三层结构的固体微推进器。论文的主要内容如下： 1 综述了国内外微推进系统的类型，分析比较了各种类型的优缺点，在此基础上提 出了微推进器的设计方案。 2 设计了一种固体微推进器，该推进器具有上、中、下三层结构，分别为点火电路 层、储腔层和喷嘴层。理论上该推进器应具有点火功率低、电压低、推力大等优点。 3 研究了利用直流溅射法沉积c r 薄膜的工艺，讨论了影响薄膜溅射速率的相关工艺 参数；初步研究了用电感耦合等离子体( i c p ) 刻蚀方法刻蚀s i0 2 的相关工艺：通过实验研 究了不同参数下c r 及s i 的湿法腐蚀工艺，得出了相应的结论。 4 ，制订了一套主要由溅射、光刻、湿法腐蚀、i c p 刻蚀构成的工艺流程，成功制作了 所设计的固体微推进器。实验过程表明：此工艺流程合理、可操作性强、成品率高。 5 对所制作的微推进器进行了点火实验，得到了微推进器的点火电压及功率。利用 火箭发动机理论、热效应理论等力学、热学知识，结合a n s y s 仿真分析，理论推导了成功 点火所需的功率以及推力性能参数，并用电子分析天平测试了推力及冲量的大小。 论文的相关研究和实验结果对于微推进器的设计、制作具有一定的参考价值，微加工 工艺的相关研究结论也可以应用在其它微机电器件的制作上。 主题词：m e m s 微飞行器微推进器微加工工艺溅射刻蚀 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n to ft h em i c r oa e r o c r a f tt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e a d v a n c e dr e q u i r e sa r eb r o u g h tf o r w a r df o rm i c r op r o p u l s i o ns y s t e m a si t h a ss om a n y a d v a n t a g e ss u c ha ss m a l ls i z e ，l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dn o p o l l u t i o n ，m i c r ot h r u s t e rb a s e do nm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) h a s o b t a i n e dm o r e a n dm o r er e c o g n i t i o n si nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , at h r e e l a y e rs o l i dm i c r ot h r u s t e ri sd e s i g n e d a n df a b r i c a t e dt h r o u g ht h es t u d yo fm i c r om a c h i n i n gt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 d i f f e r e n tk i n d so fm i c r op r o p u l s i o ns y s t e ma r es u m m a r i z e di nh o m ea n da b r o a d a l l k i n d so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b a s e do nt h i s ，t h ep r o j e c t a b o u tm i c r ot h r u s t e ri sp r o p o s e d 2 as o l i dm i c r ot h r u s t e ri sd e s i g n e d i tc o n t a i n st o pl a y e r , m i d d l el a y e ra n db o t t o ml a y e r ， w h i c ha r ei g n i t i o nc i r c u i tl a y e r ，c h a m b e rl a y e ra n dd i a p h r a g ml a y e rr e s p e c t i v e l y t h e o r e t i c a l l y t h i st h r u s t e rs h o u l dh a v et h ea d v a n t a g eo fl o wi g n i t i o np o w e r , l o wi g n i t i o nv o l t a g ea n dh i 曲 t h r u s t 3 t h et e c h n o l o g yo f d e p o s i t i n gc rf i l mi ss t u d i e db yt h em e t h o do f d i r e c tc u r r e n ts p u t t e r i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h ef i l ms p u t t e r i n gv e l o c i t ya r ed i s c u s s e d r e l a t i o n sa r ef o u n d b e t w e e nt h ee t c h i n gr a t ea n dd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sw h e ns i 0 2t h i nf i l m sa r ee t c h e di na n i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s l m a ( i c p ) e t c h i n ge q u i p m e n t p r o c e s sp a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h ee r o d i n g o fc ra n ds ia r es t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e da tt h es a m e t i m e 4 ap r o c e s sf l o wc o m p o s e do fs p u t t e r i n g ，l i t h o g r a p h y ，e r o d i n ga n di c pe t c h i n gi sp l a n n e d t om a k et h es o l i dm i c r ot h r u s t e rs u c c e s s f u l l y e x p e r i m e n t sh a v es h o w nt h a tt h ep r o c e s sf l o wi s f e a s i b l e ，a n di th a sh i g hm a n e u v e r a b i l i t ya n dh i 曲s u c c e s sr a t i o 5 s o m ei g n i t i o ne x p e r i m e n t sa r ea c h i e v e da b o u tt h em i c r ot h r u s t e rw h i c hh a sb e e nf a c t u r e d a n dt h ei g n i t i o nv o l t a g ea n dp o w e ra r eo b t a i n e d b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fm e c h a n i c sa n d c a l o r i f i c ss u c ha st h er o c k e te n g i n et h e o r y ，h e a te f f e c tt h e o r y ，a n dt o g e t h e rw i t ha n s y s s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ep o w e rn e e d e di ns u c c e s s f u li g n i t i o na n dt h et h r u s tp e r f o r m a n c e sa r e d e d u c e d w h a t sm o r e ，t h et h r u s ta n di m p u l s eo ft h em i c r ot h r u s t e ra r et e s t e db ya ne l e c t r o n i c a n a l y s i sb a l a n c e ， r e s u l t so ft h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t si nt h i sp a p e ra r eb e n e f i c i a lt od e s i g na n df a b r i c a t i o n o f m i c r ot h r u s t e r ，t h em i c r om a c h i n i n gt e c h n o l o g yc a na l s ob eu s e df o ro t h e rm e m sp r o d u c t s k e yw o r d s ：m e m s m i c r oa e r o c r a f t m i c r ot h r u s t e rm i c r om a c h i n i n g t e c h n o l o g ys p u t t e r i n ge t c h i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1m e m s 产品的全球市场情况5 表2 1 典型m e m s 推进系统的性能指标1 2 表2 ，2 微晶玻璃与硅的机械及热性能比较1 6 表2 ，3 单晶硅的三个晶面的夹角，1 6 表3 1 不同实验配比条件下的刻蚀速率2 4 表4 i 常用的标准清洗液3 l 表4 2 不同研究枫构的推进剂选用情况3 5 表5 1 微推进器点火实验参数及现象4 0 表5 2c r 与微晶玻璃的性能参数4 6 表5 3 微推进器推力测量常用方案比较4 7 第1 v 页 国防事 学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图i | l 第一台微马达1 图l ，2 汽车防撞气囊示意图。，。，。，1 图l - 3m e m s 器件模型，2 圈i 4 微型飞机样件3 图i 5 施m s 生物芯片实验室3 图1 6 微机械射频开关，4 图l7 微机械滤波器，4 图1 8 光显示器的原理图，4 图1 9 电阳电热式推进器样机6 图1 1 0 蒸发水推迸器，6 图1 1 l 高级胶体推进器7 图1 1 2 意大利研制的f e e p 原理图+ ，7 图1 1 3 东京大学研制的p f t 液体推迸器7 图1 1 4 数字微推进单元结构图，8 图11 5 法国l a a s c n r s 实验室的固体燃料微推进器+ 8 图l1 6h o n e y w e l l 的微型固体推进器阵列。，8 图2 1 各种推进系统的推力及总冲量参数比较1 2 图2 2 微推进器总体模型图，1 2 图2 3 所设计的各种电阻图形( a ) ( n ) 1 3 图2 4 点火线路图，1 4 图25 微晶玻璃装药储腔层1 5 图2 6 单晶硅的三个不同晶面，1 6 图2 7 硅的湿法腐蚀所得图形1 6 图2 8 喷嘴端面图形设计1 6 图2 9 喷嘴双面对准装置，1 7 图3 1j s 3 x i o o b 型溅射台系统原理1 8 图3 2c r 膜溅射速率埘功率的影响1 9 图3 3 不同溅射功率下c r 薄膜质量的对比，2 0 圆34c r 膜溅射速率与工作压强的关系，2 0 图3 5c r 膜厚与溅射时间的关系，2 l 跚： 6c r 膜x 一射线 ； 丁射分析，2 f 图3 7c f 膜的扫描电子显微镜图片，2 l 第、，页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 8c r 膜的三维扫描探针显微镜图片2 2 图3 9c r 膜的扫描探针显微镜粒度分析图2 2 图3 1 0i c p 刻蚀系统原理图2 3 图3 1 l 受d 刻蚀掉后s i 表面的a f m 形貌图2 4 图3 1 2 所设计的腐蚀电阻图形2 6 图3 1 3 不同温度下腐蚀所得c r 电阻图形2 6 图3 1 4 恒温搅拌腐蚀系统2 7 图3 1 5 腐蚀速率与腐蚀液浓度和温度的关系曲线2 8 图3 1 6 不同浓度t m a h 溶液所腐蚀的硅腔形貌比较2 9 图4 1 底部电路主要工艺流程图3 l 图4 2 光刻工艺示意图3 2 图4 3 微晶玻璃片转速与胶厚的对应关系曲线3 3 图4 4 湿法腐蚀c r 所得电路及电阻放大图形3 3 图4 5 最终所制作的底部点火电路层3 4 图4 6 中间装药储腔层3 4 图4 7 喷嘴的制作工艺流程3 6 图4 8 二氧化硅热氧化设备3 6 图4 9 腐蚀所得的喷嘴层及喷嘴放大图形3 8 图5 1 微推进器的组装过程图3 9 图5 2 点火瞬间及电阻的变化4 0 图5 3 电阻仿真的网格划分图4 6 图5 4a n s y s 对电阻的温度仿真分析4 6 图5 5t r w 公司微型推进器测量装置4 7 图5 6 电磁天平基本结构原理4 8 图5 7 微推力测量脉冲曲线5 0 图5 8 微推进器推力测试结果5 l 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导卿指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：丛! 坚固地塞撞亟墨盟遮盐生剑焦 学位论文作者签名：鹰塑坠i 毫日期：移彳年，月友；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定。本人授权回 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印。缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： ! ! 坚固垡丝整堂墨煎遮盐蔓魁焦 学位论文作者签名 作者指导教师签名 籀 一李详l 日期：办影年1 1 月o ；日 日期： 莎年f ，月钙口 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 1m e m s 的起源和特点 第一章引言 1 1 微机电系统( m e m s ) 概论 微机电系统( m e m s ) 的起源是与各学科的交叉和工业的发展密切相关的，尤其是在微 电子技术的基础上发展起来的一门新兴学科。它主要采用硅表面微加工、体硅加工、l i g a 技术、组装与键合以及超微精密加工等多种技术，将电子功能与机械的、光学的或其它的 功能相结合的综合集成系统。 早在1 9 5 9 年，诺贝尔奖得主r i c h a r d p f e y n m a n 便提出有关于微型机械的设想，这 可看做是m e m s 技术的萌芽“1 。2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，美国研制了扩散硅压力传 感器，其直径仅为1 2 7 m m ，可测压力为o 3 至3 0 个大气压。在2 0 世纪中期，美国k u l i r e 公司率先制作并采用静电键合技术组装了压力传感器，这种压力传感器被认为是微型传感 器的雏形。1 9 8 7 年，美国加州大学伯克利分校( u cb e r k e l e y ) 发明了基于表面牺牲层技术 的微马达，如图1 1 所示，引起了国际学术界的轰动，人们看到了电路与执行部件集成制 作的希望。1 9 8 8 年，美国科学家提出标题为“s m m lm a c h i t i e s ，l a r g eo p p o r t u n i e s ”的 报告，根据这个报告，美国国家自然科学基金拨巨款支持有关m e m s 的研究，其中1 9 8 8 年 为l 亿多美元，1 9 8 9 年为2 亿美元。1 9 9 3 年，美国a d i 公司成功瑰将m e m s 加速度计商品 化，并批量应用于汽车防撞气囊，如图1 2 ，它标志着m e m s 技术走向成熟“1 。 图1 1 第一台微马达 ” 鼬沁 囝 毪峭挚。 崦 瞄j r 哟两 辨啦蚋j 崩i 2 汽乍防撞气囊示意图 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 m e m s 中的核心元件一般包含三类：即传感或致动元件、信号处理单元以及微执行器。 图1 3 举例说明了m 喇s 的器件模型“作为一个前沿领域的交叉学科，m e i s 涉及机械、 材料、电子、物理学，化学、生物学以及医学等多种学科技术，相对于传统机电系统而言 峤缒青如f 特点“6 隰 执 行 嚣 与其它系统的通种接口 图1 3m d 雌器件模型 1 ) 器件微型化、集成化 m e m s 器件体积小、重量轻、惯性小、谐振频率高、响应时间短”。将微敏感元件、微 处理器、微致动嚣和各种微机电系统都集成在一个小小的硅芯片上，可批量、廉价的生产。 2 ) 功能智能化、多样化 随着微加工技术的进步，将硅基材料微传感器、信号处理器件与转换电路集成在一起， 极大的提高了m e l 4 s 器件的灵敏度、信噪比以及测量精度，并省略了复杂的接口技术，智 能化程度大大提高。同时由于硅具有压阻效应、光电效应、p n 结特性和霍尔效应等特点， 可以用于制备力学传感器、光电传感器、温度传感器和气敏传感器等多种器件。 3 ) 低能耗、高功效 p 4 e m s 的器件尺寸介于亚微米至亚毫米之间，消耗能量远小于传统机电系统；由于硅的 强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近铝翻钨，因此硅同样具有 良好的机械性能。 4 ) 多学科交叉 m e m s 器件的制造涉及到设计、制造、测试、控制、材料、能源以及元器件的组装、键 合等技术，同时涉及到机械学、材料学、物理学、化学、生物学、微电子学等学科作为理 论基础，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 1 1 2m e m s 的应用领域及发展前景 微机电系统及微器件在各种工程和科学领域的应用相当广泛，它可实现信息获取( 微 传感器 、信息处理( 微电子技术) 乃至信息执行( 微执行器) 等多种功能。优先应用的 主要顿域包括航空航天、生物医学、徽流量控制、微探头和显微技术、信息科学、微光学 技术、微机器人及坷、境监洲争”。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 ) 在航空航天方面的应用 微机电系统在飞行器的电子设备、飞行器设计及微小卫星“”等技术方面都有重要的应 用。微机电系统推动了无人驾驶微型飞机的实现。如图1 4 。它的重量仅为8 5 克可带自 动驾缈f 懈导系幺 芒、传感和数据链等电子系统薛可传回图像，尽管微型机尚来免争 达到可实战应用的程度，但军事部门对制造微型飞机已表现出极大的兴趣，预计在不久的 将来这便将变成现实。 图i ，4 微型e 机样件 2 ) 在生物医学方面的应用 微传感器、微执行器及微系统在生物医学方面的应用主要包括以下内容：腔内压力监 测、生物芯片、细胞操作以及微型手术等。其中腔内压力监测已应用于临床，如胸腔压力、 心脏房室及其他血管等部位的压力监测等。生物芯片也已经在基因排序上引起极大的反 应。通过微型生物机电技术合成m e m s 传感器和致动器，可以创造出具有更强大功能的新 一代生物芯片，图1 5 即为m e m s 生物芯片实验室。 图l - 5m e m s 生物芯片实验室 。3 ) 在信息科学方面的应用 对于信息的存储、交换、操作以及传输过程来说，外接微型化、低功耗的m e m s 器件 是必不可少的，如计算机系统的微存储器、激光扫描器和打印头等。另外，射频( r f ) m e m s 器件如r f ：微机械开关、微机械谐振器以及滤波器等，它们都是无线电通信设备中的基础 h _ - _ _ - h - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - - 一 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 组聂件，目前，人们正以极大的兴趣，采用m e m s 制造技术来对这类器件进行开发与应用。 图1 6 为r f 射频开关，图1 7 为微机械滤波器。 图l ，6 微机械射频开关 函1 7 微机械滤波器 4 ) 在微光学技术方面的应用 利用徽纳制造技术，现己开发出许多用于传感、通信及显示系统的阵列式或分立式微 型光学器件，如光开关、光显示器、光纤传感器、微光谱仪及微干涉仪等嘲。它们可实现 传统光学设备所能实现的如折射、衍射、反射等功能，而且体积小、功耗低和质量轻。这 些微光学器件的应用场合也各有不同，光开关主要应用于光纤通信系统，光显示器主要应 用于投影显示、通信设备以及测量显示等。图1 8 是一光显示器的原理图。 图1 8 光显示器的原理图 总之，m e l d s 作为- - f 3 新兴的交叉学科，其重要性越来越受到全球的关注。目前，无论 是对m e m s 研究的投入，还是m e m s 产品的市场化进程，都在逐年的增加，表1 1 为m e m s 产。t j ；一- j 场占有情况。“。相信在不久的将来，m e m s 产品将在国防、航空、通信、生物 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 医疗、环境、农业等各个领域得到广泛的运用，m e m s 技术将和微电于技术一样，椅甜叵开 带来巨大影响，甚至会引发一场新的技术革命。 表t 1m e 临产品的全球市场情况 一品2 0 0 0 i 一一一丽i 一一 台，亿金融亿美元 台，亿金额亿戋元 1 2 微推进器的研究现状及发展趋势 1 2 ，微推进器的需求背景及研究现状 随着航空航天技术的微型化方向发展，自上世纪9 0 年代以来，微小卫星的研究逐渐 成为人们研究追逐的热点，早在1 9 9 3 年第4 4 届国际宇航大会上便正式提出纳米卫星的概 念“，按卫星的质量划分，人们将1 0 0 0 k g 以下的卫星称为小卫星，其中5 0 0 1 0 0 0 k g 的 称为小型卫星，1 0 0 5 0 0 k g 的称为超小卫星，l o l o o k g 的称为微型卫星，1 l o k g 的称 为纳卫星，0 1 1 k g 的称为皮卫星，0 1 k g 以下的称为飞卫“。 微纳型卫星具有设计周期短、成本低、技术集成度高、易于推陈出新、发射灵活、 便于组网等优点“”，并且随着科技的进步以及m e m s 技术的不断完善与发展，微纳卫星已 逐步开始占领卫星领域的市场。 随着微卫星技术的出现，微推进器的设计研究与应用也就显得尤为重要，推进器在卫 星上有两个毛登功能”“：一是将卫星从一个轨道转到另一个轨道，二是控制卫星的姿态。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 因此，微推进器对于实现微卫星的位置保持、姿态控制、引力补偿、轨道调整等方面起着 极其重要的作用。微卫星能否按预期的稳定可靠持久地工作运行，关键在于能否有稳定可 靠的微推进器对其提供动力支持，其所需的推力一般为毫牛量级甚至更低，所需的冲量范 | l 股n1 0 n s l o 。n s 量级。 基j m e m s 技术的微型推进系统成本低、体积小，质量轻、集成度高，并且设计制作 周期短，尤其适用于体积小、造价低廉的微型飞行器系统。因此对m e m s 微推进系统的研 究已成为近年来全球m e m s 界的研究热点。 按照推进力产生所依据的原理的不同，主要将微推进器分为两大类：电推进器和化学 推进器。 微型电推进器的种类很多，根据工作原理不同主要分为电热式、静电式和电磁式。电 热式电推进结构简单，易于m e m s 工艺实现，它是目前m e m s 电推进的研究热点之一。它的 1 作原理有两种：一种是利用电阻加热器将推力室中的气体加热，再经过喷嘴将气体喷出 形成推力，图1 9 是韩国k a i s t 电阻电热式推进器样机“”。 图i 9 电阻电热式推进器样机 另一种是利用加热电阻将硅型腔推力室中的液体或固体加热到相变温度。当液体蒸发 或固体升华得到的气体压强大于微阀所能承受的压力时，微阀打开，气体通过喷嘴喷出产 生推力，图1 1 0 是清华大学设计的基于水蒸发的m e m s 微推进器“。 图i 1 0 蒸发水推进器 静电式电推进的基本原理是利用静电场加速带电离子或胶体颗粒，用其反作用产生推 力。m f , m s 歧体微推进器便属于此类，它由带电粒子发射器、抽取电极、加速网和中和器四 i j 分组成。推进制为熔点较低的金属，如l i i 、铯等。工作时推进剂被加热液化，液体金属 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 流向发射器的出口夹缝。在发射器出口和加速电极间施加高压电场，便得金属禺于被川愿 喷出，从而产生推力。图i ，i i 是美国s t a n f o r d 大学研制的高级胶体微型推进器“”，用于 绿宅石星座中的纳型卫星轨道保持。图1 ，1 2 所示为意大利研制的场效应离子推进器仆e e p ) 睁珲图“ 图1 1 l 高级胶体推进器 图1 1 2 意大利研制的f e e p 原理图 微型脉冲等离子体推进器( u p p t ) 属于电磁电推进，但目前的微型脉冲等离子体推进 器由于其自身的工作原理与m e i s 技术相结合还比较困难，基本上是利用传统的制造工艺 进行微型化，它没有基于m e m s 技术的推进器的优势，因此目前己不是m e m s 微推进器研究 的重点。图1 1 3 所示为东京大学研制的p p t 液体推进器“”。 图1 1 3 东京犬学研制的p p t 液体推进器 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 4 所示为d a r p a 与t r w 公司合作研制的数字微型推进器单元结构”1 。它的芯片 由三层硅和玻璃组成，在一个标准的2 4 管脚陶瓷双排电子封装里，共有1 5 个独立的推进 器，可见的结合线与每个推力器上的加热电阻相连。其内部的结构分为三层，顶层为喷嘴， 中州鼍为捧进器存储单元可加洼各种类型的推进刺底层为点火器。 顶部喷嘴层 中问储腔层 底部点火层 图1 1 4 数字微推进单元结构图 图1 1 5 ( a ) 是法国l a a s - - c n r s 实验室研制的基于微细加工技术的纵向结构固体燃料 微推进器”。它共分为四层结构，第一层、第四层为电极层，其上加工有梳状的电解电极、 点火电极。第二层、第三层为型腔层，其上加工有进水口，并附有疏水涂层的电解反应腔、 阻燃孔、燃烧腔及喷口。出于对军事需求中常常需要带有稳定标靶的微推力的考虑，2 0 0 4 年l a a s - - c n r s 实验室又开发研制了一种三层结构的水平方向微推进器，如图1 1 5 ( b ) 所 示，上下两层均为密封层，中间层集合了点火器、装药腔以及喷嘴器。该推进器结构简单， 易于加工制作，同时也有利于m e m s 的高集成度的要求。 ( a ) 四层垂直结构 ( b ) 三层水平结构 图l1 5 法国l a a s - - c n r s 实验室的固体燃料微推进器 图1 1 6 l o n e y w e ll 的微掣l 司体推进器阵列 图1 1 6 是l l o n e y w e 1 中心和p r i n c e t o n 大学等单位合作研制的m e m s 兆单兀微型推进 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 阵列1 。该阵列由集成在3 3 c m x 3 3 c m 硅片上的间距为5 1 p m x 5 1 # m 的5 1 2 5 1 2 个独立单 元组成，每个单元推进器都有独立的加热器、燃烧腔，并与r i c m o s 电路集成为一体，使 得每个单元都可以单独寻址点火。 122 微推进器的发展趋势 综上所述，m e m s 微推进系统的发展是以m e l d s 技术和推进技术发展为基础，以微型航天 器的应用需求为驱动的。近年来，随着国际间各合作单位的不断努力与创新，尤其是兆单 元结构微推进器的诞生，让人们看到了微推进器实用化、产品化的希望。另一方面，随着 太空技术的不断提高以及微卫星技术的不断进步，对微卫星的位置保持、姿态控制、引力 补偿和轨道调整等方面也提出了越来越高的精度要求。因此人们仍需要对微推进器的研究 开发进行不断的探索。综合国内外的研究情况，微推进器的发展趋势主要表现为： 1 ) 高精度化高使用寿命微推进器 2 ) 高可靠性高稳定性微推进器 3 ) 高推功比的微推进器 4 ) 低功耗低成本微推进器 5 ) 结构及电路简单型微推进器 6 ) 无离子污染微推进器 1 3 1 课题来源 1 3 本课题的主要任务及章节安排 本课题来源于国防预研基金项目“微结构与微系统设计理论、方法及c a d 技术研究”。 1 3 2 课题研究的意义 作为- - f 新兴交叉学科，m e m s 技术对军事、国防事业的发展起着至关重要的作用。目 前由于受m e m s 加工工艺限制，许多m e m s 领域的设计与研究还未能得到实用化、产品化， 因此对m e m s 工艺的研究与探索已成为m e m s 研究的重点。本课题正是基二f 对m e m s 工艺的 探索研究，结合国内外微推进器的研发状况，针对微型、纳型卫星设计制作种固体微推 进器样机。国外相应的研究机构也在微推进器的研制方面做了很多工作，也都墩得，一定 的成绩：然而，国内因m e m s 工艺相对落后，加之起步较晚，所以在微推进器方面的研究 还处于初始阶段。因此，在国内尽快研制出成熟稳定并可投入使用的微推进器的任务迫在 埘 ，e 。本课题对_ j - 从事m e m s 的工艺研究以及微j ! 星、微推进器的设计制作应只钉 ；琶的 指导作用。 第9 页 国防科学技术大学研究生院项士学位论文 1 3 3 主要任务及章节安排 1 第一章概述了m e m s 及微推进器。具体分析微推进系统的需求背景、研究现状与发 展趋势。 2 第二章分析了当前国内外微推进系统的各种类型的优缺点，在此基础上提出本课 题关于微推进器的设计方案，并对微推进系统各部分结构进行设计与优化。 3 第三章对与微推进系统制作相关的m e m s 工艺做实验研究，包括溅射、i c p 刻蚀与 湿法腐蚀等工艺。 4 第四章详细介绍微推进系统的各部分的制作过程。 5 第五章对所制作的三层结构进行组装与点火实验；推导微推进系统所涉及到的相 关理论公式，得出微推进性能的理论计算公式，并对点火功率与电阻温度进行a n s y s 有限 元仿真分析：结合国内外对微推力的测试原理与方法，利用电子分析天平得出所制作的微 推进器的推力性能。 6 第六章全文工作总结和展望。 1 4 本章小结 微卫星等微飞行器的研制发展促进了微推进系统的研究与应用，而m e m s 技术的不断 成熟与m e m s 理论基础的不断完善，更是微推进系统发展优化的有力保障。本章简单介绍 了e m s 的特点及应用领域，概括了微推进器的需求背景，集中分析了国内外对于微推进 系统的研究现状及发展趋势，在此基础上提出了对m e m s 微推进系统的设计制作任务，具 有重大的研究意义与应用价值。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章微推进器设计 2 1 微推进器总体方案的确定 2 1 1 各种类型m e m s 微推进器的比较 m e m s 推进器是微推进系统发展的一个新方向，它与m e m s 技术结合，开创了微小卫星 特别是纳皮型卫星推进系统研究的新途径。m e m s 推进器的优点突出表现为质量和体积较 小、功耗低、集成度高、成本低、可批量生产等等。上一章分析了各种推进系统的研究现 状，包括电阻电热式推进器、胶体推进器、场效应离子推进器( f e e p ) 、脉冲等离子推进 器( p p t ) 以及数字式化学推进器，在此对各种推进器的性能特点作以比较总结。 1 ) 电阻电热式推进器 电阻电热式t e m s 电推进器无污染，原则上可以使用任何推进剂，成本低，但它的比冲 很低，存在泄漏问题。 2 ) 胶体推进器 它是一种可应用于微小卫星的非常有发展前景的推进系统，设计简单，成本低，工作 稳定性高：使用惰性推进剂，有利于长时间的保存和长期的任务；推进比冲较高，能提供 较宽的推力和比冲范围。胶体推进器的不足之处在于推功比较低、工作电压太高，同时它 存在严重的羽流污染和阴极发射器寿命限制的问题。 3 ) f e e p 推进器 f e e p 推进器很适合于微小卫星的相对位置和轨道的保持，它的比冲高，推力小，能提 供微小的脉冲冲量；技术水平已经达到太空飞行的要求。f e e p 系统的缺点是推功比低，要 求很高的工作电压( 不超过l ok v ) ，同时它同样存在羽流污染问题。另外，受阴极发射管 的寿命限制( 2 8 k h ) ，f e e p 的工作寿命有限，不适合于长期任务的微小卫星。 4 ) p p t 推进器 p p t 推进器结构简单成本低、工作稳定性好、可靠性高，尤其是该技术成熟，已曾 在许多卫星上使用过。而且p p t 系统有较高的比冲，能够提供微小的脉冲冲量，这些特性 都比较适合于微小型卫星编队飞行轨道保持使用。但p p t 系统不足之处在于系统固有质量 较大，同前两种一样，也存在碉流污染问题，并且推功比不高。另外，p p t 系统工作的物 理原理复杂，工作过程是包含复杂的电磁效应和电热效应，需要进一步深入研究。 5 ) 数字式化学推进器 数字式化学推进器功耗低、集成度高、推力和冲量都很小、工作稳定性好、无离子污 染、尢复杂的电源系统、结构简单，晌且由于其没有运动部件，工作可靠性高，推，j 易调 整，能够提供小两精确的冲垃，时化学推进系统在传统推进中应用j “泛，上作j r 铅r ，螽。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 该种推进系统的不足在于其比冲不高，而且总冲量有限“5 。”1 。 以上所比较的各种推进器的推力及总冲量的性能参数可简单的通过图2 1 表示“”，表 2 1 n 7 1 列出了m e m s 化学、电以及液体推进系统的基本性能指标，通过各方面综合比较，得 出e s 化学推进器无论从制作的难易程度，还是推进系统本身的结构以及性能方面考虑， 都比较适合微小卫星推进系统的应用，是目前微型航天器推进系统研究的重要方向，也是 目前微小推进方向研究的重点和热点。 图2 1 各种推进系统的推力及总冲量参数比较 表2 1 典型m e m s 推进系统的性能指标 推进系统类型 m e m s 化学推进器 m e m s 胶体电推进器m e m s 液体蒸发电推进器 推力形式脉冲脉冲连续 榧力f “nl 1 0 00 0 0l 1 0 00 0 05 0 0 比冲s1 0 0 3 0 0 5 0 0 2 0 0 05 0 7 5 l 最小冲鼍脉冲i v j1 1 0 91 x 1 0 9 推功比w “ t 0 0 0 1 0 0 05 0 0 质量k s 2 4 1 0 一 2 1 2 微推进系统方案的确定 纵观当前国内外对微推进系统的研究制作情况，结合对各种微推进系统的结构性能分 析比较，确定本课题的微推进系统的设计制作类型为基于m e m s 技术的三层结构固体微推 进器。 图2 2 微推进器总体模型图 第1 2 页 妒 ” ” ” z一蔷己；卜 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 所设计的微推进器总体模型如图2 2 所示，其中底层为加热电阻点火电路层，可单独 通电点火也可任意组合点火；中间层为储腔层，既是推进剂储腔室又是燃烧室，推进剂在 内部点火后迅速爆燃；项层为喷嘴层，为先收缩后扩张的结构，该结构的目的是加速燃烧 掌内燃气的排出速度，从而增大推力。点火电阻值预计在几十至上百欧姆，燃烧室半径约 为1 2 m m ，喷嘴喉部尺寸约为几百微米，预计点火电压在3 0 v 以内，推力大小约为0 1 1 0 m n 。 2 2 1 底部点火电路的设计 2 2 微推进器各部分结构设计 对于微推进系统来说，能否产生推力很大程度上取决于点火电路的设计，包括电阻的 大小与形貌、点火功率、线路可靠性等问题，因此这部分的设计是本课题的一个关键环节。 结合本实验室的现有设备和条