專利名稱：基于mems噴嘴芯片的微型推進器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型推進器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用硅基MEMS芯片作為噴嘴的微型推進器。
背景技術(shù)：
近年來，微小衛(wèi)星的應用越來越受到各國航天界的重視和密切關(guān)注。微小衛(wèi)星具有體積小、重量輕、技術(shù)含量高、研制周期短、研制費用低(數(shù)千萬元人民幣)等優(yōu)點，是近年來空間技術(shù)發(fā)展的新熱點。多顆微小衛(wèi)星可組成編隊飛行衛(wèi)星，在對地觀測、立體成像、精確定位、大氣探測、天文觀測和地球物
理探測等方面具有廣泛的應用價值。編隊飛行衛(wèi)星對姿控系統(tǒng)有特別的要求如合成孔徑雷達，要求衛(wèi)星的光學敏感器以指定的相對姿態(tài)指向空間某個方向；
編隊衛(wèi)星執(zhí)行激光通信，要求兩顆衛(wèi)星的激光通信終端跟蹤目標視線，其相對姿態(tài)必須滿足激光通信終端的粗瞄準要求。微小衛(wèi)星還可以作為伴隨衛(wèi)星圍繞空間站或其他空間飛行器作相對運動。具有服務功能的伴隨小衛(wèi)星作為空間支持的一種手段，可以圍繞軌道飛行器完成精確的機動與觀測。
目前許多微小衛(wèi)星使用液化氣作為推進劑，存在壓力偏高，比沖偏低等不足。以具有一定化學能的液體燃料作為推進劑，如高濃度雙氧水，肼等，可在推進器中釋放大量熱從而提高推進性能。
傳統(tǒng)的推進器或小型火箭發(fā)動機的噴嘴均用金屬材料加工制作，而微納衛(wèi)星所需要的毫牛、微牛量級的推進器噴嘴尺寸非常微小，其喉口一般為微米量級，常規(guī)的金屬機械加工已難于滿足其精度要求。由微電子硅芯片加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展而
來的MEMS (微機電系統(tǒng))加工技術(shù)為微型器件的加工提供了新的途徑。但由于受到MEMS加工工藝的限制，采用硅芯片加工的微型噴嘴形狀是平面型的。而且硅材料相對金屬材料，有易破碎不能焊接等特點，噴嘴與其他部件的結(jié)合有一定的困難。文獻上有報道將推進器的整體結(jié)構(gòu)包括推力室入口、推力室和噴嘴在同一塊芯片上加工出來的結(jié)構(gòu)。但是這種結(jié)構(gòu)對于單組分液體燃料來說由于硅片大小有限其催化面積過小，而且微加工濺射法制作出的催化劑薄膜很容易中毒失效。另外，與常規(guī)尺寸的液體燃料推進器不同的是，微小硅片散熱損失比較嚴重，常常很難維持較高的推力室溫度，使得單組分液體燃料充分分解產(chǎn)生熱量。全部采用硅芯片刻蝕產(chǎn)生的微流道結(jié)構(gòu)使得推進器容易受到雜質(zhì)堵塞，降低了推進器的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種新穎的微型液體燃料推
進器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用MEMS硅微芯片作為微型噴嘴，以突破微型金屬噴嘴難于加工的技術(shù)限制；同時增加微型液體燃料推進器的可靠性，提高其性能。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案 一種基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，包括有輻射隔熱外殼，催化反應腔，頂蓋，所述催化反應腔包括設置于輻射隔熱外殼內(nèi)的催化腔、催化反應腔入口通道，該催化反應腔入口通道一端連通到催化腔內(nèi)，另一端穿出所述輻射隔熱外殼；在該催化腔前端上密封套設有中間套件，所述頂蓋密封套設于該中間套件外圍，在所述中間套件中部穿設有MEMS噴嘴芯片，該MEMS噴嘴芯片一端連通到所述催化腔內(nèi)，另一端穿出所述頂蓋，還包括有用于給催化腔加熱的加熱絲。
液體推進劑如高濃度雙氧水或肼等由催化反應腔入口通道進入催化腔，催化腔內(nèi)裝有催化劑如銀網(wǎng)或其它鉑絲等貴金屬催化材料，單組元推進劑與催化劑接觸發(fā)生分解反應放出熱量，分解產(chǎn)物被化學分解反應放出的熱量以及加熱絲加熱變成高溫氣體，高溫氣體從MEMS噴嘴芯片噴出，產(chǎn)生一定推力；催化反應腔內(nèi)的催化劑可采用一片片圓形的銀網(wǎng)或鉑絲網(wǎng)緊密疊加而成。
所述輻射隔熱外殼包括內(nèi)層和外層，所述催化反應腔設置于該內(nèi)層內(nèi)，所述輻射隔熱外殼內(nèi)外表面設有高反射材料。催化反應腔溫度越高，化學分解反應速度越快，反應越充分，產(chǎn)生熱量越多，推進器性能越好，而微型器件比表面積過大，散熱損失嚴重，需要采取相應的絕熱措施，以減小散熱損失和輔助加熱功率；在太空環(huán)境下，熱量主要以輻射的方式散發(fā)出去，通過采用雙層輻射隔熱外殼作為絕熱保溫的結(jié)構(gòu)，通過隔熱外殼的內(nèi)外表面附上光亮的鉬片，如鋁箔，銀鏡面等高反射材料，以反射輻射出的熱量。
在所述催化反應腔入口通道的內(nèi)壁上開設有節(jié)流孔。催化反應腔入口通道的內(nèi)徑一般要求很小，通過在催化反應腔入口通道中安置節(jié)流孔，使得推進劑流經(jīng)此處產(chǎn)生一定的壓降，有利于防止推進劑回流，增加推進器工作的穩(wěn)定性。所述MEMS噴嘴芯片包括相互拼合的玻璃層和硅層，在該玻璃層和硅層之間設置有拉法爾噴嘴。
在所述催化反應腔靠近催化反應腔入口通道的外壁上包裹有絕緣層，所述加熱絲纏繞于該絕緣層上，該加熱絲一端穿出所述輻射隔熱外殼。與常規(guī)尺寸的火箭發(fā)動機不同的是，催化反應腔不僅不需要冷卻還必須對其進行輔助加熱和保溫。因為由于微尺度效應，微型器件的面積與體積比很大，散熱損失非常嚴重。而且，根據(jù)實驗經(jīng)驗，微型推進器越小，冷啟動越困難， 一般需要預熱
到一定溫度(如15(TC以上)才能正常啟動噴出氣體，否則燃料將以液態(tài)的形式噴出，啟動失敗。因此，催化反應腔外圍還要纏繞加熱絲對其進行輔助加熱，幫助催化反應腔內(nèi)反應的進行。
在所述加熱絲穿出所述輻射隔熱外殼的部分上套設有陶瓷線引線管。陶瓷線引線管有助于保護加熱絲并起到絕緣的作用。
還包括有熱電偶，其電偶結(jié)點粘附于所述在所述催化反應腔的外壁上，另一段穿出所述輻射隔熱外殼。
所述中間套件內(nèi)開設有方形縫隙，該方形縫隙的截面與所述MEMS噴嘴芯片的截面相吻合，所述頂蓋與所述MEMS噴嘴芯片接觸的的部分為帶斜角的方腔，該方腔的垂直截面由外向內(nèi)逐漸增大，其中間部分形成有梯形臺結(jié)構(gòu)，該方腔的外表面出口孔與所述MEMS噴嘴芯片的截面相吻合，該MEMS噴嘴芯片兩端分別插入所述方腔和所述方形縫隙，在所述方腔與所述MEMS噴嘴芯片之間的空間填充有石墨密封材料。MEMS噴嘴芯片與金屬催化反應腔的接合， 一是必須能夠保證在一定壓力(幾個大氣壓)下密封；二是能夠耐幾百攝氏度的高溫，并且要保證密封接合過程當中不能損壞易碎MEMS硅微芯片；三是密封還要能夠耐強氧化性或強還原性的腐蝕。由于芯片形狀的特殊性和易碎性，不能像金屬圓管密封一樣采用金屬卡箍密封結(jié)構(gòu)，而耐高溫的要求，使一般的密封膠無法勝任這個要求。因此，密封有一定的難度，必須釆取特殊的密封結(jié)構(gòu)滿足此上述要求。通過采用特殊的斜面夾合石墨密封材料的結(jié)構(gòu)滿足了密封要求。在該密封結(jié)構(gòu)中，MEMS噴嘴芯片中心線與圓柱形催化反應腔的中心軸線一致。MEMS噴嘴芯片垂直插入兩塊金屬片專門加工的合適大小縫隙之間，挨近芯片的縫隙邊緣加工方腔，在方腔處填充石墨，兩塊金屬片夾緊時將石墨壓實起到密封MEMS噴嘴芯片的作用。其特殊的密封結(jié)構(gòu)滿足了 MEMS噴嘴芯片與金屬催化腔的耐高溫和耐腐蝕密封要求。
所述中間套件上下兩端的端部為倒角，在該倒角與所述催化反應腔的外壁之間設有金屬密封圈。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點本發(fā)明采用微型金屬圓柱形推力或催化腔體與MEMS噴嘴芯片相結(jié)合組成的微型推進器結(jié)構(gòu)，使用銀網(wǎng)或貴金屬絲作為催化劑，并采取一定的絕熱措施，能夠在很小推力的情況下維持較高的推力室溫，獲得較高比沖。本發(fā)明的微型液體燃料推進器體積小、質(zhì)量輕，功耗小，具有較高的比沖，非常適用于微小衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)當中。


圖1為本發(fā)明的微型液體燃料推進器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為MEMS噴嘴芯片結(jié)構(gòu)示意圖3為MEMS噴嘴芯片與頂蓋、中間套件裝配示意附圖標記說明1、 MEMS噴嘴芯片，11、玻璃層，12、硅層，13、拉法爾噴嘴，2、頂蓋，21、帶斜角的方腔，211、出口孔，22、螺栓穿過孔，3、中間套件，31、倒角，311、金屬密封圈，32、方形縫隙，4、催化反應腔，41、催化腔，42、催化反應腔入口通道，421、節(jié)流孔，5、加熱絲，51、加熱絲纏繞段，6、熱電偶，61、電偶結(jié)點，7、絕緣層，8、陶瓷引線管，9、雙層輻射隔熱夕卜殼,
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的內(nèi)容做進一步詳細說明。
實施例
請參閱圖l所示， 一種基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，包括有輻射隔熱外殼9，催化反應腔4，頂蓋2，催化反應腔4包括設置于輻射隔熱外殼9內(nèi)的催化腔41、催化反應腔入口通道42，催化反應腔入口通道42 —端連通到催化腔41內(nèi)，另一端穿出輻射隔熱外殼9;在該催化腔41前端上密封套設有中間套件3，頂蓋2密封套設于該中間套件3外圍，在中間套件3中部穿設有MEMS噴嘴芯片1，該MEMS噴嘴芯片1 一端連通到催化腔41內(nèi)，另一端穿出頂蓋2,還包括有用于給催化腔41加熱的加熱絲5。液體推進劑如高濃度雙氧水或肼等由催化反應腔入口處42進入催化腔41
后，催化腔41內(nèi)的分解產(chǎn)物被化學分解反應放出的熱量以及加熱絲5的加熱變成高溫氣體，高溫氣體從MEMS噴嘴芯片1噴出，產(chǎn)生一定推力。
該輻射隔熱外殼9包括內(nèi)層91和外層92，催化反應腔4設置于該內(nèi)層91內(nèi)，輻射隔熱外殼9內(nèi)外表面設有高反射材料。
進一步的，為防止推進劑回流，增加推進器工作的穩(wěn)定性，在催化反應腔入口通道42的內(nèi)壁上開設有節(jié)流孔421。
在催化反應腔4靠近催化反應腔入口通道42的外壁上包裹有絕緣層7，加熱絲5的加熱絲纏繞段51纏繞于該絕緣層7上，該加熱絲5另一段穿出輻射隔熱外殼9。先在催化反應腔體4外包一層云母作為絕緣層，然后在絕緣層上纏繞加熱絲5，然后可再次包扎云母絕緣層7，或灌注陶瓷溶膠絕緣，將加熱絲5固定。
為對加熱絲絕緣，在加熱絲5穿出輻射隔熱外殼9的部分上套設有陶瓷線引線管8;還包括有熱電偶6，其一段粘附于在催化反應腔4的外壁上，另一段穿出輻射隔熱外殼9，熱電偶6的電偶結(jié)點61可焊接在催化反應腔4上，其另一端從輻射隔熱外殼9的引出。
請參閱圖2所示，MEMS噴嘴芯片1包括相互拼合的玻璃層11和硅層12，在該玻璃層11和硅層12之間設置有拉法爾噴嘴13。所述的MEMS噴嘴芯片硅微芯片由于受到微加工工藝的限制一般為片狀結(jié)構(gòu)，由大約300 500微米厚的硅片與500微米厚的玻璃片鍵合而成。用誘導耦合等離子(Inductively CoupledPlasma, ICP)深刻蝕方法在硅片上刻蝕微型拉法爾平面型噴嘴結(jié)構(gòu)。目前微加工工藝能夠刻蝕的深度在200微米左右，其寬高比越小加工難度越大。而對于拉法爾噴嘴來說，寬高比越大噴嘴越接近二維結(jié)構(gòu)，其性能越好。因此，在這里只能有一個折中，而平面型微型噴嘴的推力系數(shù)也將會比常規(guī)尺寸的噴嘴要小一些。這是噴嘴微型化所必須付出的代價。平面型拉法爾MEMS噴嘴芯片1的具體制作工序如下準備n型〈100〉晶向的硅片，清洗干凈后旋涂一層約3pm厚的光刻膠。使用設計好的掩膜進行UV光刻。隨后進行ICP (InductivelyCoupled Plasma,誘導耦合等離子體刻蝕)深刻蝕，在硅片上形成平面型拉法爾噴嘴槽道。剝離光刻膠，再次清洗硅片，與玻璃片進行陽極鍵合。最后從玻璃面開始劃片，得到所需的推進器芯片。
請結(jié)合圖3所示，頂蓋2有一個帶斜角的方腔21，方腔由外往內(nèi)逐漸增大，
中空部分形成一個梯形臺結(jié)構(gòu)，外表面的出口孔211與MEMS噴嘴芯片1橫截面大小相吻合，中間套件3在正中央位置也有一個方形縫隙32，縫隙截面與MEMS噴嘴芯片1截面相吻合，這樣，MEMS噴嘴芯片1可插在頂蓋2的方腔21和中間套件3的縫隙32之間，而在方腔21斜角處填滿石墨，通過螺栓穿過孔22將這幾個部件鎖緊之后，石墨被緊緊壓實在斜角21處將MEMS噴嘴芯片1與不銹鋼結(jié)構(gòu)密封嚴實。而石墨材料具有耐高溫耐腐蝕的優(yōu)點，能夠滿足微型推進器工作狀況的要求。中間套件3帶有一個倒角31，配合一個金屬鋁套圈或銀密封套圈，可將中間套件3和催化反應腔體4緊密結(jié)合，形成能夠承受一定高溫的密封結(jié)構(gòu)。
上列詳細說明是針對本發(fā)明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
1、一種基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于包括有輻射隔熱外殼(9)，催化反應腔(4)，頂蓋(2)，所述催化反應腔(4)包括設置于輻射隔熱外殼(9)內(nèi)的催化腔(41)、催化反應腔入口通道(42)，該催化反應腔入口通道(42)一端連通到催化腔(41)內(nèi)，另一端穿出所述輻射隔熱外殼(9)；在該催化腔(41)前端上密封套設有中間套件(3)，所述頂蓋(2)密封套設于該中間套件(3)外圍，在所述中間套件(3)中部穿設有MEMS噴嘴芯片(1)，該MEMS噴嘴芯片(1)一端連通到所述催化腔(41)內(nèi)，另一端穿出所述頂蓋(2)，還包括有用于給催化腔(41)加熱的加熱絲(5)。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于所述輻 射隔熱外殼(9)包括內(nèi)層(91)和外層(92)，所述催化反應腔(4)設置 于該內(nèi)層(91)內(nèi)，所述輻射隔熱外殼(9)內(nèi)外表面設有高反射材料。
3、 如權(quán)利要求2所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于在所 述催化反應腔入口通道(42)的內(nèi)壁上開設有節(jié)流孔(421)。
4、 如權(quán)利要求3所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于所述 MEMS噴嘴芯片(1)包括相互拼合的玻璃層(11)和硅層(12)，在該玻璃層(11)和硅層(12)之間設置有拉法爾噴嘴(13)。
5、 如權(quán)利要求1到4中任一所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征 在于在所述催化反應腔(4)靠近催化反應腔入口通道(42)的外壁上包 裹有絕緣層(7)，所述加熱絲(5)纏繞于該絕緣層(7)上，該加熱絲(5) 一端穿出所述輻射隔熱外殼(9)。
6、 如權(quán)利要求5所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于在所 述加熱絲(5)穿出所述輻射隔熱外殼(9)的部分上套設有陶瓷線引線管(8)。 陶瓷線引線管有助于保護加熱絲并起到絕緣的作用。
7、 如權(quán)利要求6所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于還包 括有熱電偶(6)，其電偶結(jié)點(61)粘附于所述在所述催化反應腔(4)的 外壁上，另一段穿出所述輻射隔熱外殼(9)。
8、 如權(quán)利要求7所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于所述 中間套件(3)內(nèi)開設有方形縫隙(32)，該方形縫隙(32)的截面與所述MEMS 噴嘴芯片(1)的截面相吻合，所述頂蓋(2)與所述MEMS噴嘴芯片(1)接 觸的的部分為帶斜角的方腔(21),該方腔(21)的垂直截面由外向內(nèi)逐漸增大，其中間部分形成有梯形臺結(jié)構(gòu)，該方腔(21)的外表面出口孔(211)與所述MEMS噴嘴芯片(1)的截面相吻合，該MEMS噴嘴芯片(1)兩端分別 插入所述方腔(21)和所述方形縫隙(32)，在所述方腔(21)與所述MEMS 噴嘴芯片(1)之間的空間填充有石墨密封材料。
9、如權(quán)利要求8所述的基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，其特征在于所述中 間套件(3)上下兩端的端部為倒角(31),在該倒角(31)與所述催化反應 腔(4)的外壁之間設有金屬密封圈(311)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于MEMS噴嘴芯片的微型推進器，包括有輻射隔熱外殼，催化反應腔，頂蓋，所述催化反應腔包括設置于輻射隔熱外殼內(nèi)的催化腔、催化反應腔入口通道，該催化反應腔入口通道一端連通到催化腔內(nèi)，另一端穿出所述輻射隔熱外殼；在該催化腔前端上密封套設有中間套件，所述頂蓋密封套設于該中間套件外圍，在所述中間套件中部穿設有MEMS噴嘴芯片，該MEMS噴嘴芯片一端連通到所述催化腔內(nèi)，另一端穿出所述頂蓋，還包括有用于給催化腔加熱的加熱絲。本發(fā)明的微型液體燃料推進器體積小、質(zhì)量輕，功耗小，具有較高的比沖，非常適用于微小衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)當中。
文檔編號F02K9/60GK101476523SQ20081022050
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者岑繼文, 徐進良 申請人:中國科學院廣州能源研究所