MEMS冷气推进器的制作及实验研究唐飞,叶雄英,周兆英(清华大学精仪系,北京100084)E2mail:tangfei97@mails.tsinghua.edu.cn摘要:介绍了一种两层结构的MEMS冷气微推进器的设计和制作。并从不同的膨胀比和喉部尺寸的角度,对微推进器的推力和比冲性能进行了实验测量。实验结果表明,所制作的微推进器可以达到的最大推力在3.3～4.9mN之间,比冲在51.0～66.3s。关键词:MEMS;微推进器;测试中图分类号:V43文献标识码:A文章编号:167124776(2003)07/0820441204FabricationandexperimentofaMEMSbasedcoldgasthrusterTANGFei,YEXiong2ying,ZHOUZhao2yingAbstract:Adouble2wafermicrothrusterbasedonMEMSisdesignedandfabricated.Testsonthemi2cronozzleperformanceundertheconditionsofdifferentexpansionratiosandthroatdimensionsaremade.Theresultsshowthatthemaximumthrustis3.3～4.9mNandthespecificimpulseis51.0～66.3s.秒,这是它的一个不足之处。然而现在已正式投入使用或将要投入使用的各类微小型航天器中,微推进器采用的均为冷气推进方案。例如1991年7月美国用飞马座一箭发射的7颗23公斤的微小通信卫星,其星座维持使用了SDI(星球大战)计划开发的微型高压冷气推进器1。JPL正在研制的第二代微型航天器(SGM)样机上采用了氮冷气推进器作姿态控制。本文介绍了一种MEMS冷气微推进器的设计和制作,并从不同的膨胀比和喉部尺寸的角度,1引言微推进器由于结构简单且推力小,能够为小卫星和微小卫星提供精确的姿态控制和轨道机动能力,因而引起各国广泛的研究兴趣。MEMS技术的发展为制作微推进器提供了可能。在各种MEMS技术制作的微推进器中,冷气微推进器由于构造简单、工作可靠、易于微型化,因而成为现阶段最为实际的一种微推进可选方案。除了上述优点外,冷气推进器在工作时,几乎没有什么功耗,因而非常适合于只能提供很小负载功率的微小型航天器。从硅加工工艺角度看,若想将这种推进器制作在硅片上,也不存在什么问题,这就为今后微推进器的全硅化及硅卫星的研究铺平了道路。2微推进器的设计及制作所设计的微推进器由一块硅片和一块玻璃经硅2玻璃键合而成。首先通过ICP工艺在硅片上制作出微喷管形状,然后与玻璃键合后,形成微喷管。收稿日期:2003205215基金项目:“973”项目“集成微光机电系统”(G1999033106)资助项目441微纳电子技术2003年第7/8期MicronanoelectronicFechnology/July～August2003工作时,高压氮气从后端的工质进口通入,流经拉瓦尔形状的喷管后,被加速成超音速气流从喷口喷出,产生推力。图1是所设计的微推进器的结构示意图和封装之后的照片。照片中,硬币左方是封装好的微推进器芯片,硬币上方是微推进器芯片已装入支座中的情形,支座后部的螺纹可以把支座固定到气路中进行实验。3实验结果与讨论采用标靶间接测量方法来测量微推进器的推力,并搭建了微小推力实验系统。整个系统包括:微小推力测量系统、真空系统、推进剂供给系统、数据采集系统及微推进器本体等部分2。图3和图4分别是推进剂供给系统和实验用真空系统的照片。利用该实验系统,采用N2作为工质,在燃烧室温度Tc=300K的实验条件下,研究了不同的膨胀比和喉部尺寸对微推进器性能的影响。(a)结构示意图图3推进剂供给系统(b)实物照片图1微推进器的结构示意图和照片图2列出了微推进器的制作工艺流程。该推进器的制作比较简单,只需进行一次光刻。选用的是厚度为525μm的4英寸单面抛光n型单晶硅片和厚度为520μm的4英寸Pyrex玻璃。图4实验用真空系统在燃烧室压强为0.7MPa的工作条件下,利用单元号为Cell2,Cell3和Cell4三种微喷管对膨胀比与推进器性能的关系进行了实验研究。图5表示了膨胀比对性能的影响情况。推力曲线、比冲曲线和喷管效率曲线显示:随着膨胀比的增大,其推力、比冲、喷管效率也越大。计算曲线同时显示:膨胀比从5变化到19.15时比冲变化比较大,图2工艺流程为了进行性能实验比较,我们设计并制作了不同几何尺寸的微推进器。表1列出了这些微推进器的几何尺寸。表1微推进器的几何尺寸喷管高度收敛段宽度喉部尺寸Cell号扩张比/μm/μm/μm11505001019.15234150150150500500500404040519.1531.5581505008019.15(a)膨胀比对推力微纳电...