微推进器结构与制作工艺研究

论文摘要

微推进器是一种基于MEMS技术的新型微推进系统,主要用于微小型航天器的位置保持、姿态控制、轨道调整等。论文从结构设计、工艺研究和性能测试三方面介绍了MEMS微化学推进器的设计与制备过程,获得了9mm×9mm面积上集成4×6个微推进器单元的原理样机,用ANSYS热分析软件对点火桥膜和药室点火后的温度分布进行了模拟。微化学推进器采用底层点火电路、中间装药室、顶层喷孔的三明治结构。应用磁控溅射、光刻、湿法刻蚀等微电子制作工艺在玻璃基片上制备了点火电路;应用机械加工方法在环氧树脂板上加工出4×6的药室孔阵列;应用掩膜沉积、反应离子刻蚀(RIE)及硅的各项异性湿法刻蚀等加工方法制备了类似拉瓦尔喷管的喷孔层。对制备后的各部分进行了组装,得到了初步的原理样机。测试了不同工艺条件下制备的点火电路的发火性能。随着点火电压的提高,桥膜熔断时间呈指数衰减。150W、30min的薄膜沉积工艺条件下,10V时点火桥膜的熔断时间约为225ms,30V时桥膜熔断时间为10μs左右。测试了在不同药室直径下装药为AP/NHN和AP/THPC的微推进器的推力。从微推力大小、推力时间及冲量大小等方面综合考虑,选择80/20配比的AP/NHN药剂性能较好,燃烧持续时间:大于146ms,冲量大于30μN·s,并且点火成功率较高。用ANSYS热分析软件模拟了点火桥膜和药室点火后的温度分布。结果表明,桥膜温度在10ms～20ms内即可达到微推进器中常用装药的发火温度,桥膜温度分布与实验结果一致。药室点火后的模拟结果表明,用环氧树脂板和7740玻璃作为药室层材料,单个药室点火时不会影响到相邻药室。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微推进系统研究背景
• 1.2 微推进系统研究现状
• 1.2.1 气体推进系统
• 1.2.2 微电推进系统
• 1.2.3 MEMS微推进系统
• 1.2.4 MEMS微推进器研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 2 微推进器结构与工艺设计
• 2.1 微推进器性能比较
• 2.2 微推进器整体方案设计
• 2.3 制作工艺设计
• 2.3.1 点火电路层设计
• 2.3.2 药室层工艺设计
• 2.3.3 喷孔层工艺设计
• 2.4 小结
• 3 微推进器制作工艺研究
• 3.1 点火电路层制作工艺
• 3.1.1 相关工艺介绍
• 3.1.2 点火电路制作工艺
• 3.2 药室层制作工艺
• 3.2.1 材料与工艺介绍
• 3.2.2 环氧树脂板药室
• 3.2.3 陶瓷药室
• 3.2.4 硅药室
• 3.2.5 光敏玻璃药室
• 3.3 喷孔层制作工艺
• 3.3.1 相关工艺介绍
• 3.3.2 喷孔层制作
• 3.4 微推进器的封装
• 3.4.1 MEMS封装技术
• 3.4.2 微推进器封装方法
• 3.5 小结
• 4 微推进器性能测试
• 4.1 点火桥膜发火性能测试
• 4.1.1 测试设备
• 4.1.2 测试结果及分析
• 4.2 微推进器推力测试
• 4.2.1 药剂的注装
• 4.2.2 微推力测试
• 4.3 小结
• 5 点火桥膜和药室的有限元模拟
• 5.1 点火桥膜点火模拟
• 5.2 药室热性能模拟
• 5.3 小结
• 6 结论及展望
• 致谢
• 参考文献