[发明专利]微型固体化学推进器

说明书

所属领域：

本发明涉及了一种微型固体化学推进器，用于微型空间飞行器的位置保持、姿态控制、引力补偿和轨道调整等，属于微推进技术和微机电系统(MEMS)领域。

背景技术：

推进系统是大多数航天器的关键子系统，主要用于航天器的位置保持、姿态控制、引力补偿和轨道调整等。随着微型航天器，如微卫星、纳卫星、皮卫星技术的不断成熟，若需要微型航天器完成某些特殊任务，如卫星编队飞行，则需要给这些微型航天器配备推进系统。由于传统的推进系统体积和质量都比较大，不能适用于微型航天器，因此迫切需求适合于微型卫星的高可靠性、低功耗、微推力、微冲量的微型推进系统。

基于MEMS技术的微型推进器在结构上对传统的推进器进行了改进，在工艺上结合了微纳米及微细加工技术，具有易实现小型化、集成化、低功耗等优点，因此成为微推进系统的重要研究方向。在Zhang K L等人报道的“Development of a solid propellant microthruster with chamber and nozzle etched on a wafer surface”以及“A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter”,参见图1和图2，提出一种采用DRIE工艺，利用硅和玻璃键合而成的微型推进器，微型推进器包括硅结构层和玻璃层，硅结构层有喷嘴3、燃烧室4和下导线槽5，上导线槽6；玻璃层上包括点火器9、上点火导线10，下点火导线11，该推进器采用DRIE工艺得到燃烧室4、喷嘴3和导线槽5，采用金属溅射及刻蚀工艺得到点火器9和点火导线10。这种推进器的点火槽在硅表面呈直角形式，在硅表面键合面积一定的情况下，点火槽表面积越大，玻璃和硅表面键合难度越大；喷嘴的喉部与进气口、出气口相交成尖角，导致喷出气体的边界层增大，难以产生更大的推力；而在玻璃板上的点火电阻采用单根的设计形式，单根设计形式的点火器通电后在点火器线宽最窄处发热温度最高，容易产生熔断现象，导致点火器不可逆失效，因此Zhang等人提出的推进器的点火槽结构存在硅玻键合难度大，气体边界层增大而无法增大推力，点火器可靠性低等问题。

发明内容：

本发明的目的是：为克服现有微型推进器技术中硅玻键合工艺难度大，气体边界层大而无法增大推力以及点火器可靠性低的缺点，本发明提出一种采用硅片和耐热玻璃通过键合工艺形成微型推进器。

如图3所示，本发明所采用的技术方案是：微型固体化学推进器，包括键合的上层硅片1和下层玻璃片7；所述上层硅片1表面2内凹形成燃烧室4和喷嘴3；燃烧室4和喷嘴3连通处的喉部为曲率半径为R的圆弧，喉宽r满足：r=R；燃烧室4相对两侧分别有直线形的下导线槽5和上导线槽6；下导线槽5和上导线槽6的深度小于燃烧室4和喷嘴3的深度；所述下层玻璃片7由耐热玻璃8和其上的点火电路结构组成，点火电路结构包括与燃烧室4相应位置处的点火器9，点火器9为多根并联点火器；点火器9两端分别连有位于下导线槽5内的上点火导线10和位于上点火槽6内的下点火导线11；上点火导线10和下点火导线11与上层硅片1相应区域外的上焊盘12和下焊盘13连接；上点火导线10和下点火导线11的厚度小于下点火槽5和上点火槽6的深度，使得上层硅片1与下层玻璃片7上的点火器9、上点火导线10、下点火导线11、上焊盘12和下焊盘13非接触。

工作时，通过上焊盘12、下焊盘13、上点火导线10、下点火导线11给位于燃烧室4内的点火器9通电，点火器9温度升高达到燃烧室4内燃料的点燃温度，燃料点燃，燃烧室4内压强增大，气体通过喷嘴3喷出，产生推进效果。

本发明的有益效果是：点火槽在硅表面呈直线形式，在相同的点火槽宽度和键合面积下，直线型的点火槽使得硅玻键合难度降低；喉部加工成具有一定曲率半径的圆弧并使之与进气口、出气口的边界相切，减小气体边界层，提高器件的推力；采用多根电阻并联设计形式的点火器增大了与推进剂的接触面积，扩大加热区域，不因一根点火器的熔断致使整个器件功能失效，提高了点火器的可靠性

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是现有技术中MEMS推进器燃烧室和喷嘴结构示意图；

图2是现有技术中MEMS推进器点火电路结构示意图；

图3是本发明中的微型固体化学推进器结构示意图；

图4是实施例中的上层硅片结构示意图；

图5是实施例中的下层玻璃片结构示意图；