張晰哲，唐周強(qiáng)，韓先偉，管海兵，宦 飛

（1西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2上海交通大學(xué)信息安全工程學(xué)院，上海200041）

0 引言

基于MEMS的微型閥主要用于微推進(jìn)系統(tǒng)，它是微型航天器的重要組成部分。其主要優(yōu)點(diǎn)有：尺寸及結(jié)構(gòu)質(zhì)量小、耗能低、具有集成化與大批量生產(chǎn)的可能性。將微型閥、微型泵、微推力器等集成在一起，形成微推進(jìn)系統(tǒng)，可以大大減小微推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高性能和控制精度。微型閥與微推進(jìn)系統(tǒng)配合可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的精確輸出，從而保證精確的推力，幫助微型航天器實(shí)現(xiàn)更好的姿態(tài)控制、位置保持等，為微/納航天器的進(jìn)一步應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

表1 MEMS微型閥的技術(shù)評(píng)估Tab.1 Technical evaluation of MEMS microvalve

根據(jù)工作原理，微型閥可以分為許多種，包括熱氣動(dòng)閥、雙金屬片致動(dòng)閥、形狀記憶合金（SMA）閥、靜電致動(dòng)閥、壓電致動(dòng)閥以及電磁致動(dòng)閥等。針對(duì)微型航天器推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用指標(biāo)，表1中對(duì)各種微型閥的性能進(jìn)行了大體評(píng)估?？梢钥闯?，大部分閥門(mén)在減少重量、體積和供電功率的方面容易做到。其中熱氣動(dòng)閥、雙金屬片閥以及形狀記憶合金閥的激勵(lì)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致微型閥響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這會(huì)使推力器的工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、脈沖沖量過(guò)大，同時(shí)，這些閥門(mén)還會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，即在過(guò)高的溫度下，閥門(mén)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟而產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。

電磁激勵(lì)除了為磁場(chǎng)生成制作線圈占用一定的空間外，還要考慮磁路的空間，因此，它需要較大的空間；與此對(duì)比靜電激勵(lì)和壓電激勵(lì)只需考慮平面電極的大小和電場(chǎng)空間即可，且靜電和壓電微型閥響應(yīng)快，控制方便。所以，根據(jù)不同激勵(lì)形式微型閥的技術(shù)特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和MEMS工藝水平、以及微推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)微型閥的技術(shù)要求，對(duì)靜電激勵(lì)和壓電激勵(lì)微型閥進(jìn)行了方案研究。

1 靜電激勵(lì)微型閥

1.1 工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，靜電激勵(lì)閥由頂、低殼體和中間的膜片組成。頂殼材料為硼硅玻璃，下面鍍有一層電極。中間層為單晶硅的膜片和閥芯，膜片的上表面鍍有一層電極，底殼為硅材料的閥座。流體從入口流入時(shí)，對(duì)膜片下表面和閥芯上表面的壓力相同，閥不會(huì)打開(kāi)。給上下電極施加反向電壓，則膜片向上彎曲，閥芯抬起，流體從出口流出。該閥的加工采用光刻、刻蝕、沉積和鍵合等工藝。

該閥門(mén)由三層硅結(jié)構(gòu)組成，在加工時(shí)需要用到多層硅-硅鍵合的技術(shù)，但該項(xiàng)技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)還很不成熟，加工成品率很低，加工質(zhì)量較差。另外，由于在硅-硅鍵合時(shí)無(wú)法施加預(yù)形變，導(dǎo)致閥芯和閥座只能依靠流體壓力相接觸，密封性能很差。所以，總的來(lái)說(shuō)，靜電致動(dòng)微型閥體積小，功耗低，系統(tǒng)集成性好，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工困難，且密封性能差。

1.2 系統(tǒng)計(jì)算

如果氣體的Ma＜0.3，則認(rèn)為氣體是不可壓縮的，即為不可壓流動(dòng)；稀薄氣體流動(dòng)一般為高努德森數(shù) （Kn＞0.1）和低馬赫數(shù) (Ma＜0.3)流，因此認(rèn)為它是不可壓流動(dòng)。

對(duì)于自由分子流，微通道內(nèi)的流速與工質(zhì)分子量的平方呈反比，即流速與工質(zhì)的種類有關(guān)，見(jiàn)式（1）

式中，v為流速，m/s；D、L分別為管路的直徑和長(zhǎng)度，m，其中D≤L≤λ；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；pin、pout分別為入口和出口壓強(qiáng)，Pa。

對(duì)于連續(xù)流，推進(jìn)劑工質(zhì)的最大質(zhì)量流量為

對(duì)于自由分子流（Kn＞10），由推進(jìn)劑工質(zhì)的分子量，可以得到流經(jīng)膨脹縫隙的質(zhì)量流量

式中，p為工作壓強(qiáng)，Pa；m˙為質(zhì)量流量，kg/s；As為流通面積，m2；k為工質(zhì)比熱比，對(duì)于單原子分子k=1.667，雙原子分子k=1.400，多原子分子k=1.200；R為氣體常數(shù)，R=287.06J/(kg·K)；T為溫度，K。

空氣中兩平行電極板之間產(chǎn)生的靜電力為

式中，F(xiàn)為靜電力，N；ε0為真空介電常數(shù)，ε0＝(1/36π)×10-9F/m；εr為介電材料的相對(duì)介電常數(shù)；V為電壓，V；d為間隙寬度，m；S為電極板面積，m2。

周邊固支的方板受到均勻壓力載荷p作用時(shí)，方板將發(fā)生彎曲，方板中心最大變形量為

式中，E為材料的楊氏模量，Pa；a為方板邊長(zhǎng)，m；h為方板厚度，m。負(fù)號(hào)表示方向向下。

假定電極板尺寸為5mm×5mm，厚度30μm，間距15μm。對(duì)電極施加150V的電壓時(shí)，由公式（4），（5）可求得電極的最大應(yīng)變量為10μm。

根據(jù)微型閥的結(jié)構(gòu)，閥座的位移為wdp=10μm，閥座的尺寸為5mm×5mm，可以得到微型閥的流通面積為 As=4awdp=4×5000×10×10-12=0.2mm2

對(duì)不同工質(zhì)，推進(jìn)劑的質(zhì)量流量不同。根據(jù)公式（1）、（2）、（3）可求得，對(duì)于工質(zhì)為水 （H2O），當(dāng)微型閥工作溫度為300K，工作壓強(qiáng)為0.2MPa時(shí)，在連續(xù)流狀態(tài)下，微型閥的質(zhì)量流量為

式中，ε為流量系數(shù)；ρ為推進(jìn)劑密度，kg/m3；ΔP為壓降，Pa。

對(duì)于工質(zhì)為氮?dú)猓∟2），當(dāng)微型閥工作溫度為300K，工作壓強(qiáng)為0.2MPa時(shí)，在連續(xù)流狀態(tài)下，微型閥的質(zhì)量流量為

在自由分子狀態(tài)下，微型閥的質(zhì)量流量為

1.3 有限元分析

用ANSYS對(duì)厚度10～40μm的閥膜片進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：

(1)致動(dòng)電壓越高，則致動(dòng)力越大，由此造成的閥芯位移也越大，閥芯的位移與致動(dòng)電壓的2次方成正比，因此可以通過(guò)適當(dāng)?shù)奶岣唠妷簛?lái)使閥芯位移增大，從而提高微閥的輸出。但是，過(guò)高的致動(dòng)電壓可能會(huì)造成電極的擊穿，并且電壓提高會(huì)導(dǎo)致功耗增加。對(duì)于邊長(zhǎng)為5mm的正方形膜片，在工作電壓為150V，膜片厚度為10μm時(shí)，最大應(yīng)力僅為364MPa，遠(yuǎn)小于硅的屈服應(yīng)力7000MPa，強(qiáng)度足可以達(dá)到要求。

(2)在相同的致動(dòng)電壓下，膜片的撓度隨著膜片厚度的增加指數(shù)遞減。膜片越薄，閥芯輸出的位移也就越大，所以可以通過(guò)減小膜片的厚度來(lái)增加閥的輸出。但是由于受到加工工藝的限制，膜片的厚度不可能無(wú)限制的減小。所以，在微型閥的設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮加工工藝與輸出效率的影響，選擇合理的膜片厚度。

2 壓電激勵(lì)微型閥

2.1 工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

壓電激勵(lì)器是由壓電陶瓷片（PZT）和電極組成的，通常有塊狀或圓片狀商品壓電陶瓷供貨，采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接在激勵(lì)器的膜片上。這種激勵(lì)器變形大 (相同驅(qū)動(dòng)條件下膜片越薄變形量越大且與驅(qū)動(dòng)電壓和頻率成比例)、響應(yīng)快、產(chǎn)生的力大（1kN）、功耗小，通常將多片疊成壓電堆或壓電塊以增加激勵(lì)力和應(yīng)變量，但驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)較高 （30V～150V）。

微型閥結(jié)構(gòu)包括兩層硅結(jié)構(gòu)、外部的不銹鋼法蘭以及壓電陶瓷致動(dòng)器，圖3（a）是兩層硅片鍵合后的結(jié)構(gòu)，圖3（b）是封裝后的結(jié)構(gòu)。在兩層硅結(jié)構(gòu)鍵合時(shí)，為了避免閥芯和閥座粘結(jié)在一起，在其之間留有5μm的縫隙。閥門(mén)靜止時(shí)，壓電陶瓷的長(zhǎng)度導(dǎo)致膜片產(chǎn)生變形，閥芯下降堵住流道。當(dāng)閥門(mén)工作時(shí)，給壓電陶瓷施加電壓，壓電陶瓷發(fā)生收縮，閥芯回到原位，從而打開(kāi)流道。

壓電激勵(lì)閥的體積比靜電激勵(lì)閥略大，但由于外部法蘭和壓電陶瓷可以壓緊閥芯，使得壓電激勵(lì)閥的密封壓力很大，密封性能也好了很多。另外，壓電激勵(lì)閥的硅基結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，不需過(guò)于復(fù)雜的MEMS工藝，使它的加工更加容易。

2.2 系統(tǒng)計(jì)算

根據(jù)壓電陶瓷材料的特性，壓電陶瓷在電場(chǎng)的作用下，將產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，材料的應(yīng)變?yōu)?/p>

式中，ε為產(chǎn)生的應(yīng)變；V是所加電場(chǎng)，V/m；d33是壓電晶體壓電系數(shù)。

根據(jù)鋯鈦酸鋇PZT的特性，選用10mm×10mm×10mm的疊堆狀 PZT，根據(jù)公式 （6）可知，當(dāng)電壓為150V時(shí)，閥座的位移為wdp=7.14μm，閥座的尺寸為3mm×3mm，可以得到微型閥的流通面積為

式中，As為流通面積，m2；dv為閥座邊長(zhǎng)，m。

對(duì)于不同的工質(zhì)，推進(jìn)劑的質(zhì)量流量不同，對(duì)于工質(zhì)為水（H2O），當(dāng)微型閥工作溫度為300K，工作壓強(qiáng)為0.2MPa時(shí)，在連續(xù)流狀態(tài)下，微型閥的質(zhì)量流量為

對(duì)于工質(zhì)為氮?dú)猓∟2），當(dāng)微型閥工作溫度為300K，工作壓強(qiáng)為0.2MPa時(shí)，在連續(xù)流狀態(tài)下，微型閥的質(zhì)量流量為

在自由分子狀態(tài)下，微型閥的質(zhì)量流量為

3 原理樣件加工試驗(yàn)

3.1 靜電與壓電微型閥的特點(diǎn)對(duì)比

靜電激勵(lì)微型閥體積小，功耗低，系統(tǒng)集成性好，但其致動(dòng)力小，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工困難。而且由于加工工藝對(duì)結(jié)構(gòu)的限制，靜電激勵(lì)閥的密封壓力很小，密封性能很差。

壓電激勵(lì)微型閥體積比靜電激勵(lì)閥略大，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工相對(duì)容易一些，且致動(dòng)力大，密封性能好；壓電致動(dòng)器工藝成熟，有可供選用的產(chǎn)品，易于與電路連接；壓電激勵(lì)控制容易，響應(yīng)速度快，所以，選擇壓電激勵(lì)微型閥進(jìn)行了原理樣件的加工試驗(yàn)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝攻關(guān)

多層硅-硅鍵合的工藝目前還很不成熟，所以方案中的壓電激勵(lì)閥采用了雙層硅結(jié)構(gòu)加外部不銹鋼法蘭的形式。如圖3（a）所示，在一層硅片上刻出流體入口、出口與閥座，另一層硅片上刻出薄膜與閥芯，將這兩層硅片鍵合，鍵合時(shí)在閥芯與閥座間留有5μm的空隙，以防止閥芯與閥座被鍵合在一起。鍵合完成后，安裝壓電陶瓷與不銹鋼法蘭，如圖3（b）所示，法蘭用螺栓固定，壓電陶瓷被安裝在法蘭中央的套筒里，并利用壓電陶瓷壓迫硅薄膜，使閥芯與閥座緊密結(jié)合在一起，從而關(guān)閉閥門(mén)，形成密封結(jié)構(gòu)。

該閥門(mén)的加工主要使用了光刻-刻蝕掩模-腐蝕體硅等MEMS工藝，主要流程為：沉積Si3N4掩?！ü饪蘏i3N4掩?！涛gSi3N4掩模圖形→腐蝕Si）→去除Si3N4。其中閥芯層要經(jīng)歷4次光刻→腐蝕的過(guò)程，而閥座層只需要一次雙面光刻→腐蝕即可完成。

3.3 原理樣件的試驗(yàn)

試驗(yàn)中觀察到下列現(xiàn)象：a）當(dāng)閥門(mén)靜止時(shí)，部分樣件流道并未完全關(guān)閉，依然有工質(zhì)流出，個(gè)別樣件的側(cè)壁還出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象；b）當(dāng)閥門(mén)工作時(shí)，幾臺(tái)樣件的流量有了不同程度的增加。

通過(guò)分析試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，得出如下結(jié)論：a）壓電致動(dòng)微型閥原理可行，方案合理；b）通過(guò)壓電致動(dòng)器可控制閥芯的移動(dòng)，使閥門(mén)流通面積發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉和流量變化；c）閥門(mén)連接處存在泄漏，流量控制也不精確，表明加工質(zhì)量較差，閥門(mén)封裝結(jié)構(gòu)有待完善，還需開(kāi)展進(jìn)一步工藝攻關(guān)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4為封裝前后的壓電激勵(lì)閥照片。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和方案對(duì)比，基于MEMS技術(shù)的壓電致動(dòng)微型閥具有控制容易、密封性能好、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝攻關(guān)和試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果表明基于MEMS技術(shù)的壓電致動(dòng)微型閥原理可行，方案合理。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，逐步解決了多層鍵合和系統(tǒng)封裝等MEMS加工工藝，可以獲得高性能的微型閥；通過(guò)與推進(jìn)劑管理裝置、微型推力器、微型控制器等的集成，可以獲得高性能一體化微推進(jìn)系統(tǒng)，滿足微型航天器的要求。

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