基于MEMS技术的微型阀研究

　　0 引言

　　基于 MEMS 的微型阀主要用于微推进系统，它是微型航天器的重要组成部分。其主要优点有：尺寸及结构质量小、耗能低、具有集成化与大批量生产的可能性。将微型阀、微型泵、微推力器等集成在一起，形成微推进系统，可以大大减小微推进系统的尺寸、降低结构质量、提高性能和控制精度。微型阀与微推进系统配合可实现推进剂的精确输出，从而保证精确的推力，帮助微型航天器实现更好的姿态控制、位置保持等，为微/纳航天器的进一步应用打下良好的基础。

　　根据工作原理，微型阀可以分为许多种，包括热气动阀、双金属片致动阀、形状记忆合金(SMA) 阀、静电致动阀、压电致动阀以及电磁致动阀等。针对微型航天器推进系统的应用指标，表 1 中对各种微型阀的性能进行了大体评估。可以看出，大部分阀门在减少重量、体积和供电功率的方面容易做到。其中热气动阀、双金属片阀以及形状记忆合金阀的激励时间较长，导致微型阀响应时间过长，这会使推力器的工作时间过长、脉冲冲量过大，同时，这些阀门还会受到环境温度的影响，即在过高的温度下，阀门会自动开启而产生错误的动作。

　　电磁激励除了为磁场生成制作线圈占用一定的空间外，还要考虑磁路的空间，因此，它需要较大的空间;与此对比静电激励和压电激励只需考虑平面电极的大小和电场空间即可，且静电和压电微型阀响应快，控制方便。所以，根据不同激励形式微型阀的技术特点、研究现状和 MEMS工艺水平、以及微推进系统对微型阀的技术要求，对静电激励和压电激励微型阀进行了方案研究。

　　1 静电激励微型阀

　　1.1 工作原理与结构特点

　　如图 1 所示，静电激励阀由顶、低壳体和中间的膜片组成。顶壳材料为硼硅玻璃，下面镀有一层电极。中间层为单晶硅的膜片和阀芯，膜片的上表面镀有一层电极，底壳为硅材料的阀座。流体从入口流入时，对膜片下表面和阀芯上表面的压力相同，阀不会打开。给上下电极施加反向电压，则膜片向上弯曲，阀芯抬起，流体从出口流出。该阀的加工采用光刻、刻蚀、沉积和键合等工艺。

　　该阀门由三层硅结构组成，在加工时需要用到多层硅-硅键合的技术，但该项技术目前在国内还很不成熟，加工成品率很低，加工质量较差。另外，由于在硅-硅键合时无法施加预形变，导致阀芯和阀座只能依靠流体压力相接触，密封性能很差。所以，总的来说，静电致动微型阀体积小，功耗低，系统集成性好，但其结构较复杂，加工困难，且密封性能差。