基于MEMS技術的微型閥研究

張晰哲，唐周強，韓先偉，管海兵，宦 飛

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

0 引言

基于MEMS的微型閥主要用于微推進系統，它是微型航天器的重要組成部分。其主要優點有：尺寸及結構質量小、耗能低、具有集成化與大批量生產的可能性。將微型閥、微型泵、微推力器等集成在一起，形成微推進系統，可以大大減小微推進系統的尺寸、降低結構質量、提高性能和控制精度。微型閥與微推進系統配合可實現推進劑的精確輸出，從而保證精確的推力，幫助微型航天器實現更好的姿態控制、位置保持等，為微/納航天器的進一步應用打下良好的基礎。

表1 MEMS微型閥的技術評估Tab.1 Technical evaluation of MEMS microvalve

根據工作原理，微型閥可以分為許多種，包括熱氣動閥、雙金屬片致動閥、形狀記憶合金（SMA）閥、靜電致動閥、壓電致動閥以及電磁致動閥等。針對微型航天器推進系統的應用指標，表1中對各種微型閥的性能進行了大體評估。可以看出，大部分閥門在減少重量、體積和供電功率的方面容易做到。其中熱氣動閥、雙金屬片閥以及形狀記憶合金閥的激勵時間較長，導致微型閥響應時間過長，這會使推力器的工作時間過長、脈沖沖量過大，同時，這些閥門還會受到環境溫度的影響，即在過高的溫度下，閥門會自動開啟而產生錯誤的動作。

電磁激勵除了為磁場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；與此對比靜電激勵和壓電激勵只需考慮平面電極的大小和電場空間即可，且靜電和壓電微型閥響應快，控制方便。所以，根據不同激勵形式微型閥的技術特點、研究現狀和MEMS工藝水平、以及微推進系統對微型閥的技術要求，對靜電激勵和壓電激勵微型閥進行了方案研究。

1 靜電激勵微型閥

1.1 工作原理與結構特點

如圖1所示，靜電激勵閥由頂、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，對膜片下表面和閥芯上表面的壓力相同，閥不會打開。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。

該閥門由三層硅結構組成，在加工時需要用到多層硅-硅鍵合的技術，但該項技術目前在國內還很不成熟，加工成品率很低，加工質量較差。另外，由于在硅-硅鍵合時無法施加預形變，導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，總的來說，靜電致動微型閥體積小，功耗低，系統集成性好，但其結構較復雜，加工困難，且密封性能差。

1.2 系統計算

如果氣體的Ma＜0.3，則認為氣體是不可壓縮的，即為不可壓流動；稀薄氣體流動一般為高努德森數 （Kn＞0.1）和低馬赫數 (Ma＜0.3)流，因此認為它是不可壓流動。

對于自由分子流，微通道內的流速與工質分子量的平方呈反比，即流速與工質的種類有關，見式（1）

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

對于連續流，推進劑工質的最大質量流量為

對于自由分子流（Kn＞10），由推進劑工質的分子量，可以得到流經膨脹縫隙的質量流量

式中，p為工作壓強，Pa；m˙為質量流量，kg/s；As為流通面積，m2；k為工質比熱比，對于單原子分子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，R=287.06J/(kg·K)；T為溫度，K。

空氣中兩平行電極板之間產生的靜電力為

式中，F為靜電力，N；ε0為真空介電常數，ε0＝(1/36π)×10-9F/m；εr為介電材料的相對介電常數；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，方板將發生彎曲，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，m；h為方板厚度，m。負號表示方向向下。

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

根據微型閥的結構，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

對不同工質，推進劑的質量流量不同。根據公式（1）、（2）、（3）可求得，對于工質為水 （H2O），當微型閥工作溫度為300K，工作壓強為0.2MPa時，在連續流狀態下，微型閥的質量流量為

式中，ε為流量系數；ρ為推進劑密度，kg/m3；ΔP為壓降，Pa。

對于工質為氮氣（N2），當微型閥工作溫度為300K，工作壓強為0.2MPa時，在連續流狀態下，微型閥的質量流量為

在自由分子狀態下，微型閥的質量流量為

1.3 有限元分析

用ANSYS對厚度10～40μm的閥膜片進行有限元分析，得出結果如圖2所示。

由圖2可以看出：

(1)致動電壓越高，則致動力越大，由此造成的閥芯位移也越大，閥芯的位移與致動電壓的2次方成正比，因此可以通過適當的提高電壓來使閥芯位移增大，從而提高微閥的輸出。但是，過高的致動電壓可能會造成電極的擊穿，并且電壓提高會導致功耗增加。對于邊長為5mm的正方形膜片，在工作電壓為150V，膜片厚度為10μm時，最大應力僅為364MPa，遠小于硅的屈服應力7000MPa，強度足可以達到要求。

(2)在相同的致動電壓下，膜片的撓度隨著膜片厚度的增加指數遞減。膜片越薄，閥芯輸出的位移也就越大，所以可以通過減小膜片的厚度來增加閥的輸出。但是由于受到加工工藝的限制，膜片的厚度不可能無限制的減小。所以，在微型閥的設計中，應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 壓電激勵微型閥

2.1 工作原理與結構特點

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

微型閥結構包括兩層硅結構、外部的不銹鋼法蘭以及壓電陶瓷致動器，圖3（a）是兩層硅片鍵合后的結構，圖3（b）是封裝后的結構。在兩層硅結構鍵合時，為了避免閥芯和閥座粘結在一起，在其之間留有5μm的縫隙。閥門靜止時，壓電陶瓷的長度導致膜片產生變形，閥芯下降堵住流道。當閥門工作時，給壓電陶瓷施加電壓，壓電陶瓷發生收縮，閥芯回到原位，從而打開流道。

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

2.2 系統計算

根據壓電陶瓷材料的特性，壓電陶瓷在電場的作用下，將產生機械應變，材料的應變為

式中，ε為產生的應變；V是所加電場，V/m；d33是壓電晶體壓電系數。

根據鋯鈦酸鋇PZT的特性，選用10mm×10mm×10mm的疊堆狀 PZT，根據公式 （6）可知，當電壓為150V時，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，m。

對于不同的工質，推進劑的質量流量不同，對于工質為水（H2O），當微型閥工作溫度為300K，工作壓強為0.2MPa時，在連續流狀態下，微型閥的質量流量為

對于工質為氮氣（N2），當微型閥工作溫度為300K，工作壓強為0.2MPa時，在連續流狀態下，微型閥的質量流量為

在自由分子狀態下，微型閥的質量流量為

3 原理樣件加工試驗

3.1 靜電與壓電微型閥的特點對比

靜電激勵微型閥體積小，功耗低，系統集成性好，但其致動力小，結構較復雜，加工困難。而且由于加工工藝對結構的限制，靜電激勵閥的密封壓力很小，密封性能很差。

壓電激勵微型閥體積比靜電激勵閥略大，但其結構簡單，加工相對容易一些，且致動力大，密封性能好；壓電致動器工藝成熟，有可供選用的產品，易于與電路連接；壓電激勵控制容易，響應速度快，所以，選擇壓電激勵微型閥進行了原理樣件的加工試驗。

3.2 結構設計和工藝攻關

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閥采用了雙層硅結構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合在一起，從而關閉閥門，形成密封結構。

該閥門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掩模→（光刻Si3N4掩模→刻蝕Si3N4掩模圖形→腐蝕Si）→去除Si3N4。其中閥芯層要經歷4次光刻→腐蝕的過程，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

試驗中觀察到下列現象：a）當閥門靜止時，部分樣件流道并未完全關閉，依然有工質流出，個別樣件的側壁還出現了泄漏現象；b）當閥門工作時，幾臺樣件的流量有了不同程度的增加。

通過分析試驗現象及結果，得出如下結論：a）壓電致動微型閥原理可行，方案合理；b）通過壓電致動器可控制閥芯的移動，使閥門流通面積發生變化，從而實現閥門的開啟、關閉和流量變化；c）閥門連接處存在泄漏，流量控制也不精確，表明加工質量較差，閥門封裝結構有待完善，還需開展進一步工藝攻關和結構優化設計。

圖4為封裝前后的壓電激勵閥照片。

4 結束語

通過理論分析、數值計算和方案對比，基于MEMS技術的壓電致動微型閥具有控制容易、密封性能好、響應速度快、結構簡單、易于加工等優點。通過結構設計、工藝攻關和試驗檢測，結果表明基于MEMS技術的壓電致動微型閥原理可行，方案合理。進一步的結構優化，逐步解決了多層鍵合和系統封裝等MEMS加工工藝，可以獲得高性能的微型閥；通過與推進劑管理裝置、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系統，滿足微型航天器的要求。

[1]Blandino J,Mueller J,Bame D,and Green A.Characterization of Dry out Point in the Vaporizing Liquid Microthruster[C].AIAA-2003-4719,2003.

[2]Yang X,Grosjean C,Tai Y C,Design,Fabrication,and Testing of Micromachined Silicon RubberMembrane Valve[J].Journal of MEMS,1999,8(4):393-402.

[3]白韶紅,微型閥和微型泵的原理與應用[J].傳感器世界.2000(4):2-4.

[4]格雷戈里T A,科瓦奇.微傳感器與微執行器全書 [M].北京:科學出版社,2003.

[5]徐泰然.MEMS和微系統－設計與制造[M].北京:機械工業出版社,2004.