MEMS阵列式推进器及其音频采集系统设计与实现①

申 强，苑伟政，李 太，谢建兵，常洪龙

(西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，西安 710072)



MEMS阵列式推进器及其音频采集系统设计与实现①

申 强，苑伟政，李 太，谢建兵，常洪龙

(西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，西安 710072)

研制了一种基于微机电系统(MEMS)技术的微型阵列式推进器，并开发了记录其点火过程的音频采集系统。该推进器利用金属溅射、体硅干法刻蚀等工艺制作点火电阻和燃烧室，完成了点火电阻、引线以及焊盘的一体化加工，利用硅-玻璃阳极键合工艺完成燃烧室和点火电阻的封装，并采用硅微麦克风捕获点火过程产生的音频信息。结果表明：MEMS阵列式推进器尺寸为8.8 mm×8.8 mm，采用5 V低电压供电实现推进器点火，功率约为900 mW，由捕获的音频信息可知，点火过程大约持续了40 μs。作为皮卫星的有效载荷，满足飞行任务需求。

皮卫星；有效载荷；音频采集系统；MEMS阵列式推进器

0 引言

皮卫星(重量为1 kg)在分布式星载载波雷达探测、高分辨率合成孔径遥感和卫星三维立体成像方面具有重要应用，基于MEMS技术的固态燃料推进器，因其体积小、重量轻、易于批量制造的特点，成为皮卫星推进系统的重要研究方向[1-5]。但是，当前MEMS固态燃料推进器的小推力特性仅能粗略实现皮卫星的姿态控制功能，尚不具备完成皮卫星的轨道调整、引力补偿等能力；同时，极有限的星上资源在点火电压、热损失、功耗等方面，对MEMS推进器提出了更加苛刻的要求[6-8]。因此，MEMS固态燃料推进器通常作为皮卫星的有效载荷完成发射任务。

在此基础上，本文设计了一套基于MEMS推进器的音频信息采集系统，通过MSP430单片机控制点火单元，采集点火过程生成的音频信息，作为皮卫星的有效载荷进行空间功能验证。

1 系统工作原理

基于MEMS推进器的音频信息采集系统总体框架如图1所示。该系统由推进器模块、音频信息采集模块和系统控制模块3部分组成。推进器模块由阵列式点火单元构成，点火单元通入直流电压后产生焦耳热，当热量满足推进剂点火需求时，推进剂快速燃烧产生高温、高压气体，通过微喷口喷出，进而产生推力。MSP430单片机作为信息处理核心模块，实现点火单元控制，同时完成推进器工作时声音信息的处理任务，音频信息采集模块利用微型麦克风，完成点火单元工作时产生的声音信息采集任务，为皮卫星的有效载荷进行空间功能验证提供参考。

图1 系统原理图Fig.1 Schematic of the system

2 系统模块设计

2.1 MEMS阵列式推进器设计

阵列式微型推进器结构原理如图2所示。主要由含有喷口、燃烧室结构的硅片和含有点火器结构(包括点火电阻、导线以及焊盘)的玻璃片粘接而成。点火电阻两端通过焊盘施加直流电压，当电阻产生的热量达到推进剂的着火点时，燃料燃烧并生成大量的高温高压气体，膨胀的气体通过微型喷口喷出，从而产生一定的推力。

图2 阵列式推进器结构原理图Fig.2 Schematic of micro thruster array

由于采用成型装置批量制作推进剂，而推进剂成型后的颗粒直径为1 000 μm，同时考虑MEMS工艺中深反应离子刻蚀得到的侧壁光滑度，最终确定燃烧室的直径为1 000 μm，深度为500 μm。点火单元拓扑呈同心圆分布。阵列式推进器的点火器结构如图3所示。

MEMS点火器的阻值计算采用通用的电阻计算公式得出，表达式如下:

(6)

式中ρ、l、h、d分别为点火电阻层的电阻率、长度、厚度及电阻线宽。结合当前文献来看[9-10]，MEMS固体推进器采用金属铬(Cr)和二氧化钌作为点火器材料，制备出的Cr薄膜点火电阻通常在10 V以上的电压下，才能实现推进剂的点燃。在皮卫星星上供电电压不超过5 V的条件下，Cr材料不是点火器最佳选择。

图3 点火器结构原理图Fig.3 Structure schematic of the igniter

在本文中，金属金(Au)被选取作为点火器材料，Au呈赤黄色，化学性质极稳定，具有良好的导电性和导热性，熔点为1 064 ℃，常温下其块体材料的电阻率为2.05×10-8Ω·m。结合MEMS工艺条件，点火电阻的设计参数值如表1所示，最终设计的微型推进器的版图如图4所示，包含燃烧室图4(a)和点火器图4(b)。

表1 点火电阻结构参数设计值Table 1 Design value of the igniter

(a)燃烧室 (b)点火器

图4 微型推进器版图

Fig.4 Layer of micro thruster chamber and igniter

2.2 MEMS阵列式推进器加工

图5给出了MEMS阵列式推进器的工艺流程示意图，图5(a)～(d)为微型喷口的工艺流程，该工艺在厚度为500 μm的Pyrex玻璃基底上完成；图5(A)～(D)为微型点火器的工艺流程，该工艺在厚度为500 μm的普通硅片上完成。

图5(a)为硅基底上刻蚀得到导线槽，其深度为0.5 μm；图5(b)为对铝膜图形化，作为深硅刻蚀的掩膜层；图5(c)为利用DRIE工艺对硅基底层进行刻蚀，得到燃烧室，其深度为500 μm；图5(d)为磷酸、硝酸、醋酸与水体积比为80%∶5%∶5%∶10%混合溶液刻蚀铝膜，最终形成推进器的燃烧室结构。图6(a)为加工得到的燃烧室结构圆片。

图5(A)为洁净的玻璃基底上均匀涂覆一层光刻胶，光刻胶厚度为2 μm；图5(B)为光刻、显影、去胶后，完成点火器图形化；图5(C)为利用掩膜板对其溅射一层金属金，厚度为300 nm；图5(D)为剥离光刻胶，形成点火器结构。图6(b)为加工得到的点火器圆片。

图5 微型推进器工艺流程Fig.5 Fabrication process of micro thruster

(a) 燃烧室 (b) 点火器

图6 推进器圆片照片

Fig.6 Pictures of wafer chamber and igniter

2.3 音频采集模块设计

音频采集选择Knowles Acoustics公司的基于MEMS技术的微型麦克风，型号为SPY0824LR5H，实际尺寸为3 mm×1.9 mm×0.9 mm，灵敏度范围为-41～-35 dB，信噪比为62 dB，模拟信号输出。信息处理部分采用TI公司的16位RISC架构的MSP430，具有丰富的片上资源，灵活多样的接口，当最大供电电压为3.6 V时，电流最低约为160 μA，而RAM保持模式下的最低功耗仅为0.1 μA，超低功耗非常适合星上资源配置要求严格的皮纳卫星。图7为音频信息前端调理电路，该电路主要实现了声音信号放大、滤波，其中U1为微型麦克风，为其提供3.3 V直流电压，U2采用单路低噪声运算放大器AD8691，在外围合理配置阻容器件，实现声音信号的放大、滤波。

图7 音频信息前端调理电路Fig.7 Front-end circuit of audio signal

2.4 点火单元控制模块设计

在进行卫星有效载荷验证时，需对推进器的每个点火单元单独控制。因此，必须设计点火单元控制电路。图8为点火单元控制电路，推进器阵列共有19个点火单元数量，选用ADI公司的ADG884，它是一款CMOS双通道音频开关，封装尺寸为2 mm×1.5 mm，包含2个独立的单刀双掷(SPDT)开关，具有较大的电流驱动能力，在5 V电压工作时，电流典型值为600 mA，基本满足推进器点火瞬间的功率要求。根据有效载荷的任务需求，MCU的I/O控制音频开关的选通端，实现点火单元的选取。

图8 点火单元控制电路Fig.8 Control circuit of igniters

3 实验

音频采集系统实物如图9所示。左图的推进器燃烧室已经装填呈现黄色的推进剂[11]，推进器尺寸为8.8 mm×8.8 mm；右图为推进器电路板的底面，微麦克风的传感膜片贴着电路板的底部，易于敏感点火过程产生的声音。

图9 音频采集系统实物Fig.9 Picture of audio acquisition system

在进行声音采集时，单片机接收外围控制器的点火信号，单片机根据点火信号连通相应的开关；此时，5 V的直流电压加载到点火单元上，推进剂瞬间燃烧，麦克风敏感到的声音信号，再经放大、滤波之后，输入到单片机12位的AD中，再经过RS232接口上传到上位机。图10为音频采集实验，系统采用USB传输线供电。

图10 音频采集系统实验Fig.10 Experiment of audio acquisition system

采集系统设置声音阈值电压为1.72 V，当音频信息量化值大于阈值电压后，系统默认推进器已经点火成功，此时开始记录音频信息。图11为点火过程采集到的音频信息。

图11 音频信息曲线Fig.11 plot of audio information

其中，横坐标为采样周期，采样周期为5 μs，声音持续时间约为50 μs，声音的量化电压平均值约为1.7 V，较声音阈值电压小了0.02 V，当采样时间持续到40 μs时，声音量化电压大于阈值电压。因此，曲线基本反映了容量从最大值直至消失的变化过程。

4 结论

(1) 一体化点火器具有结构简单、成品率高的特点；点火器实现了5 V电压点火，节省了皮卫星系统的板上资源。

(2) MEMS推进器和硅微麦克风组成的音频采集系统体积减小，提高了皮卫星星体内的空间利用率。

(3) 音频曲线基本反映了推进器的工作时间，为以后分析姿态控制过程提供参考。

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(编辑：薛永利)

Implementation of audio acquisition systemfor designed MEMS array thruster

SHEN Qiang,YUAN Wei-zheng, LI Tai,XIE Jian-bing,CHANG Hong-long

(MOE Key Laboratory of Micro/Nano Systems for Aerospace, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Based on micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, micro array thruster was designed and ignition process was recorded by audio acquisition system. Metal sputtering and dry etching process were utilized to form igniter and combustion chamber,respectively.The integrated ignition resister,wires and pads were fabricated.A reliable silicon-glass anodic bonding between combustion chamber and igniter was then formed.Silicon microphone was utilized to capture audio signal produced during propellant combustion. Test results show that size of MEMS array thruster is 8.8 mm×8.8 mm and 5 V DC low voltage meets ignition demands.Ignition power is estimated to be 900 mW.Captured audio data show that ignition process lasts about 40 μs.The audio system,as the payload of pico satellite, meets demand of flight.

pico satellite;payload;audio acquisition system;MEMS array thruster

2013-11-11；

2013-11-25。

国家高技术研究发展计划(863计划)，陕西省科技统筹创新工程计划(2011KTCQ01-26)。

申强(1984—)，男，博士生，研究方向为MEMS系统设计及应用。E-mail:shenq@mail.nwpu.edu.cn

V439

A

1006-2793(2014)02-0277-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.02.026