MEMS陣列式推進器及其音頻采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)①

申 強，苑偉政，李 太，謝建兵，常洪龍

(西北工業(yè)大學 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安 710072)

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MEMS陣列式推進器及其音頻采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)①

申 強，苑偉政，李 太，謝建兵，常洪龍

(西北工業(yè)大學 空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安 710072)

研制了一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微型陣列式推進器，并開發(fā)了記錄其點火過程的音頻采集系統(tǒng)。該推進器利用金屬濺射、體硅干法刻蝕等工藝制作點火電阻和燃燒室，完成了點火電阻、引線以及焊盤的一體化加工，利用硅-玻璃陽極鍵合工藝完成燃燒室和點火電阻的封裝，并采用硅微麥克風捕獲點火過程產(chǎn)生的音頻信息。結(jié)果表明：MEMS陣列式推進器尺寸為8.8 mm×8.8 mm，采用5 V低電壓供電實現(xiàn)推進器點火，功率約為900 mW，由捕獲的音頻信息可知，點火過程大約持續(xù)了40 μs。作為皮衛(wèi)星的有效載荷，滿足飛行任務(wù)需求。

皮衛(wèi)星；有效載荷；音頻采集系統(tǒng)；MEMS陣列式推進器

0 引言

皮衛(wèi)星(重量為1 kg)在分布式星載載波雷達探測、高分辨率合成孔徑遙感和衛(wèi)星三維立體成像方面具有重要應(yīng)用，基于MEMS技術(shù)的固態(tài)燃料推進器，因其體積小、重量輕、易于批量制造的特點，成為皮衛(wèi)星推進系統(tǒng)的重要研究方向[1-5]。但是，當前MEMS固態(tài)燃料推進器的小推力特性僅能粗略實現(xiàn)皮衛(wèi)星的姿態(tài)控制功能，尚不具備完成皮衛(wèi)星的軌道調(diào)整、引力補償?shù)饶芰?；同時，極有限的星上資源在點火電壓、熱損失、功耗等方面，對MEMS推進器提出了更加苛刻的要求[6-8]。因此，MEMS固態(tài)燃料推進器通常作為皮衛(wèi)星的有效載荷完成發(fā)射任務(wù)。

在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套基于MEMS推進器的音頻信息采集系統(tǒng)，通過MSP430單片機控制點火單元，采集點火過程生成的音頻信息，作為皮衛(wèi)星的有效載荷進行空間功能驗證。

1 系統(tǒng)工作原理

基于MEMS推進器的音頻信息采集系統(tǒng)總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)由推進器模塊、音頻信息采集模塊和系統(tǒng)控制模塊3部分組成。推進器模塊由陣列式點火單元構(gòu)成，點火單元通入直流電壓后產(chǎn)生焦耳熱，當熱量滿足推進劑點火需求時，推進劑快速燃燒產(chǎn)生高溫、高壓氣體，通過微噴口噴出，進而產(chǎn)生推力。MSP430單片機作為信息處理核心模塊，實現(xiàn)點火單元控制，同時完成推進器工作時聲音信息的處理任務(wù)，音頻信息采集模塊利用微型麥克風，完成點火單元工作時產(chǎn)生的聲音信息采集任務(wù)，為皮衛(wèi)星的有效載荷進行空間功能驗證提供參考。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of the system

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 MEMS陣列式推進器設(shè)計

陣列式微型推進器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。主要由含有噴口、燃燒室結(jié)構(gòu)的硅片和含有點火器結(jié)構(gòu)(包括點火電阻、導線以及焊盤)的玻璃片粘接而成。點火電阻兩端通過焊盤施加直流電壓，當電阻產(chǎn)生的熱量達到推進劑的著火點時，燃料燃燒并生成大量的高溫高壓氣體，膨脹的氣體通過微型噴口噴出，從而產(chǎn)生一定的推力。

圖2 陣列式推進器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic of micro thruster array

由于采用成型裝置批量制作推進劑，而推進劑成型后的顆粒直徑為1 000 μm，同時考慮MEMS工藝中深反應(yīng)離子刻蝕得到的側(cè)壁光滑度，最終確定燃燒室的直徑為1 000 μm，深度為500 μm。點火單元拓撲呈同心圓分布。陣列式推進器的點火器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

MEMS點火器的阻值計算采用通用的電阻計算公式得出，表達式如下:

(6)

式中ρ、l、h、d分別為點火電阻層的電阻率、長度、厚度及電阻線寬。結(jié)合當前文獻來看[9-10]，MEMS固體推進器采用金屬鉻(Cr)和二氧化釕作為點火器材料，制備出的Cr薄膜點火電阻通常在10 V以上的電壓下，才能實現(xiàn)推進劑的點燃。在皮衛(wèi)星星上供電電壓不超過5 V的條件下，Cr材料不是點火器最佳選擇。

圖3 點火器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Structure schematic of the igniter

在本文中，金屬金(Au)被選取作為點火器材料，Au呈赤黃色，化學性質(zhì)極穩(wěn)定，具有良好的導電性和導熱性，熔點為1 064 ℃，常溫下其塊體材料的電阻率為2.05×10-8Ω·m。結(jié)合MEMS工藝條件，點火電阻的設(shè)計參數(shù)值如表1所示，最終設(shè)計的微型推進器的版圖如圖4所示，包含燃燒室圖4(a)和點火器圖4(b)。

表1 點火電阻結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計值Table 1 Design value of the igniter

(a)燃燒室 (b)點火器

圖4 微型推進器版圖

Fig.4 Layer of micro thruster chamber and igniter

2.2 MEMS陣列式推進器加工

圖5給出了MEMS陣列式推進器的工藝流程示意圖，圖5(a)～(d)為微型噴口的工藝流程，該工藝在厚度為500 μm的Pyrex玻璃基底上完成；圖5(A)～(D)為微型點火器的工藝流程，該工藝在厚度為500 μm的普通硅片上完成。

圖5(a)為硅基底上刻蝕得到導線槽，其深度為0.5 μm；圖5(b)為對鋁膜圖形化，作為深硅刻蝕的掩膜層；圖5(c)為利用DRIE工藝對硅基底層進行刻蝕，得到燃燒室，其深度為500 μm；圖5(d)為磷酸、硝酸、醋酸與水體積比為80%∶5%∶5%∶10%混合溶液刻蝕鋁膜，最終形成推進器的燃燒室結(jié)構(gòu)。圖6(a)為加工得到的燃燒室結(jié)構(gòu)圓片。

圖5(A)為潔凈的玻璃基底上均勻涂覆一層光刻膠，光刻膠厚度為2 μm；圖5(B)為光刻、顯影、去膠后，完成點火器圖形化；圖5(C)為利用掩膜板對其濺射一層金屬金，厚度為300 nm；圖5(D)為剝離光刻膠，形成點火器結(jié)構(gòu)。圖6(b)為加工得到的點火器圓片。

圖5 微型推進器工藝流程Fig.5 Fabrication process of micro thruster

(a) 燃燒室 (b) 點火器

圖6 推進器圓片照片

Fig.6 Pictures of wafer chamber and igniter

2.3 音頻采集模塊設(shè)計

音頻采集選擇Knowles Acoustics公司的基于MEMS技術(shù)的微型麥克風，型號為SPY0824LR5H，實際尺寸為3 mm×1.9 mm×0.9 mm，靈敏度范圍為-41～-35 dB，信噪比為62 dB，模擬信號輸出。信息處理部分采用TI公司的16位RISC架構(gòu)的MSP430，具有豐富的片上資源，靈活多樣的接口，當最大供電電壓為3.6 V時，電流最低約為160 μA，而RAM保持模式下的最低功耗僅為0.1 μA，超低功耗非常適合星上資源配置要求嚴格的皮納衛(wèi)星。圖7為音頻信息前端調(diào)理電路，該電路主要實現(xiàn)了聲音信號放大、濾波，其中U1為微型麥克風，為其提供3.3 V直流電壓，U2采用單路低噪聲運算放大器AD8691，在外圍合理配置阻容器件，實現(xiàn)聲音信號的放大、濾波。

圖7 音頻信息前端調(diào)理電路Fig.7 Front-end circuit of audio signal

2.4 點火單元控制模塊設(shè)計

在進行衛(wèi)星有效載荷驗證時，需對推進器的每個點火單元單獨控制。因此，必須設(shè)計點火單元控制電路。圖8為點火單元控制電路，推進器陣列共有19個點火單元數(shù)量，選用ADI公司的ADG884，它是一款CMOS雙通道音頻開關(guān)，封裝尺寸為2 mm×1.5 mm，包含2個獨立的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)，具有較大的電流驅(qū)動能力，在5 V電壓工作時，電流典型值為600 mA，基本滿足推進器點火瞬間的功率要求。根據(jù)有效載荷的任務(wù)需求，MCU的I/O控制音頻開關(guān)的選通端，實現(xiàn)點火單元的選取。

圖8 點火單元控制電路Fig.8 Control circuit of igniters

3 實驗

音頻采集系統(tǒng)實物如圖9所示。左圖的推進器燃燒室已經(jīng)裝填呈現(xiàn)黃色的推進劑[11]，推進器尺寸為8.8 mm×8.8 mm；右圖為推進器電路板的底面，微麥克風的傳感膜片貼著電路板的底部，易于敏感點火過程產(chǎn)生的聲音。

圖9 音頻采集系統(tǒng)實物Fig.9 Picture of audio acquisition system

在進行聲音采集時，單片機接收外圍控制器的點火信號，單片機根據(jù)點火信號連通相應(yīng)的開關(guān)；此時，5 V的直流電壓加載到點火單元上，推進劑瞬間燃燒，麥克風敏感到的聲音信號，再經(jīng)放大、濾波之后，輸入到單片機12位的AD中，再經(jīng)過RS232接口上傳到上位機。圖10為音頻采集實驗，系統(tǒng)采用USB傳輸線供電。

圖10 音頻采集系統(tǒng)實驗Fig.10 Experiment of audio acquisition system

采集系統(tǒng)設(shè)置聲音閾值電壓為1.72 V，當音頻信息量化值大于閾值電壓后，系統(tǒng)默認推進器已經(jīng)點火成功，此時開始記錄音頻信息。圖11為點火過程采集到的音頻信息。

圖11 音頻信息曲線Fig.11 plot of audio information

其中，橫坐標為采樣周期，采樣周期為5 μs，聲音持續(xù)時間約為50 μs，聲音的量化電壓平均值約為1.7 V，較聲音閾值電壓小了0.02 V，當采樣時間持續(xù)到40 μs時，聲音量化電壓大于閾值電壓。因此，曲線基本反映了容量從最大值直至消失的變化過程。

4 結(jié)論

(1) 一體化點火器具有結(jié)構(gòu)簡單、成品率高的特點；點火器實現(xiàn)了5 V電壓點火，節(jié)省了皮衛(wèi)星系統(tǒng)的板上資源。

(2) MEMS推進器和硅微麥克風組成的音頻采集系統(tǒng)體積減小，提高了皮衛(wèi)星星體內(nèi)的空間利用率。

(3) 音頻曲線基本反映了推進器的工作時間，為以后分析姿態(tài)控制過程提供參考。

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(編輯：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。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)，陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃(2011KTCQ01-26)。

申強(1984—)，男，博士生，研究方向為MEMS系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)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