為了提高壓電閥門的流量和動(dòng)態(tài)性能，使其適用于微推進(jìn)系統(tǒng)，本文研究了一種基于MEMS工藝制造的閥芯閥座密封副的壓電閥門.采用MEMS工藝制作了硅片閥芯閥座，使閥門整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，獲得了良好的密封效果(在閥門入口氣壓為1MPa的情況下泄漏率小于0.001mL/min)，并使閥門達(dá)到了較大的流量.在入口氣壓大于0.4 MPa，壓電堆所施加的電壓為200V時(shí)，閥門流量均超過3000mL/min，滿足微推進(jìn)系統(tǒng)的要求，避免了位移放大機(jī)構(gòu).在閥門的驅(qū)動(dòng)部分，設(shè)計(jì)了一種新型的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，其中的“T”形架實(shí)現(xiàn)了閥門的常閉功能，“雙彈簧”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)密封副和壓電堆的同時(shí)預(yù)緊，保證了閥門具備較好的動(dòng)態(tài)性能。

　　壓電堆驅(qū)動(dòng)器具有控制精度高、位移與電壓線性化程度好、響應(yīng)快、輸出力大以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合用作微小型航天器上微推進(jìn)系統(tǒng)中控制主閥的驅(qū)動(dòng)。然而壓電堆驅(qū)動(dòng)器的輸出位移很小，一般只有其長(zhǎng)度的0.1%，選取滿足體積要求的壓電堆并采用其直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，閥芯的行程短，流量小(小于1500mL/min)，不能滿足微推進(jìn)系統(tǒng)的要求(最大流量需達(dá)到3000mL/min)。為增大流量，壓電閥門常采用位移放大機(jī)構(gòu);但位移放大機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性高，會(huì)減小壓電堆的輸出力，降低其響應(yīng)頻率和控制精度，不利于閥門的密封和動(dòng)態(tài)性能。

　　在閥門的閥芯閥座處采用硬密封的方式，即閥芯閥座采用硬度相近的硬材料，接觸處產(chǎn)生極小的彈塑性變形(小于1μm)，在壓電堆位移一定的情況下，能從一定程度上增加閥芯閥座開啟間隙而增大流量。

　　但是傳統(tǒng)加工的精度有限，不能使密封面的平面度和表面粗糙度小到足以滿足硬密封的要求。MEMS工藝能在硅片上加工出極細(xì)微的結(jié)構(gòu)，同時(shí)經(jīng)拋光的硅片表面的平面度和表面粗糙度都極小(表面粗糙度小于0.3nm)，能夠?qū)崿F(xiàn)硬密封。

　　本文采用MEMS工藝制作了硅片閥芯閥座，獲得了很好的密封效果，高效地利用了壓電堆的位移，得到了較大的流量，在不采用放大機(jī)構(gòu)的情況下滿足微推進(jìn)系統(tǒng)的要求。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)了一種新型的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)閥門的常閉功能，保證了閥門的控制精度和較好的動(dòng)態(tài)性能。

1、壓電閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，壓電閥門主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分和閥體部分組成，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分主要由支架、壓電堆、導(dǎo)向片、墊片、預(yù)緊螺釘、滑動(dòng)鋼珠和調(diào)節(jié)螺釘組成;閥體部分主要由上閥體、下閥體、閥芯、閥座、定位片、定位膜片、施力鋼珠、密封膜片、保持環(huán)和調(diào)節(jié)環(huán)組成;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分通過滾針給閥體部分的閥芯閥座施加密封預(yù)緊力。

圖1 壓電閥門結(jié)構(gòu)示意

1.1、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

　　為使閥門具備較低的功耗，需設(shè)計(jì)其處于常閉狀態(tài).由于壓電堆在通電狀態(tài)下伸長(zhǎng)，采用兩個(gè)壓電堆和“T”形架(如圖1中所示)實(shí)現(xiàn)壓電堆位移的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)常閉。“T”形架通過柔性鉸鏈與支架周邊相連，柔性鉸鏈對(duì)“T”形架起到定位和導(dǎo)向的作用。在加工工藝許可和保證柔性鉸鏈能起到定位及導(dǎo)向作用的前提下，設(shè)計(jì)了柔性鉸鏈的厚度，使其對(duì)“T”形架運(yùn)動(dòng)帶來的阻礙作用減到可以忽略不計(jì)。“T”形架的水平部分與支架上部的柔性橫梁形成“雙彈簧”結(jié)構(gòu)(見圖1(b))，可同時(shí)對(duì)密封和壓電堆預(yù)緊，避免出現(xiàn)中壓電堆處于受拉的不利狀態(tài).整個(gè)支架為一體結(jié)構(gòu)，主要通過慢走絲線切割加工而成。

1.2、閥體部分設(shè)計(jì)

1.2.1、硅片閥芯閥座

　　圖2所示為設(shè)計(jì)制作的硅片閥芯閥座示意，其中閥芯上的密封環(huán)主要通過MEMS工藝制作而成，閥座的通孔通過激光打孔而成.實(shí)際密封時(shí)，使閥芯有密封環(huán)的一面與閥座接觸，極大減小了閥芯閥座的接觸面積，當(dāng)施加一定的密封預(yù)緊力時(shí)，閥芯閥座的接觸壓強(qiáng)會(huì)很大，由于所采用的硅片平面度很高、粗糙度低(小于0.3nm)，使密封環(huán)頂端產(chǎn)生彈塑性變形，與閥座形成密實(shí)接觸，形成密封帶從而實(shí)現(xiàn)密封。

　　對(duì)于硬密封，必須比壓至少應(yīng)為100MPa。根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分所能施加的最大密封預(yù)緊力的理論分析，可估算知閥芯上密封環(huán)端面的總面積應(yīng)不大于0.9×10-6m2。經(jīng)合理分配密封環(huán)數(shù)量及各密封環(huán)的內(nèi)徑和寬度，確定閥芯上加工出10道密封環(huán)，每道密封環(huán)的寬度為5μm，高度為10μm，最內(nèi)道的內(nèi)徑為2mm，其余各道內(nèi)徑向外依次遞增0.3mm;閥座的通孔直徑為1mm。實(shí)際加工后的閥芯的掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscopy，SEM)照片如圖3所示.閥芯閥座制作后采用耐高溫膠黏劑與閥門相關(guān)零件黏接。

圖2 硅片閥芯閥座示意

圖3 閥芯的SEM照片

1.2.2、平行度的自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

　　由于硅片表面平面度很高，為使閥芯上所有密封環(huán)的頂端都與閥座表面緊密黏合，需使閥芯和閥座保持高度的平行度，本文通過鋼珠以點(diǎn)接觸的方式施加密封預(yù)緊力，如圖4所示。其中閥芯所黏附的定位片用于增加剛度以使鋼珠所施加的力能較均勻地分布到硅片表面。為了保持閥芯在閥體中相對(duì)于閥座的位置，本文將黏接有閥芯的定位片再黏接于定位膜片上，其中的筋有利于閥芯調(diào)整角度使其高平行度地與閥座黏合，平行度的自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意如圖4(a)所示，這種方式能避免增大膜片面積，減小了體積和質(zhì)量。

圖4 平行度的自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意及定位膜片模型

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　壓電閥門實(shí)物照片如圖5所示。本文通過如圖6所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)閥門的相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試。

2.1、密封性測(cè)試

　　對(duì)于密封性測(cè)試，采用了檢漏劑檢測(cè)和保壓實(shí)驗(yàn)兩種方法。采用檢漏劑檢測(cè)時(shí)，使截止閥和壓電閥處于關(guān)閉狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)減壓器和調(diào)壓閥使壓電閥的閥前壓力達(dá)到測(cè)試壓力(測(cè)試壓力應(yīng)大于閥門的最大工作壓力，本文研究的壓電閥門最大工作壓力不大于0.6MPa，故設(shè)定測(cè)試壓力為1MPa)，此時(shí)將檢漏劑涂在各個(gè)可能產(chǎn)生泄漏的部位，如各部件接頭處、壓電閥的出氣口處等，沒有發(fā)現(xiàn)氣泡，說明壓電閥泄漏率很低(通過檢漏劑的性質(zhì)和氣泡檢漏原理計(jì)算出泄漏率小于0.001mL/min)，且測(cè)試系統(tǒng)的密封性很好。此時(shí)，關(guān)閉氣源，在氣源出口處至壓電閥入口處的管路中憋住一段有一定壓力的氣體(氣體壓力為1MPa，由前文作檢漏劑檢測(cè)時(shí)確定)，等待10h后，觀察壓電閥閥前壓力，若氣壓變化量小于0.001MPa，說明氣體基本沒有泄漏，壓電閥和測(cè)試系統(tǒng)密封性較好。

圖5 壓電閥門實(shí)物照片

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意

2.2、位移和流量測(cè)試

　　壓電堆在通電的狀態(tài)下伸長(zhǎng)，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)位移的轉(zhuǎn)換開啟閥芯，使氣體通過產(chǎn)生流量。如圖7所示，通過測(cè)量上橫梁端部的位移來間接反映閥芯相對(duì)于閥座開啟的距離，所測(cè)得的位移與電壓關(guān)系如圖8所示.從圖8可知，上橫梁端部的位移與電壓基本呈線性關(guān)系，在所加電壓為200V時(shí)，上橫梁端部達(dá)到最大位移21.6μm。

圖7 位移測(cè)量示意

圖8 上橫梁端部的位移與壓電堆所加電壓的關(guān)系

　　在實(shí)驗(yàn)中對(duì)流量進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。在靜態(tài)流量方面，在壓電堆兩端加上靜態(tài)電壓，對(duì)通過閥門的流量進(jìn)行測(cè)試，得到在不同入口氣壓下流量與壓電堆所加電壓的關(guān)系，如圖9所示。從圖9可知，在電壓低于60V的情況下，流量基本為0;在電壓高于60V的情況下，流量與所加電壓基本呈線性關(guān)系，當(dāng)入口氣壓大于0.4MPa、壓電堆所加電壓為200V時(shí)，閥門流量均能超過3000mL/min，從而避免了位移放大機(jī)構(gòu)，滿足了微推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)流量的要求。從圖8可知，在壓電堆所加電壓為0~60V階段，上橫梁端部已有位移，但其還小于閥門在關(guān)閉狀態(tài)下滾針的壓縮量，閥芯閥座仍受一定的密封力，閥芯相對(duì)于閥座沒有開啟，因此閥門沒有氣體通過，流量基本為0。

圖9 在不同入口氣壓下閥門流量與壓電堆所加電壓的關(guān)系

　　在動(dòng)態(tài)流量方面，測(cè)試了壓電堆所加電壓分別為方波和正弦波兩種情況下閥門的流量(方波高電平與正弦波振幅均為30V)。壓電堆所加電壓為方波時(shí)閥門流量與占空比的關(guān)系如圖10所示，從圖中可知，閥門在占空比為10%時(shí)就有一定的流量，而靜態(tài)電壓下閥門需在大于60V的情況下才有流量，說明在動(dòng)態(tài)情況下小電壓也能開啟閥芯閥座。隨著占空比的增加，閥門流量逐步上升，當(dāng)占空比約小于50%時(shí)，方波頻率為100Hz時(shí)的流量最大，50Hz時(shí)其次，200Hz時(shí)最小;當(dāng)占空比約大于50%時(shí)，方波頻率為50Hz時(shí)最大，100Hz時(shí)其次，200Hz時(shí)最小，說明閥門在50~100Hz時(shí)具有較好的流量性能，在較高頻率下流量減小較大。

圖10 壓電堆所加電壓為方波時(shí)閥門流量與占空比的關(guān)系

　　壓電堆所加電壓為正弦波時(shí)閥門流量與頻率的關(guān)系如圖11所示，從圖中可知，當(dāng)入口氣壓為0.4MPa和0.5MPa時(shí)，隨著頻率的增加閥門流量先緩慢上升再快速下降;當(dāng)入口氣壓為0.6MPa時(shí)，隨著頻率的增加閥門流量先緩慢下降再迅速下降，這說明在較低入口氣壓時(shí)閥門在50~100Hz時(shí)有較好的流量性能，但在入口氣壓較大時(shí)，頻率的增加卻會(huì)使流量降低;當(dāng)頻率大于約200Hz后，流量的下降均較快，說明較高頻率不利于閥門的流量性能。

圖11 壓電堆所加電壓為正弦波時(shí)閥門流量與頻率的關(guān)系

2.3、閥門壽命測(cè)試

　　對(duì)閥門的壽命也作了測(cè)試，在測(cè)試中，先通過對(duì)壓電堆施加一定頻率的方波電壓，使閥門循環(huán)工作一定次數(shù)，再測(cè)試其密封性以驗(yàn)證閥門是否破壞。測(cè)試中，所施加的方波電壓高電平為180V，占空比為50%，周期為2s;循環(huán)工作后密封性的測(cè)試采用前述檢漏劑檢測(cè)和保壓實(shí)驗(yàn)兩種方法，經(jīng)測(cè)試閥門在工作5000次后密封性仍很好.在進(jìn)一步改善閥門壽命和測(cè)試方面，還需做深入的研究。

2.4、閥門功耗測(cè)試

　　由于考慮將此閥門應(yīng)用于微小型航天器的微推進(jìn)系統(tǒng)，而微小型航天器的能量供應(yīng)有限，對(duì)閥門的功耗提出了較高的要求。壓電堆驅(qū)動(dòng)器由于具有電容性質(zhì)，在靜態(tài)工作狀態(tài)下功耗基本為零，因此能滿足微小型航天器的要求。依次測(cè)試了閥門的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，閥門在壓電堆所加電壓為直流200V下的靜態(tài)功耗約為5mW，這與理論上功耗為零的情況不符合，說明壓電堆在實(shí)際工作時(shí)存在泄漏電流。閥門在壓電堆所加電壓為高電平30V，占空比50%，頻率100Hz的方波時(shí)，由于不斷地給壓電堆充放電，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗約為150mW。

3、結(jié)語

　　研究了一種基于MEMS工藝密封的壓電閥門，采用MEMS工藝制作了硅片閥芯閥座，實(shí)現(xiàn)了硬密封的方式，使閥門整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，獲得了很好的密封效果(在閥門入口氣壓為1MPa的情況下泄漏率小于0.001mL/min)，并且由于硬密封高效地利用了壓電堆的位移，使閥門達(dá)到了較大的流量，當(dāng)入口氣壓大于0.4MPa、在壓電堆所加電壓為200V時(shí)，閥門流量均能超過3000mL/min，這避免了位移放大機(jī)構(gòu).在閥門的驅(qū)動(dòng)部分，設(shè)計(jì)了一種新型的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，其中的“T”形架實(shí)現(xiàn)了閥門的常閉功能，“雙彈簧”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)密封副和壓電堆的同時(shí)預(yù)緊，避免了壓電堆處于受壓的不利狀態(tài)，同時(shí)由于未采用放大機(jī)構(gòu)，保證了閥門具備較好的動(dòng)態(tài)性能。從閥門的動(dòng)態(tài)流量測(cè)試可知，當(dāng)入口氣壓較低時(shí)閥門在頻率50~100Hz范圍內(nèi)具有較好的流量性能。