متون انگليسي و تخصصي در تمام رشته ها با پست الكترونيكي زير در

تماس باشيد

alizdehtb@gmail.com 

توسعه ریز تولید کننده نیروی سوخت جامد سرامیکی آتشین شده در درجه حرارت پایین

خلاصه :

تکنولوژی LTCC یا همان سرامیک گداخته شده در درجه حرارت پایین برای اولین بار با موفقیت برای تحقق ریز تولید کننده نیروی سوخت جامد مورد استفاده قرار گرفته است . ریز تولید کننده نیرو یا میکرو تراستر کاربرد های بالقوه ای در فضاییما های کوچک به عنوان بهترین ریز سیستم نیروی محرکه برای در خط نگه داشتن ناو با دقت خیلی بالا ، کنترل وضعیت هواپیما ، خنثی کردن جاذبه و تنظیم مداری دارد .

طراحی ، ساخت و تجسس های ریز نیرو تولید کننده های LTCC انتشار یافته است . نتایج به دست آمده از آزمایش های روی سوخت کوچک و فشار و اندازه گیری های تپش هم در سطح دریا هم در خلاء ارائه داده شده است . تست های اولیه که با به کارگیری سوخت جامد مبنی بر باروت انجام شد ، از کل تپش و    از تپش مشخص درسطح دریا را و  از کل کل تپش و  31.55 – 19.05  از تپش مشخص را در خلاء تولید کرده است .

کارایی ریز تولید کننده ی نیرو سوخت جامد LTCC با همتای خود که بر اساس سیلیکان است سرامیک گداخته شده در درجه حرارت پایین یا همان LTCC یک سیستم با زیر لایه ی سرامیکی است که خم دارای مزایای سرامیک گداخته شده در درجه حرارت بالا (HTCC) است و هم تکنولوژی های در غشای کلفت . اگرچه فرآیند مشابه HTCC می باشد ولی دارای مزیت استفاده از رسانا هایی است که از مقاومت ویژه پایین برخوردارند ، مانند نقره ، طلا ، مس ، آلیاژ فلز مرکب از پلاتین و پالادیوم ، چون  درجه حرارت آتش LTCC پایین 900 درجه سانتیگراد است که به نقطه ذوب طلا و نقره نزدیک می باشد . مایع LTCC ترکیبی از شیشه دوباره متبلور شده و پودر سرامیک از الیاف و حلال های آلی است . از سوی دیگر HTCC یک لایه آلومینیم اکسیدی است . در جه حرارت آتش آلومینا ، در 1600 درجه سانتیگراد می باشد که فقط احتراق هادی هایی مانند تنگستن و مولیبدن را ممکن می سازد .

تکنولوژی LTCC را می توان به عنوان طریقه تولید مدار های چندین لایه به کمک یک نوار سبز رنگ که برای متصل کردن بر چسب عایق یا مقاومت بر روی رسانا مورد استفاده قرار می گیرد ، تعریف کرد . این ورق های یکپارچه ، روبروی هم قرار می گیرند و در یک مرحله سوزانده می شوند . این عمل موجب صرفه جویی در هزینه و زمان می شود و اندازه ی مدار را کاهش می دهد .

مزیت مهم دیگر این است که هر کدام از این لایه ها را می توان تفتیش کرد و در مواردی که تخریب شده ، می توان قبل از اینکه احتراق صورت گیرد ، تعویض کرد . بعضی از مزایای LTCC به شرخ زیر است :

• ضریب درجه حرارت پایین در انبساط
• خطای مجاز یا تلرانس پایین در ثابت دی الکتریک
• رسانایی الکتریکی خوب به سبب برچسب فلزی سوزانده شده در LTCC
• عناصر R و C و L می توانند بین لایه ها یکپارچه شوند
• جنس خوب لایه
• قیمت ارزان در تولید انبوه

تکنولوژی LTCC کاربرد های زیادی در زمینه های گوناگون دارد ، از جمله کاربردهای سنسوری ، وسایل کوچک و ریز سیال ،

کاربرد های محرک و کاربرد های زیست پزشکی از جمله تحویل مواد مخدر ، گاز یا مایع کرومتو گراف ها و نمایش پارامتر زیستی (3-1)یکی دیگر از کاربرد های ممکن تکنولوژی LTCC در زمینه هوا و فضا است .بهره برداری ار فضاپیمای کوچک می تواند هزینه عملیات را کاهش و نرخ پرتاب را با کاهش پرتاب تعداد زیادی فضاپیما افزایش دهد و می تواند ریسک عملیات را کاهش دهد و انعطاف پذیری عملیات را با پرتاب خوشه ای از فضاپیما ها به جای پرتای یک فضاپیمای بزرگی بهبود دهد . وجود سیستم نیروی محرکه در فضاپیما برای کنترل وضعیت هواپیما ، مانور های دلتا V ، خنثی کردن جاذبه ، در خط نگه داشتن فضاپیما و تنظیم مدار ، ضروری است .

بسیاری از سیستم های نیروی محرکه در حال تجسس و بررسی است ، مانند ریز تولید کننده ی نیرو گاز سرد یا گرم ، ریز تولید کننده ی نیرو راکت متشکل از 2 جزء سوخت و اکسید کننده ، ریز تولید کننده ی نیرو میدان تشعشع ، ریز تولید کننده ی نیرو کلوئید و ریز تولید کننده نیرو شار تپش یافته (7-4) . ریز تولید کننده ی سوخت جامد تقریباً یک کلاس جدیدی از سیستم نیروی محرکه است که مبتنی بر احتراق سوخت فعال ذخیره شده در محفظه ای کوچک است . ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد مزایای زیادی نسبت به دیگر ریز تولید کننده ها دارد ، مانند زیاد پیچیده نبودن سیستم ، نداشتن اجزاء متحرک و احتمال بسیار پایین مواجه شدن با کمبود سوخت .نتیجتاً ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد ، خیلی مورد مطالعه قرار داده شده است (12-8) . مفاهیم طراحی اصلی آن بر پایه ی پیکر بندی فشرده ی سه لایه ای است ، که معمولاً شامل 3 جز می باشد ، با ذکر نام : محفظه ی احتراق ، دهانه (یا دیافراگم انفجار) و گیرانه یا همان محترق کننده . طراحی بنا کننده از پیکر بندی فشرده که توسط ژانگ وهمكارانش  پیشنهاد شده متفاوت است (13) .  این طرح چندین مزیت نسبت به طرح های قبلی دارد مانند کارایی ساخت كار ارايي ساخت بالا ، انعطاف پذیری بیشتر طراحی ، کیفیت بهتر اتصال . با این حال ، این طراحی از یک سیم به عنوان مشتعل کننده که برای یکپارچه سازی و ساخت گروهی بهینه نیست ، استفاده می کند . در این مقاله ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد جدید که از تکنولوژی LTCC استفاده می کند ، مطرح شده است . این سوخت جامد نه فقط مزایای طرح بنا کننده را به ارث می برد ، بلکه برای یکپارچه سازی و ساخت گروهی خیلی مناسب است . فرآیند طراحی ، ساخت و مونتاژ ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC به تفصیل جزئیات شرح داده شده اند . وسایل و امکانات بهره برداری شده برای مشخص کردن مشخصات ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC شرح داده شده اند . نتایج آزمایش میکرو احتراق و آزمایش نیرو ارائه داده شده اند . اخیراً کارایی ریز تولید کننده ی سوخت جامد LTCC با ریز تولید کننده ی سوخت جامد مبنی بر سیلیکان مقایسه شده است .

2- طراحی

پیکر بندی ریز تولید کننده ی نیروی محرکه سوخت جامد LTCC پیشنهاد شده هیچ گونه پمپ ، خطوط سوخت یا سوپاپ ندارد . بنابراین ، اجزاء متحرک وجود ندارد و احتمال مواجه شدن با کمبود سوخت نیز کم است . نیروی محرکه از ورقه ورقه شدن 10 لایه ی منفرد از نوار های سبز ساخته شده است ، که هر کدام از آنها به طور جداگانه فرآورده شده اند . طراحی هر کدام از لایه ها با ساختار ریز تولید کننده ی نیرو انجام می شود ریز تولید کننده ی نیرو دارای محفظه ی احتراق ، دهانه همگرا – واگرا و مقاومت که درون محفظه جاسازی شده است ، می باشد . مقاومت به صفحات دستگیره در بالای ریز تولید کننده نیرو توسط ارتباط دهنده های الکتریکی وصل شده است . سطح مقطع و بعد های فضایی ریز تولید کننده ی نیرو LTCC در شکل های 1 و 2 به ترتیب نمایش داده شده اند ، از آنجایی که وسیله دارای محفظه بزرگی است ، ورقه خالی (ورقه 1) به پایه اضافه می شود تا از متلاشی شدن ورقه ها جلوگیری کند .

2 ورقه بعدی (ورقه های 2 و 3) ترانزیستور را در امتداد انتهای سطوح آن و ارتباط دهنده سطوح دستگیره برای ارتباط در امتداد جهت محور Z را دارا می باشد ، ورقه ی میکرو محفظه(ورقه های 8-4)  ، کلاً از 5 ورقه ی نوار سبزرنگ برای حاصل کردن ضخامت 400 میکرومتری تشکیل شده است . بالاترین ورقه ها (ورقه های 10- 9) سطوح دستگیره را برای مقاومت فرآهم می کنند .

سپس محفظه با سوخت جامد پر می شود . فرآیند اشتعال سوخت  با رسیدن قدرت الکتریکی به مقاومت از طریق سطوح دستگیره و اتصالات داخلی آغاز می شود . هنگامی که سوخت در هر نقطه ای از سطح آن مشتعل شد ، احتراق به وجود می آید و به تمامی سطوح پخش می شود و سپس به طور عمودی به سطح احتراق پیش روی می کند . برآیند گاز از طریق دهانه همگرا- واگرا گسترش می یابد . هم زمان با اینکه سرعت آن نیز به طور قابل توجهی در حال افزایش است . بنابراین تولید نیروی محرکه و ذره ای از تپش مورد نظر انجام می شود . ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC در یک نوع ویژه ریز ارتباط دهنده برای تشخیص اتصال با برد اصلی یا مادر برد که شامل منبع نیرو ، وسایل الکترونیکی ادرسدهي، و پورت های ارتباط است ، نصب می شود .

برای منگنه زنی نوار سبز LTCC ، ماشین پانچ زنی به فایل پانچ که جاهایی را که باید پانچ زده تا محفظه شکل گیرد را مشخص می کند ، نیاز دارد ، به هر حال مشخص کردن مختصات جاهایی که باید دستگاه پانچ زنی به آن پانچ بزند ، سخت است . بهترین راه برای انجام آن این است که از نرم افزار نقشه کشی برای کشیدن طرح استفاده کنیم ، سپس فایل ساخته شده توسط نرم افزار نقشه کشی را با استفاده از نرم افزار تبدیل به فایل پانچ تبدیل می کنیم . اتوکد برای نقشه کشی استفاده می شود و نرم افزار  cam8.0          برای تبدیل فایل نقشه کشی تحت فرمت (.dfx) به فیال پانچ استفاده می شود . به طور مشابه برای چاپ رسانا و مقاومت اتوکد در طراحی استفاده می شود . و فایل با استفاده از برنامه ی cam350 به فرمت گربر تبدیل می شوند و فایل گربر برای تولید نمودار عکس استفاده می شود که بعداً به استنسیل که برای پرینت نوار سبز استفاده شد ، انتقال داده می شود . تنها ، دو سری ( یا دو آرایه ) و سه سری ( یا سه آرایه ) از ریز تولید کننده ی نیرو از 6 بعد مختلف روی نوار سبز طراحی شده ست . نشانه های برش نیز بر روی طرح برای ساده کردن خصیصه ی چروک LTCC نیز در نظر گرفته می شود . علل چروک حدود 14 درصد فرض می شود . برای مثال ابعاد همه ی وسیله ها تا 14 درصد افزایش مقیاس داده می شوند . بنابراین بعد گداخته شدن ( تحت حرارت قرار دادن ) وسائل ، ابعاد درستی خواهند داشت . طراحی ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC تمامی مزایای مهم ریز تولید کننده ی سوخت جامد بهره برداری شده در [13] را به ارث می برد ، مانند آزادی بیشتر طراحی دهانه و محفظه ، فرآیند ساخت مؤثر و مفید ، کیفیت اتصال بهتر آزادی بیشتر در انتخاب مکان مشتعل کننده . علاوه بر این ، این طرح دارای مزایای بیشتری نسبت به طرح های قبلی است . اول ، طرح جدید از مشتعل کننده جاسازی شده به جای سیم مشتعل کننده استفاده می کند که برای تولید و ساخت انبوه خیلی مناسب است و کارایی و قابلیت اطمینان مستعل کننده ، بهبود یافته است . دوم ، اضافه کردن قابلیت آدرس دهی یکی از قسمت های  کلیدی توسعه ی سری ( آرایه ) ریز تولید کننده ی نیرو است . طرح جدید تحقق قابلیت آدرس دهی را با استفاده  از یک نوع ویژه ی ریز ارتباط دهنده ساده تر می کند . علاوه بر این ، سطح بالایی از یکپارچه سازی شاید بتواند تحقق یابد . سومی ، ساخت آن نسبتاً ساده ، به صرفه و محیط دوست نسبت به طرح قبلی که بر پایه سیلیکان بوده است . 3 بعد صحیح ریز تولید کننده ی نیرو می تواند به آسانی با استفاده از لایه نوار آتشین شده با یکدیگر به آسانی تحقق یابد . چهارمی ، اکثر خصوصیات حرارتی نوار LTCC را می توان با یک قاعده سازی زیرکانه تنظیم کرد . طراح ریز ساختار در انتخاب قاعده سازی سرامیک برای همسان بودن با هیچ کدام از ضریب انبساط حرارتی یا ضریب رسانایی حرارتی اکثر مواد سازنده جالب توجه برای یکپارچه سازی مرکب را آزادی عمل زیادی دارد . برای مثال نوار LTCC سرامیکی دارای خصوصیت عایق بندی حرارتی بهتری از سیلیکان دارد . نتیجتاً اختلاف حرارت سوختی از طریق جداره کمتر است ، بنابراین نیروی بهتری را تولید می کند . خصوصیات عایق بندی حرارتی بهتر ، همچنین از جهت جلوگیری و پرهیز از وقوع القاء حرارتی که موجب مشتعل شدن سوخت در محفظه های مجاور می شود ، مهم و ضروری است .

پنجم ، اگرچه روش ساخت in plane برای ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد در مقایسه با ساخت out of plane آزادی بیشتری  فرآهم می کند (13) ، ابعاد ریز تولید کننده ی نیرو DRIE در حد ضخامت قرص محدود شده اند . به هر حال برای ساخت LTCC ، ابعاد ریز تولید کننده های نیرو تقریباً به دلیل گنجایش تعداد زیادی لایه ، نا محدود هستند . سر انجام سری یا آرایه ریز تولید کننده ی نیرو برای بر طرف کردن کمبود قابلیت باز آغازی (restart) ، برای تولید تراست هدایت شوند و ریز تپش کنترل شده با توجه به کاربرد ها ، می تواند به آسانی ساخته شود . طرح کلی روش آدرس دادن و مشتعل سازی ریز تولید کننده های نیروی LTCC در شکل 3 نشان داده شده اند .

3- ساخت

ریز تولید کننده ی نیرو با استفاده از تکنولوژی LTCC طراحی شده است ، زیرا ساخت ساختار های 3 بعدی مانند ارتباط دهنده ها ، محفظه ها ، کانال ها و محفظه ها ، مقاومت ها جاسازی شده و خازنها آسان است . در حالت سبز ، نوار ها برای ایجاد شکل ، مراحلی را می گذرانند . بعداً هر کدام از نوار ها روی همدیگر قرار گرفته و حرارت داده می شوند تا ساختار مورد نظر حاصل شود .

دو پنتat951 به عنوان زیر لایه در نوار سبز استفاده شده است . نوار بسته بندی شده که نقش غلتک را دارد ، به نوار های   5”*5”  شکاف داده می شوند . نوار های سبز سپس در کوره به مدت 30 دقیقه در 120 درجه سانتیگراد متوازن می شوند . ضخامت دو پنت at951به کار فته در نوار سبز 4.5 میل است          . اگر فقط یک زیر لایه از نوار سبز رنگ استفاده شده باشد ، اداره کردن تا حدی سخت خواهد بود . بنابراین دو زیر لایه نوار سبز رنگ با استفاده از سیستم مورق کننده ی ایسوستیک در 800psi و در دمای 70 درجه به مدت 10 دقیقه قبلاً مورق می شوند .

5 لایه ( لایه های 8-4 ، شکل 1 ) با استفاده از سیستم اتوماتیک پانچ زنی ، پانچ زده می شوند . نوار سبز روی صفحه ی وسیله ی پانچ زنی نصب شده و وقتی که وسیله ی پانچ زنی با استفاده از فایل پانچ اجزاء مشخص شده را پانچ زنی می کند به وسیله ی خلا نوار سبز را سفت نگه داشته می شود . از پانچ های با ضخامت 4 میل ، 6 میل ، 10 میل و 20 میل برای پانچ کردن محفظه ها و اتصال دهنده ها استفاده می شود . برا یثبت سوراخ ها ، پانچ 4 میلی استفاده می شود . سوراخ های ثبت و سوراخ های تراز در هر کدام از زیر لایه ها برای ایجاد تراز ، پانچ زده می شوند . هر کدام از زیر لایه ها برای اطمینان حاصل کردن از اینکه پشتیبان لایه ی پولیستری اتصال دهنده های پانچ شده را مسدود می کند ، به طور جداگانه تفتیش و بازرسی می شوند . این پشتیبان در طی مراحل پانچ زنی برای جلوگیری از گسیختگی یا انقطاع نوار رها می شود . همچنین زیر لایه بالایی که از 2 زیر لایه تشکیل شده است برای اتصال دهنده ها پانچ زنی می شود . سطح دستگیره اتصال دهنده نیز روی آن پرینت می شود . این عمل با استفاده از چاپکننده ی صفحه و بر چسب                         که برای چاپ سطح دستگیره استفاده شده ، انجام می شود . ترسیم یا نمودار عکس ، که با استفاده از فرمت گربر مونتاژ شده است که برای چاپ سطوح دستگیره اتصال دهند ، استفاده می شود . سوراخ های ثبت یا مارک های تراز برای قرار دادن نوار دوربین بزرگ نمایی در مکان صحیحی استفاده می شود .

سیستم خلاء سنگی متخلخل نوار سرامیکی را در جای مناسب نگه می دارد . هم زمان با اینکه نوار به صورت محکم توسط خلا نگه داشته می شود . تیغه ی جراحی بر چسب را از میان استنسیل برای چاپ طرح مورد نیاز روی نوار فشرده می کند . این عمل با چاپ کردن لایه های 3-2 انجام می شود . بر چسب مقاومت دوپنت cf021  برای مقاومت های جاسازی شده استفاده می شود و دوپنتag6142 برای سطح پایینی و سطوح تماس استفاده میشود و همین فرآیند برای این زیر لایه نیز دنبال می شود ، عمل چاپ 2 بار تکرار می شود ، یکبار برای بر چسب مقاومت و بار دیگر برای بر چسب رسانا .

بعد از اینکه پردازش همه زیر لایه ها به اتمام رسید ، تمامی آنها در صفحه ی مورق کننده که دارای ستون های شکل دهی است که سوراخ های ثبت تمامی زیر لایه ها به خوبی قرار می گیرند ، انباشته می شوند . سپس پشته در زیر میکروسکوپ بررسی می شود و ردیف بندی می شود به طوری که همه ی اتصال دهندها ی هم تراز، ردیف بندی می شود . صفحه مورق کننده در کیسه س خلاء مهر شده و  در سیستم ایسوستیک در 800 psi و دمای 70 درجه سانتیگراد قرار داده می شود .

این عمل به وسیله ی سخت شدن پشته در کوره ی هوای تحت فشار قابل برنامه ریزی انجام می شود . کوره طوری برنامه ریزی شده تا زمان حرارتی برش نما را برای فرآیند آتشین کردن دنبال کند . پشته در جعبه ی الماس قرار داده می شود و بر طبق دماي برنامه ریزی شده ی برش نما حرارت داده می شود .

تار کردن اتصال دهنده ها نیز نیاز به آتشین کردن دارد . اتصال دهنده هها به بر چسب دوپنتag6141 با استفاده از ترنتیک های مجهول ptc vf-1000 از طریق پر کننده برای فرم دادن اتصالات داخلی در جهت محور Z  تار می شوند . تیغه ی جراحي بر پسب را از میان استنسیل که از طرح ترسیم عکس بهره برداری شده ، به داخل اتصال دهنده ها را با جوهر پر می کند ، فشرده می سازد . بعد از ساخت طرح کامل ، اره ی قطعه قطعه کننده با استفاده از مارک های مشخص شده برای برش ، زیر لایه را به ابعاد مورد نظر تبدیل می کند . تلویزیون مدار بسته (تصویر تلویزیونی که علائم آن به وسیله ی سیم به چند گیرنده منتقل می شود ) با لیزر های عکس شکافته شده (یا دو نیم) برای هم تراز کردن تیغه به مکان های برش روی زیر لایه استفاده می شود ، که روی گیره ی خلا سفت و محکم نگه داشته شده ، استفاده می شود . زیر لایه به ابعاد مورد نیاز برش داده می شود شکل 4 سری های ریز تولید کننده ی نیرو ی سوخت جامد LTCC ساخته شده ی 3 بعدی را نشان می دهد . سطوح دستگیره و خروجی های دهانک به خوبی در شکل 4 دیده می شود . شکل 5 عکس SEM زیر لایه تولید کننده ی نیروی LTCC است . قسمت واگرا دهانه در عکس SEM به خوبی دیده می شود .

ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC روی نوع ویژه ای از ریز ارتباط دهنده برای تشخیص ارتباط با برد اصلی که شامل منبع قدرت ، آدرس دهی وسایل الکترونیکی و پورت های ارتباطی است ، نصب می شود . ریز تولید کننده ی نیرو و ریز ارتباط دهنده ، نحوه ی نصب همتایی دارند سطوح دستگیره

در بالای ریز تولید کننده ی نیروی LTCC برای تحقق تماس خوب اهمی ، به وسیله ی محل تماس صفحه از ریز ارتباط دهنده خیلی سخت و محکم گرفته شده است . شکل 6 نحوه ی نصب زیر لایه های 2 ریز تولید کننده ی LTCC داخل ریز ارتباط دهنده ها را نشان می دهد .

4- تست آزمایشی

یک نوع نصب آزمایشی طراحی شده ویژه برای آدرس دهی امکان پذیری طرح جدید و برآورده ساختن ویژگی های ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC هم در سطح دریا و هم در خلا انجام می شود .

1-4- سیستم آزمایش کردن خلا ریز تولید کننده ی نیرو

طرح کلی نصب در شکل 7 نشان داده شده است . از یک دوربی دیجیتالی با سرعت بالا برای عکس گرفتن از احتراق سوخت جامد استفاده می شود . سنسور نیروس کوارتز (الماس) کیستلر برای اندازه گیری نیروی پیشرانه تولید شده توسط ریز تولید کننده ی نیروی LTCC به کار می رود . سنسور یک نوع سنسور فیزو الکتریکی است ، که دقیقاً شارژ الکتریکی متناسب با نیروی وارد شده به واحد های PC تولید می کند . حساسیت بسیار بالا ، استحکام بسیار زیاد ، حساسیت عرضیه کوچک از ویژگی های بر جسته ی این سنسور هستند . سنسور نیرو توسط شرکت آلات اندازه گیری کیستلر سنجیده شد که دارای حساسیتی حدود   و آستانه های به اندازه ی       می باشد .

تقویت کننده ی شارژ کیستلر برای تبدیل شارژ الکتریکی بسیار کوچک مونتاژ شده با سنسور نیرو به ولتاژ مناسب ، استفاده می شود . این تقویت کننده با استفاده از کابل ( که دارای پارازیت کم است ) وصل شده و با استفاده از پتانسیومتر انتگرالی سنجیده می شود . سیستم ویدئویی DEWE دورتون به عنوان هدف یاب انتخاب می شود . این سیستم هدف یاب داده و ویدئو اکتسابات موجود در پاکت MIL-STD را با کامپیوتر درون ساخت و صفحه نمایش ترکیب می کند و این سیستم برای تست و آزمایش هم زمان میکرو احتراق و نیرو خیلی مناسب است . سنسور نیرو به خاطر هر گونه لرزش ممکن از جانب نیرو به صورت سفت و محکم و برای اصلاح کردن جای منبه قدرت روی یک پلت فرم سنگین نصب می شود . مشخصه های ریز تولید کننده ینیرو در فضا بسیار مهم تر از سطح دریاست ، چون ریز فضاپیما در فضا به صورت نرمال و عادی عمل می کند . بنابراین سیستم خلاءای که دارای محفظه ی خلاء مخصوص ، دریچه ی فانوسک مخصوص ، اندازه گیر خلاء مخصوص و پمپ خلاء مخصوص با سیستم آزمایشی ریز تولید کننده ی نیرو برای شبیه سازی کارایی ریز تولید کننده ی نیرو در فضا ، ترکیب می شود .

توصیف سوخت و علم هندسه ی ریز تولید کننده ی نیرو

سوخت جامد مبتنی بر باروت در اینجا برای این آزمایش استفاده می شود . شکاف های انبوه سوخت جامد 90 درصد باروت ، 75 درصد پتاسیم ، 15 درصد زغال و 10 درصد فسفر ، 6 درصد آمونیم پرکلریت ، 3 درصد آلومینیم و 1 درصد         . از آمونیم پرکلریت برای کاهش دمای احتراق و بهبود بخشیدن تپش ویژه ی سوخت استفاده می شود . اضافه کردن آلومینیم باعث افزایش درجه ی سوختگی ، دمای شعله و تپش ویژه می شود .        به عنوان عامل فعل و انفعال احتراق استفاده می شود .

یک ریز تولید کننده نیروی LTCC برای اولین برای حاصل کردن اندازه های نیرو برای بهینه ساختن شکل هندسی ریز تولید کننده ی نیرو ، آزمایش شد . ابعاد ریز تولید کننده ی نیرو انفرادی LTCC برای تحقیق حاضر در شکل 8 نشان داده شده است .

سطح 100 میکرومتری در گلوگاه دهانه برای پرهیز از لبه های تیز و ساده سازی فرآیند ساخت می باشد . ریز تولید کننده ی نیروی LTCC دارای گونه های متفاوت طول های واگرایی دهانه (L) ، زاویه های واگرایی نصف (a) ، عرض های محفظه ی احتراق (WC) ، عرض های گلوگاه ریز تولید کننده نیرو (WT) و عرض های خروجی ریز تولید کننده ی نیرو (WE) می باشد . بنابراین ضریب های بخش گلوگاه محفظه ی متفاوت (AC/AT) و ضریب های بخش گلوگاه خروجی متفاوت برای ارزیابی و بررسی در دسترس هستند . از آنجایی که محفظه و دهانه دارای عمق یکسان 400 میکرومتری هستند ، جرم سوخت پر شده در شرایط تپش ویژه که به عنوان ضریب همه ی تپش برای وزن سوخت تعریف شده ، کارایی ریز تولید کننده ی نیرویLTCC را تحت تاثیر قرار می دهد . بنابراین نتیجه می گیریم که جرم سوخت باید قبل از آزمایش به دقت اندازه گیری شود . (جدول 1 ) جرم های ریز تولید کننده ی LTCC و سوخت را نشان می دهد . جرم حامل خالی به معنی جرم ریز تولید کننده ی نیروی LTCC قبل از بار کردن یا بار گذاری است ، جرم با شده به معنی جرم ریز تولید کننده با سوخت موجود در آن است و شکاف جرم سوخت با تناسب جرم سوخت به جرم ریز تولید کننده نیروی بار شده قبل از آتشین شدن برابر است .

3-4 آزمایش میکرو احتراق

آزمایش میکرو احتراق برای اثبات امکان پذیر بودن طرح جدید ریز تولید کننده ی نیروی LTCC انجام می شود . افزایش سطح مقطع به نسبت حجمی که همراه با اندازه ی کوچک ممکن است سبب فروکش شدن گرمایی و شیمیایی می شود . فروکش شدن برای جلوگیری از میکرو احتراق نشان داده شده است (14) . اگرچه ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC مبتنی بر سرامیک ، مقاومت حرارتی بهتری نسبت به ریز تولید کننده نیروی سوخت جامد LTCC مبتنی بر سیلیکان دارد . ( ضریب هدایت حرارتی LTCC  نوار سبز            ، سیلیکان               ) ، مسئله ی فروکش شدن برای مقیاس میکرویی تولید کننده ی نیروی LTCC هنوز نیاز به این دارد که مورد خطاب واقع شود . تداوم احتراق بعد از آتش زدن سوخت جامد مبتنی بر باروت به وسیله ی مقاومت جاسازی شده ی دوپنت cf021 مشاهده می شود . مدت زمان احتراق برای یک نمونه از ریز تولید کننده ی نیروی LTCC حدود 0.7 میکرو ثانیه است . سری هایی از فرم های ضبط شده توسط دوربین دیجیتال از میکرو احتراق در شکل 9 نشان داده می شود . عکس ها در 10000 فرم        به دست آمده اند . ریز تولید کننده ی نیروی LTCC برای آزمایش میکرو احتراق درون میکرو ارتباط دهنده ها نصب می شود ، شکل 6 .

4-4 آزمایش میکرو نیرو و تپش

آزمایش های مربوط به نیرو و تپش کلی هم در سطح دریا تحت دمای تقریبی 300k     و هم در خلا و در فشار 8 pa انجام شد . برای عکس برداری خوب از سیگنال های نیرو و تپش ، درجه ی هدف یاب پویا به 10000 نمونه در هر ثانیه تنظیم می شود .

شکل 10 یک نمونه از سیگنال تستی در سطح دریا برای ریز تولید کننده ی LTCC با                        و              زاویه ی واگرایی نصف a=16 درجه  را نشان می دهد . این قابل مشاهده است که نقطه ی اوج یا همان پیک نیرو تولید شده حدود 0.38 نیوتن است . موج نوسان را بعد از نقطه ی اوج می توان ملاحظه کرد که ناشی از لرزش پلت فرم که آن هم دلیلش اثر شدت نیرو است ، می باشد . اگرچه محدوده ی موج در مقایسه با نیرو ناچیز است ، سیستم تعدیل (تضعیف کننده ی ارتعاش) برای کاهش ارتعاش و بهبود بخشیدن به صحت عمل توصیه می شود . احتراق توسط یک ولتاژ درونی 37 V رخ می دهد . اگرچه جریان به صورت مستقیم اندازه گیری نشده ولی جریان خروجی منبع DC قدرت در لحظه ی احتراق حدود 36 میلی آمپر مشاهده شده است . قدرت احتراق بعداً حدس زده شده که 1.332 W  باشد . منبع قدرت و اکتساب یا هدف یابی داده طوری تنظیم شده اند که هم زمان شروع به کار کنند . نتیجتاً ، زمان تاثیر در احتراق را می توان از طریق سیگنال های آزمایش به دست آورد ، همان طور که در شکل 10 نمایش داده شده است . زمان تاخیره احتراق 1.211 ثانیه است . با توجه به اینکه انرژی احتراق حدس زده می شود 1.613 J  باشد .

شکل 11 نمودار بزرگ شده ناحیه ی احتراق نمایش داده شده در شکل 10 می باشد . همانطور که دیده میشود مدت زمان احتراق و نیرویی که تولید شده حدود 0.7 ms و نقطه ی اوج نیرو حدود 0.38 N می باشد . در مبدأ زمان (t=0 s) مقاومت                           تحریک شده احتراق سوخت شروع به تولید نیرو می کند . نیرو سریعاً رشد کرده و در زمان t=0.35 ms به نقطه ی اوج خودش می رسد . بیشترین مقدرا نیرو حدود 0.07 ms طول می کشد و به تدریج کاهش می یابد ، و در جوار t=0.70 ms احتراق سوخت تمام می شود و تپش حاصل از نیرو آزاد شده است . کل تپش که به عنوان یکپارچه سازی نیرو در طول زمان احتراق تعریف شده ، یک پارامتر مهم برای توصیف کارایی نیروی محرکه ( پیشرانه ) به حساب می آید [15] . برای این ریز تولید کننده ی نیروی LTCC ، کل تپش              می باشد . زمانی که سوخت جامد مبتنی بر باروت مشتعل شد ، احتراق آن خیلی سریع صورت می گیرد . بنابراین انرژی شیمیایی سوخت در طول یک زمان کوتاه و هنگام پانچ زنی بیشنه مقدرا نیرو ، آزاد می شود . لویس و همکارانش [8] چند تا از نتایج به دست آمده از ریز تولید کننده ی نیرو دیجیتالی خود را ، که اندازه یکسانی از کل تپش با کل تپش ریز تولید کننده ی LTCC را دارد را نشان دادند . ( اگرچه طراحی و سوخت هر کدام از این ریز تولید کننده ها متفاوت است ) . با توجه به نتایج تس دیل (Teasdale) و همکارانش نیروی سوخت جامد میکروراکت آنها می تواند برای چند ثانیه نگه داشته شود . سوخت جامدی که در این میکروراکت ها استفاده می شود HTPB/AP  می باشد ولی اندازه ی نیرو در مقیاس mNمی باشد .

شکل 12 تکرار پذیری اندازه های نیرو برای نمونه های مختلف با ابعاد یکسان همانند شکل 11 نشان می دهد . کل تپش ها برای سه نمونه به ترتیب ,                                                       هستند . نتایج به دست آمده در طول آزمایش زیاد قابل اطمینان نیستند و تکرار پذیری اندازه گیری ها یا اندازه های نیرو را تصدیق می کنند . برای هر 3 نمونه از ولتاژ یکسان 37 v استفاده می شود . جریان خروجی ها 35 mA ، 36 mA و 38 mA هستند . نتیجتاً ، قدرت جرقه زنی ( احتراق ) به ترتیب 1.295 w و  1.332 w و 1.406 w حدس زده می شوند . به هر حال ، زمان تأخیر احتراق به ترتیب 2.076 s ، 1.271 s ، 0.628 s هستند . این واقعاً یک موضوع مبهمی است که چرا زمان تأخیر به این بزرگی مشاهده شده است . توضیحات ممکن برای این پدیده عبارتند از : اختلاف موجود در سطح تماس بین سوخت و جرقه زدن ( مشتعل کننده ) ، غیر یکنواختی در وزن سوخت یا خصوصیات متفاوت دستگاه به سبب متنوع بودن فرآیند .

5-4 تأثیر تناسب گلوگاه محفظه روی کارایی ریز تولید کننده ی نیروی LTCC معمولاً ، درجه ی احتراق سوخت به ترکیب سوخت و فشار محفظه بستگی دارد . شار

موجود در محفظه با تعادلی که بین درجه تولید گاز محفظه و درجه جریان خروجی دهانه موجود است ، معین می شود . بنابراین ، سطوح فشار ثابت که به دست آورده شده ، با ترکیب سوخت و تناسب موجود در بین محل احتراق سوخت (AC) و محل گلوگاه دهانه سنجیده و معین می شود . بنابراین تناسب محل گلوگاه محفظه یک پارامتر مهم می باشد زیرا کارایی ریز تولید کننده ی نیروی LTCC را تحت تأثیر می گذارد . با افزایش تناسب AC/AT فشار محفظه به طور قابل توجهی افزایش یافته و گاز احتراق می تواند به شدت بیشتری برسد که این ها همگی سبب کارایی بهتر می شوند . شکل های 13و14 کل تپش و اختلافات تپش مشخص را با تناسب AC/AT در سطح دریا و خلاء نشان می دهد . ریز تولید کننده ی نیروی LTCC دارای تست شده طول واگرایی 600 میکرومتری و زاویه ی واگرایی نصف 16 درجه یکسان است . در سطح دریا ( شکل 13 ) کل تپش از          به           تغییر یافته ، وقتی که تناسب AC/AT نیز از 2.70 به 4.05 افزایش یافته است . در خلاء ( شکل 14 ) ، کل تپش از     به     تغییر می یابد و تپش مشخص از 19.05 به 31.55 افزایش می یابد . همچنین تناسب AC/AT نیز از 2.70 به 4.05 افزایش می یابد . یکی از راه های ممکن برای تغییر دادن کارایی ریز تولید کننده ی نیرو ، تنظیم تناسب محل گلوگاه محفظه ی ریز تولید کننده ی نیروی LTCC می باشد .

6-4 مقایسه ی کارایی ریزی تولید کننده ی نیروی LTCC در سطح دریا و خلاء

کارایی ریز تولید کننده ی نیروی LTCC در سطح دریا و هم در خلاء (80pa) تست شده است . شکل 15 مقایسه ی کارایی را هم در سطح دریا و هم در خلاء برای ریز تولید کننده های نیروی LTCC با طول واگرایی      و زاویه ی همگرایی نصف 16 درجه و با تناسب AC/AT متفاوت نشان می دهد . زمانی که AC/AT = 2.7 است ، تپش مشخص از 5.55 s به 19.05 s افزایش می یابد و کل تپش از      به      به علت اینکه فشار معکوس از سطح دریا به خلاء تغییر یافته است ، تغییر می کند . زمانی که AC/AT = 3.3 است ، تپش مشخص از 10.28 به 29.24 افزایش می یابد و کل تپش از              به     به علت اینکه فشار معکوس از سطح دریا به خلاء تغییر یافته است ، افزایش می یابد .

همانطور که دیده می شود ، کارایی ریز تولید کننده ی نیروی LTCC در خلاء بهتر می شود . یکی از دلایل برای این بهبود این است که افزایش فشار محدوده ی خروجی در خلاء متفاوت است . دلیل ممکن دیگر این است که تفاوت موجود در الگوی جریان جت ریز تولید کننده ی نیروی LTCC می باشد . در سطح دریا ، احتمالاً جریان جت به علت فشار معکوس زیاد ، مادون صوت است ولی در خلاء جریان جت مافوق است . جت مافوق صوت از جت مادون صوت نیرو و تپش کل بیشتری ایجاد می کند .

7-4 مقایسه ی کارایی بین ریز تولید کننده ی نیرویLTCC و ریز تولید  کننده ی نیروی مبتنی بر سیلیکان

ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد مبتنی بر سیلیکان که در [13] بهره برداری شده است ، طراحی مشابهی با ریز تولید کننده ی سوخت جامد LTCC دارد . شکل 16 مقایسه ی کارایی بین ریز تولید کننده ی نیروی LTCC  و ریز تولید کننده ی نیرو مبتنی بر سیلیکان که هر دو از یک نوع سوخت استفاده می کنند را در سطح دریا نشان می دهد . ریز تولید کنندهی نیروی LTCC و ریز تولیدکننده ی نیرو مبتنی بر سیلیکان دارای طوول واگرایی یکسان         و زاویه واگرایی نصف یکسان 16 درجه هستند . از شکل 16 می توان فهمید که نیروهایی که توسط ریز تولید کننده ی نیروی LTCC تولید شده از ریز تولید کننده ی نیرو مبتنی بر سیلیکان بیشتر است ، این احتمالاً به سبب عایق بندی بهتر خصوصیات حرارتی نوار LTCC سرامیکی در مقایسه با ههم نوع های سیلیکانی خود است . نتیجتاً ، تلفات حرارتی احتراق از طریق جداره کمتر است ،بنابراین سبب تولید نیروی بیشتر می شود .

تپش های مشخص که توسط ریز تولید کننده های نیروی LTCC تولید شده است از آنهایی که توسط ریز تولید کننده های سیلیکانی تولید شده است خیلی بیشتر می باشد . ( 14.41 s در مقابل 10.74 s و 10.28 s در مقابل 6.56 s ) ، که این هم احتمالاً به خاطر عایق بندی بهتر و شکاف های جرمی بیشتر در مقایسه با ریز تولید کننده های سیلیکانی است ( جدول 1 ) .

کاهش غیر خطی را می توان در منحنی نیروی مربوط به ریز تولید کننده های نیروی مبتنی بر سیلیکان را دید . علت اصلی احتمالاً ناپایداری سوخت جامد موجود در ریز تولید کننده ی نیرو است ، همانطور که در [13] بیان شده است . واکنش پویای احتراق به اختلال جریان یکی از دلایل برای ناپایداری احتراق است که آن هم به علت محترق کننده ی سیمی و شکاف احتراق در ریز تولید کننده ی نیرو مبتنی بر سیلیکان می باشد . ناپایداری احتراق به کارایی ریز تولید کننده ی نیرو و سخت افزار مضر است . به هر حال ناپایداری احتراق برای ریز تولید کننده نیرو که با تکنولوژی LTCC ساخته شده است رخ نمی دهد . علت آن هم این است که جای محترق کننده ی سیمی با فیلم نازک جاسازی شده در زیر لایه ی پایینی ریز تولید کننده ی LTCC تعویض شده است .

5- نتیجه گیری تکنولوژی LTCC برای اولین بار با موفقیت در طراحی و ساخت ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد قابل اعمال استفاده شد . سوخت جامد LTCC خیلی مزایای جالبی نسبت به ریز تولید کننده های سوخت جامد مبتنی بر سیلیکان دارد ، مانند در خور بودن زیاد برای ساخت انبوه و سطح یکپارچه سازی بسیار بالا ، کارایی بهتر و قابل اعتماد احتراق ، مشخصه های حرارتی قابل تنظیم و آزادی بیشتر در طراحی .امکان پذیری ریز تولید کننده ی نیروی سوخت جامد LTCC جدید با آزمایش میکرو احتراق و تست نیرو هم در سطح دریا و هم در خلاء مورد تأیید قرار گرفته است . تست های اولیه که با استفاده از سوخت جامد مبتنی بر باروت انجام می شود ،               از نقطه ی اوج نیرو را تولید کرده است و      از تپش کل در سطح دریا و    از نقطه ی اوج                  از تپش کل در خلاء ار تولید کرده است . ریز تولید کننده های نیروی سوخت جامد LTCC از ریز تولید کننده های سوخت جامد مبتنی بر سیلیکان با محترق کننده ی سیمی خیلی بهتر کار می کند .