专利名称：一种微尺度下放电点火特性的实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微内燃机领域内，微燃烧室及点火结构的设计和MEMS加工工艺，特别涉及一种微尺度下放电点火特性的实验装置，该装置是针对微尺度下研究点火、燃烧设计的，可应用到微内燃机系统中，也可用于其他微型机器的供能系统当中。
背景技术：
随着社会进步，在许多领域内，人们对设备功能系统提出了日益苛刻的要求，比如要求电源具有更高的能量密度，更长的工作时间，更小的环境污染等。特别是针对便携式电子产品中普遍采用的化学电池电源系统的固有缺点，人们迫切需要研发一种可以替代电池的新型电源动力系统。考虑到碳氢燃料在能量密度、环境污染、以及成本方面的优势，以碳氢燃料为源动力的微型内燃机系统、以及以这类内燃机为核心的微型发电系统被提出，并成为当前科研领域内的热点课题。
已有研究证明微内燃机所需的微尺度点火和燃烧与常规尺度下的点火燃烧具有很多不同之处，需要进行专门的实验研究。比如燃烧释放的热量和由此产生的功率输出是与体积成正比，然而散热和摩擦的损失是与表面积成正比的，而对微内燃机而言，由尺寸缩小带来的表/体面积急剧增大而产生的热量和摩擦的损失问题将变得十分显著。
微尺度下的点火与常规尺度下的点火不同之处在于常规尺度下的点火具有足够的反应空间和点火能量，可以轻易地实现燃料点燃及火焰传播，但在微小空间下，燃烧空间的制约、燃气驻留短暂和点火能量的损失，使点火更加困难。目前，人们对微小尺度下点火特性与机理了解很不充分，制约了微型内燃机中微型燃烧的进一步分析实验，以及整机可靠性的提高。综上所述，有必要设计针对性的实验装置，来进行微尺度内点火实验以及微型燃烧专项研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种微尺度下放电点火特性的实验装置，并给出该装置的燃烧室缸体、点火电极的制作方法。
为了实现上述目的，本发明主要提供如下技术方案一种微小尺度下放电点火实验装置，其特征在于，该装置包括燃烧室缸体，该燃烧室缸体由上、下两部份组成，燃烧室缸体内有微燃烧室，微燃烧室的水平剖面结构为正方形，尺寸为毫米量级，其中下部缸体设有对峙硅悬臂支撑梁，燃烧室缸体外围有燃烧室端盖和燃烧室底盖，燃烧室底盖包含进气、排气管路；点火电极，该点火电极位于微燃烧下缸体上的对峙硅悬臂支撑梁上，点火电极的尖端放电对峙布置并对准；进排气基座台，它位于燃烧室底盖下方，其进排气孔和燃烧室底盖上的进排气孔连通。
采用本发明所设计的微小尺度点火装置，可针对燃烧室容积、电极间隙、环境温度、点火电压、燃气组分、初始燃气压力等多个变量进行点火实验分析。该装置结构简单可靠，并采用单晶硅为主体结构材料，用MEMS工艺加工得到，在结构形式，以及点火方式上适合与当前主要的MEMS微型内燃机燃烧存在很大相似性，可以部分模拟微型内燃机燃烧室内况。该结构既可以用于研究燃料微小尺度空间内的点火和燃烧特性，也可作为微型碳氢燃料内燃机点火系统的一种可靠、有效方案。
图1是本发明设计的微尺度下放电点火特性研究装置的结构示意图，图中标号分别表示，1、燃烧室端盖，2、燃烧室上部缸体，3、放电电极，4、燃烧室下部缸体，5、燃烧室底盖，6、进排气基座台。
其中图(b)是图(a)的A-A方向剖面图，表明了微燃烧室缸体型线，图(c)是图(a)的B-B方向剖面图，表明点火电极所在的位置及结构。
图2是微燃烧室及其内置点火电极的加工工艺流程。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例方式
本发明所设计的微尺度下放电点火特性的实验装置，采用微型电子机械系统(MEMS)工艺进行加工，通过火花放电方式点燃微燃烧室内的燃气。
微尺度下放电点火特性的实验装置如图1所示。其结构包括燃烧室缸体，燃烧室缸体内有微燃烧室，在微燃烧室腔体内有对峙悬臂梁式点火电极、进排气通道等MEMS硅微结构以及进排气基座台。点火电极结构为对峙的硅悬臂梁支撑的尖端对准电极，电极间隙10微米～100微米之间。
微燃烧室腔体高度1mm，水平截面是边长为毫米量级的正方形，该尺寸特征涵盖当前主流的微内燃机燃烧室的腔体尺寸范围；制作过程采用MEMS体硅加工工艺。
该实验装置由5层结构构成。第一层即顶部端盖1，选择耐热玻璃制备，第二层为燃烧室缸体上部分，采用单晶硅作为基底，双面对准工艺和湿法刻蚀加工成正方形通孔。第三层为具有对峙悬臂梁支撑电极结构的点火电极，其材料采用Au，由剥离工艺制备在燃烧室缸体下部分的单晶硅悬臂梁上。第四层是包含进气排气通道的燃烧室底部端盖，通过双面对准和湿法刻蚀工艺得到。前四层结构胶结组装。第5层为进排气基座台，采用A3钢制作。微燃烧室与进排气基座台采用外力压紧的方法进行管路的密封连接。
顶部端盖1用来密封以及观察点火情况。燃烧室缸体内的矩形空腔构成微燃烧室(燃烧室缸体采用两个具有相同尺寸的矩形通孔的硅片结构对准后，共同构成微燃烧室的主体)，燃烧室缸体下部分4上部制备有支撑点火电极3的对峙硅悬臂梁。燃烧室底盖5包含进气、排气管路。进排气基座台6用来连接燃气源，及废气排放。
燃烧室缸体为上下两部分(图中的标号3、4)构成，其中有微燃烧室，其截面形状为正方形，如图1中的图(b)所示。
点火电极通过剥离工艺制备在硅悬臂梁，形成具有一定间隙的对峙电极，如图1中的图(c)所示。
燃气通过进气管路进入微燃烧室，外界电路提供能量使尖端对准的两电极产生火花放电，气体被击穿后产生的放电能量点燃燃烧室内的燃气，燃烧结束后产生的废气，通过排气管路释放出去。
点火电极3及燃烧室缸体下部分4上的支撑悬臂梁的加工工艺流程如图2所示。首先对硅片进行氮化硅淀积(图a)；然后进行燃烧室缸体下部4的背面加工，刻蚀硅片背面微燃烧室腔体，同时确定刻蚀硅悬臂梁定位基准，为正面图形提供对准基准(图b)；接下来涂胶、光刻后得到点火电极图形(图c)；沉淀金属Au，采用剥离工艺得到点火电极(图d、e)；再次涂胶，采用光刻工艺得到悬臂梁图形(图f)；最后采用双面刻蚀工艺得到所设计电极及硅悬臂梁的结构(图g)。
采用本发明所设计的微小尺度下放电点火特性研究装置的微燃烧室及内置点火结构，其具有下列特点(1)、多层平面结构，适合于微型电子机械系统(MEMS)机械加工。
(2)、燃烧室结构简单，大大降低了微加工难度和成本。
(3)、对峙悬臂梁及上电极，采用微型电子机械系统(MEMS)工艺制作，与燃烧室在同一片硅片上实现，降低了装配及封装的难度。
(4)、本装置的可以研究的目标参数较多，可深入进行微燃烧研究，为以后的点火实验奠定了基础。
权利要求
1.一种微尺度下放电点火特性的实验装置，其特征在于，该装置包括燃烧室缸体，该燃烧室缸体由上、下两部份组成，燃烧室缸体内有微燃烧室，微燃烧室的水平剖面结构为正方形，尺寸为毫米量级，其中燃烧室下部缸体设有对峙硅悬臂支撑梁，燃烧室缸体外围有燃烧室端盖和燃烧室底盖，燃烧室底盖包含进气、排气管路；点火电极，该点火电极位于微燃烧下缸体上的对峙硅悬臂支撑梁上，点火电极的尖端放电对峙布置并对准；进排气基座台，它位于燃烧室底盖下方，其中有进排气孔，进排气孔和燃烧室底盖上的进排气孔连通。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的燃烧室缸体材料选自单晶硅片，采用深刻蚀进行成型。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的点火电极宽度和厚度在微米量级，其材料选自Au。
4.如权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述的点火电极之间的间隙距离为10um～100um。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的燃烧室下部缸体的对峙硅悬臂梁长度为毫米级，厚度为微米级。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，燃烧室端盖采用耐热玻璃。
全文摘要
本发明公开了一种新型的微小尺度下放电点火实验装置，涉及微型内燃机点火及微燃烧的实验研究。该发明针对微内燃机燃烧室腔体尺寸特征和放电点火形式设计了实验装置的关键部件硅微燃烧室及内置放电点火结构。该实验装置主要由燃烧室腔体、对峙悬臂梁放电电极、进排气通道、基座固定台等结构组成，主要结构采用MEMS硅微加工技术制作。该发明具有结构合理、制作简单、操作方便、研究目标参数多等优点，为微小空间放电点火特性实验研究提供了一种通用装置，也为以微型内燃机为代表的便携式微型高能电源组的真正微型化，实用化提供技术支持。
文档编号F02P17/12GK1693698SQ20051004270
公开日2005年11月9日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者蒋庄德, 卢德江, 王琛英 申请人:西安交通大学