压电堆驱动器具有控制精度高、位移与电压线性化程度好、响应快、输出力大以及功耗低等优点，适合用作微小型航天器上微推进系统中控制主阀的驱动。然而压电堆驱动器的输出位移很小，一般只有其长度的0.1%，选取满足体积要求的压电堆并采用其直接驱动时，阀芯的行程短，流量小（小于1500mL/min），不能满足微推进系统的要求（流量需达到3000mL/min）。为增大流量，压电阀门常采用位移放大机构；但位移放大机构的复杂性高，会减小压电堆的输出力，降低其响应频率和控制精度，不利于阀门的密封和动态性能。
在阀门的阀芯阀座处采用硬密封的方式，即阀芯阀座采用硬度相近的硬材料，接触处产生极小的弹塑性变形（小于1μm），在压电堆位移一定的情况下，能从一定程度上增加阀芯阀座开启间隙而增大流量。
但是传统加工的精度有限，不能使密封面的平面度和表面粗糙度小到足以满足硬密封的要求。MEMS工艺能在硅片上加工出极细微的结构，同时经抛光的硅片表面的平面度和表面粗糙度都极小（表面粗糙度小于0.3nm），能够实现硬密封。
本文采用MEMS工艺制作了硅片阀芯阀座，获得了很好的密封效果，高效地利用了压电堆的位移，得到了较大的流量，在不采用放大机构的情况下满足微推进系统的要求。同时在驱动机构部分设计了一种新型的柔性铰链机构，能实现阀门的常闭功能，保证了阀门的控制精度和较好的动态性能。
1 压电阀门结构设计
如图1所示，压电阀门主要由驱动机构部分和阀体部分组成，驱动机构部分主要由支架、压电堆、导向片、垫片、预紧螺钉、滑动钢珠和调节螺钉组成；阀体部分主要由上阀体、下阀体、阀芯、阀座、定位片、定位膜片、施力钢珠、密封膜片、保持环和调节环组成；驱动机构部分通过滚针给阀体部分的阀芯阀座施加密封预紧力。
图1 压电阀门结构示意
1.1 驱动机构部分设计
为使阀门具备较低的功耗，需设计其处于常闭状态.由于压电堆在通电状态下伸长，采用两个压电堆和“T”形架（如图1中所示）实现压电堆位移的转换，从而实现常闭。“T”形架通过柔性铰链与支架周边相连，柔性铰链对“T”形架起到定位和导向的作用。在加工工艺许可和保证柔性铰链能起到定位及导向作用的前提下，设计了柔性铰链的厚度，使其对“T”形架运动带来的阻碍作用减到可以忽略不计。“T”形架的水平部分与支架上部的柔性横梁形成“双弹簧”结构（见图1（b）），可同时对密封和压电堆预紧，避免出现中压电堆处于受拉的不利状态.整个支架为一体结构，主要通过慢走丝线切割加工而成。
1.2 阀体部分设计
1.2.1 硅片阀芯阀座
图2所示为设计制作的硅片阀芯阀座示意，其中阀芯上的密封环主要通过MEMS工艺制作而成，阀座的通孔通过激光打孔而成.实际密封时，使阀芯有密封环的一面与阀座接触，极大减小了阀芯阀座的接触面积，当施加一定的密封预紧力时，阀芯阀座的接触压强会很大，由于所采用的硅片平面度很高、粗糙度低（小于0.3nm），使密封环顶端产生弹塑性变形，与阀座形成密实接触，形成密封带从而实现密封。
对于硬密封，必须比压至少应为100MPa。根据对驱动机构部分所能施加的密封预紧力的理论分析，可估算知阀芯上密封环端面的总面积应不大于0.9×10-6m2。经合理分配密封环数量及各密封环的内径和宽度，确定阀芯上加工出10道密封环，每道密封环的宽度为5μm，高度为10μm，最内道的内径为2mm，其余各道内径向外依次递增0.3mm；阀座的通孔直径为1mm。实际加工后的阀芯的扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscopy，SEM）照片如图3所示.阀芯阀座制作后采用耐高温胶黏剂与阀门相关零件黏接。