微纳卫星以成本低、体积小、质量轻、集成度高的特点,适合快速响应发射和星座组网,在未来航天发展中具有重要地位。另一方面,受到体积和功率的限制,大部分微纳卫星尚未配备推进系统,极大的限制了其在轨任务的多样性。为了满足微纳卫星执行包括姿态控制、轨道转移等姿轨控任务需求,毫牛级的微型化推进系统得到广泛关注和深入研究。但是,对于低功耗、推力达到10 m N、高集成度的适合微纳卫星编队飞行的微推进系统,目前在设计和应用中仍然存在较大困难。本文中,为满足微纳卫星编队飞行的任务需求,结合在微尺度加工的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）技术,从研究微通道内气泡断裂机理,微反应流两相不稳定性与高效反应,微通道高效薄膜加热和微尺度二维扩张喷管的优化设计四项关键技术出发,开展化-电一体微推进系统理论研究和工程实现。首先,对气泡断裂动力学模型和其在微通道气泡断裂中的适用范围及影响因素进行了研究。在气泡无约束断裂条件下,构建基于Laplace方程,广义Bernoulli方程和自由界面运动方程类Rayleigh-Plesset方程组气泡断裂动力学模型。随后,通过理论推导和在聚焦十字型微通道中气泡断裂实验分析,取得三个进步:（1）将气体惯性力引入方程,提高求解精度。（2）分析了液体惯性力,表面张力和液体粘性力在微通道中气泡断裂过程中的关系,确定了液体惯性力和表面张力为主导作用。（3）确定了微通道气泡断裂过程中,自由断裂阶段和液体挤压阶段的分界点,确定方程适用范围。其次,对微反应腔中过氧化氢两相催化反应效率及不稳定性抑制开展研究。对于过氧化氢分解反应中的问题——气泡附着催化剂导致反应效率降低,应用微通道气泡断裂的分析结果,利用液体惯性力对气泡断裂的主要作用,设计了两种高截面扁平比矩形微通道反应腔。同时为了抑制两相流不稳定性,在微通道内设计了四种不同的流柱构型。通过MEMS工艺将设计的反应腔和流柱加工并设计实验系统进行测试。对测试结果,采用基于小波变换的时频分析,研究了反应物流量和不同流柱构型对反应效率及流动稳定性的影响。揭示了入口反应腔中环形流和气泡-环形流切换的过程,并因其空隙率与临界压力的对应关系,获得了与反应物流量变化无关的稳定过氧化氢反应转化率。出口反应腔中,因其最高超过前人研究700%的反应转化率,成为至今反应转化率最高过氧化氢微通道反应腔,证明了设计的先进性。然后,对亚微米多层薄膜加热丝的多物理场耦合仿真和性能测试进行了研究。构建了耦合了结构力学场、固体传热场和薄膜电流场的亚微米薄膜加热丝仿真模型,在COMSOL中使用有限元仿真的方法用温度和应力分布对模型进行验证。根据最高温度和应力保证需求,确定了加热丝几何构型和钛衬底双层薄膜加热丝优化方案。通过MEMS工艺将优化设计的薄膜加热丝加工并设计实验系统进行测试。稳态性能上,薄膜加热丝在30V的输入电压下,能够达到557.2 K的最高温度,对比仿真结果加热丝最高温度值最大差值小于10%,平均差值小于5%,验证了多物理场耦合仿真准确有效。通过性能测试,充分说明经过优化设计的铝钛双层薄膜加热丝具有优秀的加热性能,能够满足微推进系统中的电加热需求。最后,对二维扩张MEMS微喷管仿真优化及微推力测试系统开展研究。通过一维等熵流动完成微喷管参数估算,结合MEMS工艺兼容性,完成喷管结构设计,并建立有限元仿真模型。在仿真中,利用线性逼近约束优化算法（COby LA）,以最优比冲为目标,得到二维扩张微喷管中最优扩张比及半扩张角。为解决高精度和高效率微推力测试问题,设计并搭建了基于高精度天平的微推力测试系统。相比C型扭摆微推力测试系统,基于高精度天平的微推力测试系统具有误差小和实验效率高的特点。对比实验和仿真的结果,提出了扩张摩擦面积为指标的微喷管优化方法,解决了扩张段参数耦合问题。利用该方法,优化出实验中最优半扩张角15°,扩张比6.22,与仿真优化结果十分接近。总之,论文对基于MEMS技术的化-电一体微推进系统中四项关键技术进行了深入的研究和工程测试,形成了各个分系统模型计算、仿真优化、样机加工和实验测试的研究方法。论文对于微推进系统设计和MEMS技术的应用均具有较大的意义。