CN101539127B

CN101539127B - 微型阵列式胶体推进器

Info

Publication number: CN101539127B
Application number: CN2009100741953A
Authority: CN
Inventors: 熊继军; 张国军; 张文栋; 寇丽丽; 薛晨阳
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: CN101539127A

Abstract

本发明涉及微胶体推进器，具体是一种基于MEMS技术的微型阵列式胶体推进器。实现了胶体推进器的微型化、微推力，解决了喷射极喷头供液、喷射控制不易等问题，包括喷射极、抽取极、玻璃支撑框体，喷射极的基板上刻蚀有若干按列设置的管状喷头，喷射极的基板上刻蚀有若干相互平行的条状刻蚀槽，条状刻蚀槽内仅设置一列管状喷头，各刻蚀槽槽底及其内管状喷头顶部溅射有铝层，各刻蚀槽一端分别设有与其槽底铝层连通的接线柱，管状喷头输液通道内采用HF刻蚀工艺加工为多孔硅结构；抽取极为栅栏状，其条形栅缝与喷射极的刻蚀槽正对设置。具有性能稳定、对准精度高、便于加工、供液喷射易于控制等优点，能实现分批控制喷头喷射的目的。

Description

微型阵列式胶体推进器

技术领域

本发明涉及微胶体推进器，具体是一种基于MEMS技术的微型阵列式胶体推进器。

背景技术

随着航天技术、深空探测、月球软着陆技术的发展，一方面要求微纳卫星微小化，即减小占微纳卫星很大比重的推进器的体积和重量；另一方面要求推进器可以提供微牛级推力，从而实现精确定位。

如图1所示，现有微胶体推进器应用电喷原理将电能转化为动能，推进器包含喷射极和抽取极，以强极性液体作为工质，在喷射极和抽取极之间加设高电压，高电压在喷射极顶端处形成的诱导强极性液体工质12的高场强荷电，强极性液体工质12在喷射极的喷头13处形成棱台CONE，当喷射极喷头13处棱台CONE的电应力超过表面张力时，液体工质12棱台CONE失稳，破裂，形成带电的液滴，并经高场强加速后，从抽取极14中间的空隙15中喷出，形成推力。其中，现有喷射极喷头13的设计有针型与管状两种：针型喷头，液体沿针型喷头的外表面流动，供液不易控制，很容易漫过喷头，即使供液极好，在喷射的过程中由于液体的不断喷出，很难判断供液量；管状喷头，在已有的阵列式推进器设计当中，单独控制喷头喷射是在抽取极上是否施加电压来控制的，并采用集中供液，在一部分喷头喷射的过程中，其它喷头由于供液，液体工质会沿未施加电压的喷头流出，并聚在喷头上，易导致击穿。另外，目前喷射极与抽取极的对准方法选用手工对准，对准精度低，会影响喷射极的喷射效率，在推进器的尺寸用微米来衡量时，手工对准也就失去了意义。而且现有微胶体推进器未能实现单组喷头的喷射控制。

随着MEMS(Micro Electrical Mechanical System)技术的出现，为微纳卫星推进器的微小化研究及微推力研究提供了一种新的可能。一方面，MEMS技术可以使微纳卫星推进系统本身的尺寸成几何级数的减小，达到微小化目的，同时得到理想的微牛秒级脉冲冲量；另一方面，MEMS技术还为微纳卫星与推进系统实现最终的一体化和集成化设计及制造提供了可能性。

发明内容

本发明为了实现胶体推进器的微型化、微推力，同时解决喷射极喷头供液、喷射控制不易等问题，提供了一种基于MEMS技术的微型阵列式胶体推进器。

本发明是采用如下技术方案实现的：微型阵列式胶体推进器，包括采用ICP刻蚀工艺加工高阻单晶硅基板制成的喷射极和抽取极，以及置于喷射极和抽取极之间、并与两极键合的玻璃支撑框体(即中间极)，喷射极的高阻单晶硅基板上刻蚀有若干管状喷头，且喷射极刻蚀有管状喷头的一面面向抽取极，管状喷头的输液通道垂直贯穿高阻单晶硅基板，喷射极上的管状喷头按列设置，喷射极的高阻单晶硅基板上刻蚀有若干相互平行的条状刻蚀槽，且条状刻蚀槽内仅设置一列管状喷头(即相邻两列管状喷头之间隔有条状半导体硅脊)，各刻蚀槽的槽底及其内管状喷头的顶部溅射有铝层，且各刻蚀槽的一端分别设有与其槽底铝层连通的接线柱，管状喷头的输液通道内采用HF刻蚀工艺加工为多孔硅结构；抽取极为栅栏状，其条形栅缝与喷射极刻蚀槽内的管状喷头正对设置。

为了实现推进器的最大化集成，管状喷头之间互不影响、干扰，管状喷头的高度与其外直径相同；相邻管状喷头的间距为管状喷头外直径的7～10倍，而管状喷头的内、外直径根据设计指标与MEMS加工工艺共同确定。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：1、由于采用了单列管状喷头与刻蚀槽一一对应的设置结构，在将与各刻蚀槽对应的接线柱分别与外电路供电相连后，刻蚀槽槽底及喷头顶部的铝层使得每一刻蚀槽及其内管状喷头列成为相对独立的喷射极单元，可以同时或个别列单独供电，并限制相邻喷头之间的距离，避免管状喷头之间的影响和干扰，最终实现了单独控制任何一列管状喷头喷射的目的；该结果的实现主要依据了喷头间距与槽间条状半导体硅脊的电学特性，如图6所示，以喷射极上的三列管状喷头为例进行仿真分析，在边上的两列管状喷头上施加电压，中间列不加电压，绘制三列管状喷头处的电压仿真等值线图，如图7所示，可知中间未施加电压的喷头列与两边施加有电压的喷头列表面的电压值相差悬殊，中间喷头列不能达到喷射要求；同时沿图6中的黑色路径(即从条状半导体硅脊左侧a点到喷头中心b点)绘制电压曲线图，如图7所示，分析黑色路径从左至右的电压值可知，如边上的两列管状喷头喷射所需电压为2000V，相邻未加压喷头列的电压则处于300V-820V的范围内，如图8，达不到喷射要求，皆表明了任何列管状喷头喷射时的电压不会对其相邻列未加设高电压的管状喷头造成干扰，即任何列管状喷头喷射时的电压不足以使其相邻列未加设高电压的管状喷头喷射；因此，满足了单独控制任一列喷头喷射或任几列喷头同时喷射的要求，扩大了推进器的推力范围。

2、在管状喷头输液通道内采用多孔硅结构，制作的毛细管内径在微米数量级，将毛细管的内径用多孔硅代替，多孔硅内直径在2～20nm之间，因此液体附着力不可忽落，这样，在满足喷射极供液的前提下，液体工质在微型泵的供液压力与多孔硅毛细作用力作用下运动到喷头顶端，但液体工质到顶端后又由于液体工质与多孔硅的附着力相互作用防止液体工质向外流出，抵消了微型泵的供液压力，液体工质不会从喷头中溢出。因此，避免了在单独控制任一列或任几列喷头的过程中，由于集中供液，未施加电压的其余列喷头内的液体工质由喷头流出聚积，而导致喷射极与抽取极相连击穿的情况出现。

3、喷射极、抽取极与中间极之间采用硅工艺的双面键和技术，对准精度高，误差在正负五微米的范围。

4、抽取极为栅栏状，满足了抽取极施加电场的均匀性，为与喷射极对准提供了宽松的环境。

本发明结构合理，具有性能稳定、对准精度高、便于加工、供液喷射易于控制等优点，能实现分批控制喷头喷射的目的。

附图说明

图1为微胶体推进器的结构原理图；

图2为本发明所述微型阵列式胶体推进器的组装示意图；

图3为本发明所述微型阵列式胶体推进器的结构示意图；

图4为喷射极的结构示意图；

图5为本发明的结构剖视图；

图6为以喷射极上的三列管状喷头为例的仿真模型；

图7为图6的电压仿真等值线图；

图8为图6中沿黑色路径的电压曲线图；

图中：1-喷射极；2-抽取极；3-玻璃支撑框体；4-高阻单晶硅基板；5-管状喷头；6-输液通道；7-刻蚀槽；8-条状半导体硅脊；9-铝层；10-接线柱；11-条形栅缝；12-液体工质；13-喷射极喷头；14-抽取极；15-空隙。

具体实施方式

微型阵列式胶体推进器，包括采用ICP刻蚀工艺加工高阻单晶硅基板制成的喷射极1和抽取极2，以及置于喷射极1和抽取极2之间、并与两极键合的玻璃支撑框体3(即中间极)，喷射极1的高阻单晶硅基板4上刻蚀有若干管状喷头5，且喷射极1刻蚀有管状喷头5的一面面向抽取极2，管状喷头5的输液通道6垂直贯穿高阻单晶硅基板4，喷射极1上的管状喷头5按列设置，喷射极1的高阻单晶硅基板4上刻蚀有若干相互平行的条状刻蚀槽7，且条状刻蚀槽7内仅设置一列管状喷头5(即相邻两列管状喷头之间隔留有条状半导体硅脊8)，各刻蚀槽7的槽底及其内管状喷头5的顶部溅射有铝层9，且各刻蚀槽7的一端分别设有与其槽底铝层9连通的接线柱10，管状喷头5的输液通道6内采用HF刻蚀工艺加工为多孔硅结构；抽取极2为栅栏状，其条形栅缝11与喷射极1刻蚀槽7内的管状喷头5正对设置。管状喷头5的内、外直径由设计指标与MEMS加工工艺确定，管状喷头5的高度与其外直径相同；相邻管状喷头5的间距为管状喷头5外直径的7～10倍。

具体实施时，作为中间极的玻璃支撑框体3采用以机加工钻孔的派热克斯玻璃，该玻璃可以绝缘几千伏的电压，电流泄露不超出10nA，而机加工钻孔不会改变玻璃的物理性能参数；为便于集成制作，喷射极1和抽取极2选用方形设计形状；管状喷头5的个数根据实际设计的需求，可增减。由于本发明中喷射极1与抽取极2的高度集成，限制了本发明操作使用方法，即在使用的过程中，最好先施加电压，将电压施加到工作电压后，再供给液体工质；如果违反操作规程，先供给液体工质，如果微泵压力过量程工作，液体工质无处排出，会导致液体工质由喷射极的喷头流出，留在喷射极与抽取极之间，而导致击穿。

Claims

1.一种微型阵列式胶体推进器，包括采用ICP刻蚀工艺加工高阻单晶硅基板制成的喷射极（1）和抽取极（2），以及置于喷射极（1）和抽取极（2）之间、并与两极键合的玻璃支撑框体（3），喷射极（1）的高阻单晶硅基板（4）上刻蚀有若干管状喷头（5），且喷射极（1）刻蚀有管状喷头（5）的一面面向抽取极（2），管状喷头（5）的输液通道（6）垂直贯穿高阻单晶硅基板（4），其特征在于：喷射极（1）上的管状喷头（5）按列设置，喷射极（1）的高阻单晶硅基板（4）上刻蚀有若干相互平行的条状刻蚀槽（7），且条状刻蚀槽（7）内仅设置一列管状喷头（5），各刻蚀槽（7）的槽底及各刻蚀槽（7）内管状喷头（5）的顶部溅射有铝层（9），且各刻蚀槽（7）的一端分别设有与各刻蚀槽（7）槽底铝层（9）连通的接线柱（10），管状喷头（5）的输液通道（6）内采用HF刻蚀工艺加工为多孔硅结构；抽取极（2）为栅栏状，抽取极（2）的条形栅缝（11）与喷射极（1）刻蚀槽（7）内的管状喷头（5）正对设置。

2.根据权利要求1所述的微型阵列式胶体推进器，其特征在于：管状喷头（5）的高度与管状喷头（5）的外直径相同；相邻管状喷头（5）的间距为管状喷头（5）外直径的7～10倍。