CN103511125B - 电阻置顶型微推进器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻置顶型微推进器及其制备方法，属于微推进技术和微机电系统(MEMS)领域。该微推进器点火电阻（7）由多组电阻丝组成，且电阻丝宽度与电阻丝长度设计成一定比例，以调整燃料燃烧行为，利于燃料充分燃烧；喷嘴（4）为中间收缩两端扩张的类laval结构，能够改善气流流动方式，有效提高燃料能量利用率；点火电阻（7）位于喷嘴（4）周围，其在填药、组装等时不易被破坏。本发明提出的电阻置顶型微推进器的制备方法易于实现器件加工稳定性和一致性；易于实现批量加工。

Description

电阻置顶型微推进器及其制备方法

技术领域

本发明涉及了一种电阻置顶型微推进器及其制备方法，属于微推进技术和微机电系统(MEMS)领域。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)的发展，现代卫星发展日趋小型化、微型化，并且出现了微卫星、纳卫星和皮卫星。微推进器是满足上述微小型航天器推进要求的动力系统，用于微小卫星等微小型航天器的位置保持、姿态控制、轨道调整和机动、引力补偿等。

目前基于MEMS技术的微推进器有多种结构类型，其中具有喷嘴-燃烧室-密封层的类似三明治结构的微推进器是研究的一个热点。这种推进器又分为电阻置底型和电阻置顶型，电阻置底型微推进器是指将点火电阻置于燃烧室底部，电阻置顶型微推进器是指将点火电阻置于燃烧室顶部。相对于电阻置底型微推进器，电阻置顶型微推进器能改善燃烧方式，利于燃料能量利用。南京理工大学余协正在其硕士论文“MEMS固体化学微推进阵列的设计、制作及其性能研究”中提出一种将点火电阻置顶型微推进器的结构设计，参阅图3，该微推进器包括上层结构体1、中间结构体2和下层结构体3；所述上层结构体1中心位置厚度方向存在具有扩张结构的喷嘴4，该喷嘴底部存在喷嘴薄膜13，喷嘴薄膜13上有点火电阻7，点火电阻7与上转接电极6相连；中间结构层2内部有燃烧室10，上表面有下转接电极9、导线11和打线点12；下层结构体3用于封闭燃烧室10；该推进器上层结构体1材料为PCB板，中间结构体2材料为硅，二者通过银浆粘接。这种推进器的喷嘴为扩张形状，气流速度很难达到声速，无法充分利用燃料能量，造成能量损失，同时在加工过程中承载点火电阻薄膜的厚度是由湿法刻蚀时间、 搅拌速度等决定的，导致喷嘴薄膜厚度难控制，既可能造成喷嘴薄膜过薄甚至消失，使点火电阻易在填药、组装等时被破坏，又可能造成喷嘴薄膜过厚，器件不工作甚至炸裂，存在器件性能不稳定的缺点，同时由于上层结构体1材料为PCB板与MEMS工艺不兼容，且与中间结构体2手工涂抹银浆粘接，器件粘接一致性较差。

发明内容

为克服现有电阻置顶型微推进器技术中由于喷嘴导致燃料能量利用率低、喷嘴薄膜厚度难控制导致器件性能不稳定以及与MEMS工艺不兼容的缺点，本发明提出一种在类laval结构喷嘴周围布置点火电阻的微型推进器。

本发明提出的电阻置顶型微推进器，依次包括上层结构体1、中间结构体2和下层结构体3；其特征在于：所述上层结构体1、中间结构体2均为硅材料；所述上层结构体1中心位置厚度方向上有中间收缩两端扩张的类laval结构的喷嘴4，所述上层结构体1下表面绕喷嘴周围分布点火电阻7，点火电阻7两端与两个上转接电极6相连，两个转接电极6外边缘各分布一个打线槽5；中间结构层2内部有填充药品17的燃烧室10，燃烧室10两端有配合槽8，配合槽8用于上转接电极6与其内部的下转接电极9欧姆接触形成联通电路；下转接电极9一部分与上转接电极6欧姆接触，另外部分通过打线槽5露出，用于打线；下层结构体3用于封闭燃烧室10。通常，点火电阻7设计成多组环形电阻丝组成。

工作时，通过下转接电极9和上转接电极6使电流通过点火电阻7，点火电阻7温度升高，达到燃烧室10内填充药品17的点燃温度，燃料点燃，燃烧室10内压强增大，气体通过喷嘴4喷出，产生推进效果。

所述电阻置顶型微推进器的制备方法，包括如下步骤：

第一步，参阅图1(a)，对单晶硅片清洗、上表面溅射金属铬并图形化，形成点火 电阻7，得到上层结构体1；

第二步，参阅图1(b)，对上层结构体1上表面溅射金属金并图形化，得到上转接电极6；

第三步，参阅图1(c)，对上层结构体1两面沉积氮化硅并图形化，得到中间有方形开口的氮化硅掩膜14；

第四步，参阅图1(d)，对上层结构体1上表面溅射金属铝并图形化，得到两端有长方形开口的金属铝掩膜15；

第五步，参阅图1(e)，以氮化硅掩膜14作为掩模对上层结构体1进行ICP刻蚀，直至刻透，并去除金属铝掩膜15；

第六步，参阅图1(f)，对上层结构体1湿法刻蚀单晶硅，形成类laval结构喷嘴4；

第七步，参阅图1(g)，去除上层结构体1上的氮化硅掩膜14完成上层结构体1加工。

第八步，参阅图1(h)，对单晶硅片制作光刻胶掩膜并ICP刻蚀，形成配合槽8，得到中间结构体2；

第九步，参阅图1(i)，对中间结构体2上表面配合槽8位置处溅射金属金并图形化，形成下转接电极9；

第十步，参阅图1(j)，对中间结构体2上表面溅射金属铝并图形化，得到中间开有方形窗口的燃烧室掩膜16；

第十一步，参阅图1(k)，以燃烧室掩膜16为掩模对中间结构体1进行ICP刻蚀，直至刻透，得到燃烧室10；

第十二步，参阅图1(l)，将上层结构体1上表面与中间结构体2上表面进行硅硅键合；

第十三步，参阅图1(m)，填充药品17并通过粘接剂将下层结构体3与中间结构 体2贴合面粘接，将燃烧室密封。

本发明的有益效果是：

本发明提出的电阻置顶型微推进器，其点火电阻7由多组电阻丝组成，且电阻丝宽度与电阻丝长度设计成一定比例，以调整燃料燃烧行为，利于燃料充分燃烧；喷嘴4为中间收缩两端扩张的类laval结构，能够改善气流流动方式，有效提高燃料能量利用率；点火电阻7位于喷嘴4周围，其在填药、组装等时不易被破坏。

本发明提出的电阻置顶型微推进器的制备方法使推进器喷嘴加工过程中对刻蚀时间、搅拌速度等参数敏感度大大降低，易于实现器件加工稳定性和一致性；同时该推进器上层结构体1和中间结构体2皆为硅材料，与MEMS兼容，且二者通过硅硅键合粘接，易于保证加工效果以及实现批量加工。

附图说明

图1是实施例中电阻置顶型微推进器制备方法示意图。

图2(a)是实施例中电阻置顶型微推进器示意图。

图2(b)是实施例中电阻置顶型微推进器剖视图。

图2(c)是实施例中电阻置顶型微推进器点火电阻示意图。

图3(a)是现有技术中电阻置顶型微推进器示意图。

图3(b)是现有技术中电阻置顶型微推进器剖视图。

图中，1-上层结构体，2-中间结构体，3-下层结构体，4-喷嘴，5-打线槽，6-上转接电极，7-点火电阻，8-配合槽，9-下转接电极，10-燃烧室，11-点火导线，12-打线点，13-喷嘴薄膜，14-氮化硅掩膜，15-金属铝掩膜，16-燃烧室掩膜，17-药品。

具体实施方式

本实施例中给出了一种如图2所示的电阻置顶型微推进器，该推进器包括厚 度为500μm的上层结构体1，材料为单晶硅；厚度为1000μm的中间结构体2，材料为单晶硅；厚度为500μm的下层结构体3，材料为耐热玻璃；其特征在于：所述上层结构体1中间存在中间收缩两端扩张类laval结构的喷嘴4，喷嘴4两端扩张最大处为500μm*500μm的方形，中间收缩最小处为150μm*150μm的方形，该喷嘴周围分布厚度为300nm的点火电阻7，点火电阻7与厚度为300nm的上转接电极6相连；点火电阻7由6条环形电阻丝组成，且外环电阻丝长度与宽度比值为20，中间电阻丝长度与宽度比值为18，内环电阻丝长度与宽度比值为16，以调整电阻丝产生的热量，改善燃料燃烧行为；中间结构层2内部有1000μm*1000μm方形燃烧室10，燃烧室10两端有深度为500μm的配合槽8，配合槽8用于上转接电极6与其内部厚度为300nm的下转接电极9欧姆接触形成联通电路；下转接电极9一部分与上转接电极6欧姆接触，另外部分通过打线槽5露出，用于打线；下层结构体3用于封闭燃烧室10。

工作时，通过下转接电极9和上转接电极6使电流通过点火电阻7，点火电阻7温度升高，达到燃烧室10内燃料的点燃温度，燃料点燃，燃烧室10内压强增大，气体通过喷嘴4喷出，产生推进效果。

所述电阻置顶型微推进器制备方法，包括如下步骤：

第一步，参阅图1(a)，对单晶硅片清洗、溅射厚度300nm的金属铬并图形化，形成点火电阻7，并得到上层结构体1；

第二步，参阅图1(b)，对上层结构体1溅射厚度为300nm的金属金并图形化，得到上转接电极6；

第三步，参阅图1(c)，对上层结构体1沉积氮化硅并图形化，得到中间有500μm*500μm方形开口的氮化硅掩膜14；

第四步，参阅图1(d)，对上层结构体1溅射厚度300nm的金属铝并图形化，得到 两端有长方形开口的金属铝掩膜15；

第五步，参阅图1(e)，对上层结构体1进行ICP刻蚀，直至刻透，并去除金属铝掩膜；

第六步，参阅图1(f)，对上层结构体1湿法刻蚀单晶硅，形成类laval结构喷嘴4；

第七步，参阅图1(g)，去除上层结构体1上的氮化硅掩膜，完成上层结构体1加工。

第八步，参阅图2(a)，对单晶硅片制作光刻胶掩膜并ICP刻蚀，刻蚀深度为500nm，形成配合槽8，得到中间结构体2；

第九步，参阅图2(b)，对中间结构体上表面溅射厚度为300nm的金属金并图形化，形成下转接电极9；

第十步，参阅图2(c)，对中间结构体上表面溅射厚度为300nm的金属铝并图形化，得到中间开有1000μm*1000μm方形窗口的燃烧室掩膜16；

第十一步，对中间结构体1进行ICP刻蚀，直至刻透，得到燃烧室10；

第十二步，参阅图3(a)，将上层结构体1下表面与中间结构体2上表面进行硅硅键合；

第十三步，参阅图3(b)，填充药品17并通过粘接剂用下层结构体3将燃烧室密封。

Claims (3)

1.电阻置顶型微推进器，依次包括上层结构体(1)、中间结构体(2)和下层结构体(3)；其特征在于：所述上层结构体(1)、中间结构体(2)均为硅材料；上层结构体(1)厚度方向上有中间收缩两端扩张的类laval结构的喷嘴(4)，所述上层结构体(1)下表面绕喷嘴周围分布点火电阻(7)，点火电阻(7)两端与两个上转接电极(6)相连，两个上转接电极(6)外边缘各分布一个打线槽(5)；中间结构层(2)内部有填充药品(17)的燃烧室(10)，燃烧室(10)两端有配合槽(8)，下转接电极(9)位于配合槽(8)内部，下转接电极(9)一部分与上转接电极(6)欧姆接触形成联通电路，另外部分通过打线槽(5)露出，用于打线；下层结构体(3)用于封闭燃烧室(10)。

2.如权利要求1所述的电阻置顶型微推进器，其特征在于，所述点火电阻(7)由多组环状电阻丝组成。

3.一种如权利要求1所述的电阻置顶型微推进器的制备方法，包括如下步骤：

第一步，对单晶硅片清洗、上表面溅射金属铬并图形化，形成点火电阻(7)，得到上层结构体(1)；

第二步，对上层结构体(1)上表面溅射金属金并图形化，得到上转接电极(6)；

第三步，对上层结构体(1)两面沉积氮化硅并图形化，得到中间有方形开口的氮化硅掩膜(14)；

第四步，对上层结构体(1)上表面溅射金属铝并图形化，得到两端有长方形开口的金属铝掩膜(15)；

第五步，以氮化硅掩膜(14)作为掩模对上层结构体(1)进行ICP刻蚀，直至刻透，并去除金属铝掩膜(15)；

第六步，对上层结构体(1)湿法刻蚀单晶硅，形成类laval结构喷嘴(4)；

第七步，去除上层结构体(1)上的氮化硅掩膜(14)，完成上层结构体(1)加工；

第八步，对单晶硅片制作光刻胶掩膜并ICP刻蚀，形成配合槽(8)，得到中间结构体(2)；

第九步，对中间结构体(2)上表面配合槽(8)位置处溅射金属金并图形化，形成下转接电极(9)；

第十步，对中间结构体(2)上表面溅射金属铝并图形化，得到中间开有方形窗口的燃烧室掩膜(16)；

第十一步，以燃烧室掩膜(16)为掩模对中间结构体(1)进行ICP刻蚀，直至刻透，得到燃烧室(10)；

第十二步，将上层结构体(1)上表面与中间结构体(2)上表面进行硅硅键合；

第十三步，填充药品(17)并通过粘接剂将下层结构体(3)与中间结构体(2)贴合面粘接，将燃烧室密封。