CN104196650A

CN104196650A - 硅基mems阵列式推进器及其制备方法

Info

Publication number: CN104196650A
Application number: CN201410283064.7A
Authority: CN
Inventors: 谢建兵; 申强; 屈贝妮; 常洪龙; 苑伟政
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-06-23
Also published as: CN104196650B

Abstract

本发明公开了一种硅基MEMS阵列式推进器及其制备方法，属于微推进技术领域。该推进器主要包括分别位于硅片上、下表面的喷嘴阵列部分和电路部分；喷嘴阵列为硅片上表面内凹形成的空腔阵列组成，各喷嘴内填充油燃料；电路部分由硅片下表面溅射的点火电阻2阵列、点火导线3和焊盘4组成，各点火电阻2与各喷嘴1位置相对应。本发明同时公布了制备上述硅基MEMS阵列式推进器的无键合工艺方法。本发明的有益效果是：将喷嘴和点火电阻等集成在硅材料的上下表面，避免了原有MEMS推进器键合、组装等流程，极大地提高推进器的制作效率；同时避免因原有的玻璃层和点火电路的热膨胀系数不同导致地点火器断裂、失效问题，提高了成品率。

Description

硅基MEMS阵列式推进器及其制备方法

所属领域：

本发明涉及了一种硅基MEMS阵列式推进器及其制备方法，用于皮卫星的位置保持、姿态控制和轨道调整等，属于微推进技术和微机电系统(MEMS)领域。

背景技术：

推进系统是大多数航天器的关键子系统，主要用于航天器的位置保持、姿态控制、引力补偿和轨道调整等。随着微型航天器，如微卫星、纳卫星、皮卫星技术的不断成熟，若需要微型航天器完成某些特殊任务，如卫星编队飞行，则需要给这些微型航天器配备推进系统。由于传统的推进系统体积和质量都比较大，不能适用于微型航天器，因此迫切需求适合于微型卫星的高可靠性、低功耗、微推力、微冲量的微型推进系统。

基于MEMS技术的微型推进器在结构上对传统的推进器进行了改进，在工艺上结合了微纳米及微细加工技术，具有易实现小型化、集成化、低功耗等优点，因此成为微推进系统的重要研究方向。通常，MEMS推进器包括硅结构层和玻璃层，喷嘴结构在硅结构层上，采用湿法刻蚀工艺，利用硅和玻璃键合形成微型推进器。在键合过程中，由于玻璃层和点火电路的热膨胀系数不同，1000℃的键合温度极易使得玻璃层上的点火电阻断裂，导致点火器失效。

发明内容：

本发明的目的是：为克服现有微型推进器技术因键合温度过高导致的点火器断裂失效问题，本发明提出一种只用硅材料形成的MEMS阵列式推进器。

如图1、图2所示，本发明所采用的技术方案是：硅基MEMS阵列式推进器,主要包括分别位于硅片上、下表面的喷嘴阵列部分和电路部分；喷嘴阵列为硅片上表面内凹形成的空腔阵列组成，各喷嘴内填充油燃料；电路部分由硅片下表面溅射的点火电阻2阵列、点火导线3和焊盘4组成，所述点火电阻2通过点火导线3与焊盘4连接；各点火电阻2与各喷嘴1位置相对应；各喷嘴1底部，即内凹空腔的底部与下表面之间的距离为10-20微米。

更进一步的，所述点火电阻2由2根并联点火器构成；

更进一步的，所述电路部分材料为金。

工作时，通过焊盘4、点火导线3、给各点火电阻2通电，点火电阻2温度升高，再通过硅材料将热量传递至相应喷嘴内的燃料，热量达到燃料的点燃温度后，燃料点燃，喷嘴1内压强增大，气体通过喷嘴1喷出，产生推进效果。

参考图3，上述硅基MEMS阵列式推进器,采用无键合工艺制作，其制备过程包括如下步骤：

第一步，图3(a)所示，对普通硅片5进行清洗；在硅片5的上表面溅射铝7，金属铝7的厚度为400nm到550nm，再在铝7的表面涂光刻胶6、光刻胶6的厚度为200nm到800nm；

第二步，图3(b)所示，光刻、显影，去除光刻胶6，湿法刻蚀金属铝7；

第三步，图3(c)所示，ICP干法刻蚀硅片5，刻蚀深度400μm到480μm，在硅片5上表面得到喷嘴结构；

第四步，图3(d)所示，去除硅片5上表面的光刻胶6，再清洗硅片5，在硅5的下表面再涂光刻胶6，光刻胶6的厚度为300nm到700nm，光刻、显影，去除光刻胶，得到点火器图形；

第五步，图3(e)所示，在涂有光刻胶6的硅片5表面溅射金属薄膜8，金属薄膜8应具有良好的导电性能，如金属铜、铂，金等，金属薄膜8的厚度为100nm-300nm；

第六步，图3(f)所示，去除光刻胶，形成点火电阻2、点火导线3以及焊盘4。

本发明的有益效果是：将喷嘴和点火电阻等集成在硅材料的上下表面，避免了原有MEMS推进器键合、组装等流程，极大地提高推进器的制作效率；同时避免因原有的玻璃层和点火电路的热膨胀系数不同导致地点火器断裂、失效问题，提高了成品率。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明中的硅基MEMS阵列式推进器上层示意图；

图2是本发明中的硅基MEMS阵列式推进器下层示意图；

图3是硅基MEMS阵列式推进器无键合工艺制作过程示意图。

图中，1-喷嘴，2-点火电阻，3-点火导线，4-焊盘，5-硅片，6-光刻胶，7-金属铝，8-金属薄膜。

具体实施方式：

参阅图1-2，本实施例中的硅基MEMS阵列式推进器，包括喷嘴1、点火电阻2、点火导线3和焊盘4；硅基材料的厚度为500μm；所述推进器上表面内凹480μm形成喷嘴2；喷嘴2为直径1000μm的圆形；所述推进器下表面溅射有点火电阻2、点火导线3和焊盘4；点火电阻2由两根并联蛇形折叠状金属金薄膜电阻构成；金的宽度和厚度分别为50μm、300nm；各点火电阻2与各喷嘴1的位置相对应；点火电阻2连有点火导线3；点火导线3的宽度和厚度分别为100μm、300nm；点火导线3与焊盘4连接；焊盘4的面积和厚度分别为0.5mm²、300nm。

工作时，通过焊盘4、点火导线3、给点火电阻2通电，点火电阻2温度升高，再通过硅材料将热量传递至喷嘴里的燃料，与点火电阻2对应的硅材料的厚度为20μm，热量达到燃料的点燃温度，燃料为比例为60％：40％的史蒂芬酸铅和硝化棉，点燃温度为275℃，燃料点燃后，喷嘴1内压强增大，气体通过喷嘴1喷出，产生推进效果。

该实施例中微型固态化学推进器的制作流程为：

第一步，图3(a)所示，对普通硅片5进行清洗；在硅片5的上表面溅射金属铝7，金属铝7的厚度为450nm，再在铝3的表面涂光刻胶6、光刻胶6的厚度为300nm；

第二步，图3(b)所示，光刻、显影，去除光刻胶6，采用氢氟酸溶液刻蚀金属铝7；

第三步，图3(c)所示，ICP刻蚀硅片5，刻蚀深度480μm，在硅片5上表面得到喷嘴结构；

第四步，图3(d)所示，去除硅片5上表面的光刻胶6，再清洗硅片5，在硅5的下表面再涂光刻胶6，光刻胶6的厚度为350nm，光刻、显影，去除光刻胶，得到点火器图形；

第五步，图3(e)所示，在涂有光刻胶6的硅片5表面溅射,本实施例中金属薄膜8为金薄膜，金属薄膜8的厚度为200nm；

第六步，图3(f)所示，利用丙酮溶液去除光刻胶，形成点火电阻2、点火导线3以及焊盘4，在硅片5下表面得到点火器结构；最终得到阵列式推进器。

Claims

1.硅基MEMS阵列式推进器,其特征在于，主要包括分别位于硅片上、下表面的喷嘴阵列部分和电路部分；喷嘴阵列为硅片上表面内凹形成的空腔阵列组成，各喷嘴内填充油燃料；电路部分由硅片下表面溅射的点火电阻2阵列、点火导线3和焊盘4组成，所述点火电阻2通过点火导线3与焊盘4连接；各点火电阻2与各喷嘴1位置相对应。

2.如权利要求1所述的硅基MEMS阵列式推进器,其特征在于，所述喷嘴1底部，即内凹空腔的底部与下表面之间的距离为10-20微米。

3.如权利要求1所述的硅基MEMS阵列式推进器,其特征在于，所述点火电阻2由2根并联点火器构成。

4.如权利要求1所述的硅基MEMS阵列式推进器,其特征在于，所述电路部分材料为金。

5.如权利要求1-4之一所述的硅基MEMS阵列式推进器的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：

第一步，对普通硅片5进行清洗；在硅片5的上表面溅射铝7，再在铝7的表面涂光刻胶6；

第二步，光刻、显影，去除光刻胶6，湿法刻蚀金属铝7；

第三步，ICP干法刻蚀硅片5，在硅片5上表面得到喷嘴结构；

第四步，去除硅片5上表面的光刻胶6，再清洗硅片5，在硅5的下表面再涂光刻胶6，光刻、显影，去除光刻胶，得到点火器图形；

第五步，在涂有光刻胶6的硅片5表面溅射金属薄膜8；

第六步，去除光刻胶，形成点火电阻2、点火导线3以及焊盘4。