CN104986357B - 一种硅基自密封式微推进器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基自密封式微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。该推进器主要包括位于SOI硅片器件层的喷嘴阵列部分和衬底层的燃烧室阵列部分、玻璃片上表面的点火器阵列部分，喷嘴阵列部分是在SOI硅片的器件层部分利用湿法腐蚀形成的；燃烧室阵列部分是在SOI硅片的衬底层利用干法刻蚀形成的空腔阵列组成的，各空腔内填充固体推进剂；点火器阵列部分由玻璃上表面溅射的点火电阻阵列、点火导线和焊盘组成，各点火电阻阵列与各燃烧室阵列位置相对应。本发明的有益效果是：将燃烧室14密封在SOI硅片埋氧层10和玻璃片9之间，有效防止其受潮、推进剂脱落或者其他外界影响，提高了点火的成功率。

Description

一种硅基自密封式微推进器及其制备方法

技术领域：

本发明涉及了一种硅基自密封式微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，Micro-Electro-Mechanical System)领域。

背景技术：

推进系统是如今大部分航天器的关键子系统，除发射用的运载火箭以外，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。近些年，现代小卫星已经成为当前航天技术发展的重要方向之一。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、微推力、低功耗、微冲量的微型推进系统。

基于MEMS技术的微型固体推进器在结构上对传统的推进器进行了改进，在工艺上结合了微细加工技术，具有易实现集成化、小型化、低功耗等优点，因此成为微推进系统的重要研究方向。清华大学研制的一种微型固体推进器结构，参阅图4，包括喷嘴，燃烧室和点火器阵列部分，燃烧室与空气相通，会受到外部环境的影响，导致火药泄露、受潮等问题，影响点火成功率；同时由于其采用硅－硅－玻璃三明治结构，喷嘴阵列部分和燃烧室阵列部分采用硅，通过环氧树脂粘接，推进剂燃烧时压力太大气体可能会从粘接处逸出，影响推进效果。

发明内容：

本发明的目的是：提出一种用绝缘体上硅(SOI，Silicon-On-Insulator)材料形成的自密封式微推进器。

如图所示，本发明所采用的技术方案是：硅基自密封式推进器,主要包括位于SOI硅片器件层的喷嘴阵列部分和衬底层的燃烧室阵列部分、玻璃片上表面的点火器阵列部分，喷嘴阵列部分是在SOI硅片的器件层部分利用湿法腐蚀形成的；燃烧室阵列部分是在SOI硅片的衬底层利用干法刻蚀形成的空腔阵列组成的，各空腔内填充固体推进剂；点火器阵列部分由玻璃上表面溅射的点火电阻阵列、点火导线和焊盘组成，所述点火电阻通过点火导线与焊盘连接；各点火电阻阵列与各燃烧室阵列位置相对应；各相应的喷嘴阵列和燃烧室阵列由SOI硅片的埋氧层隔开。

所述点火电电阻3由两根并联点火器构成,所述电路部分材料为金属。

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，热量达到固体推进剂12的点燃温度后，固体推进剂12点燃，燃烧室内的气体膨胀，压强增大，达到埋氧层10的屈服极限，埋氧层破裂，气体通过喷嘴1喷出，产生推进效果。

参考图，上述硅基自密封式微推进器,其制备过程包括如下步骤：

第一步，图3(a)所示，对SOI硅片进行清洗；在SOI硅片进行氧化处理，之后腐蚀下表面，在上表面得到一层二氧化硅11。

第二步，图3(b)所示，湿法腐蚀二氧化硅11，得到下一步器件层13的刻蚀掩膜；

第三步，图3(c)所示，湿法腐蚀SOI硅片的器件层13，刻蚀到埋氧层10的上表面，在SOI硅片器件层13上得到喷嘴1结构；

第四步，图3(d)所示，在SOI硅片的衬底层5溅射金属铝7，再在铝表面上涂光刻胶6；

第五步，图3(e)所示，进行光刻、显影，去除光刻胶6，湿法腐蚀金属铝7以形成干法刻蚀的掩膜；

第六步，图3(f)所示，干法刻蚀SOI硅片的衬底层，刻蚀到埋氧层10的下表面，在硅片的衬底层5得到燃烧室14结构；

第七步，图3(g)所示，在玻璃片9的上表面溅射金属薄膜8，金属薄膜8应具有良好的导电性能，如金属铜、铂，金等；刻蚀金属薄膜8形成点火电阻2、点火导线3以及焊盘4；

第八步，图3(h)所示，待燃烧室14填好推进剂后，将SOI硅片通过静电键合、粘接等方式连接到玻璃片9的上表面上，燃烧室14与点火电阻2的位置相对应。

本发明的有益效果是：将燃烧室14密封在SOI硅片埋氧层10和玻璃片9之间，有效防止其受潮、推进剂脱落或者其他外界影响，提高了点火的成功率。

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是本发明中的硅基自密封式微推进器SOI硅片；

图2是本发明中的硅基自密封式微推进器玻璃片；

图3是硅基自密封式微推进器工艺制作过程示意图；

图4是清华大学研制的固体微推进器的结构剖视图。

图中，1-喷嘴，2-点火电阻，3-点火导线，4-焊盘，5-SOI硅片衬底层，6-光刻胶，7-铝，8-金属，9-玻璃，10-SOI硅片埋氧层，11-二氧化硅氧化层，12-固体推进剂，13-SOI硅片器件层，14-燃烧室

具体实施方式：

参阅图1、图2，本实施例中的硅基自密封式微推进器，包括喷嘴部分1、燃烧室14、点火电阻2、点火导线3和焊盘4；所属推进器中的喷嘴部分1是在SOI硅片的器件层13上经过湿法腐蚀形成；所属推进器中的燃烧室部分14是在SOI硅片的衬底层5上经过干法刻蚀形成的空腔阵列组成，各空腔内填充固体推进剂12；所属推进器中的玻璃片9上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；各点火电阻2与各燃烧室14的位置相对应；点火电阻2连有点火导线3；点火导线3与焊盘4连接。

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，热量达到固体推进剂的点燃温度，推进剂点燃后，燃烧室内的气体膨胀，压强增大，达到埋氧层10的屈服极限，埋氧层破裂，气体通过喷嘴1喷出，产生推进效果。

该实施例中硅基自密封式的制作流程为：

第一步，图3(a)所示，对SOI硅片进行清洗；在SOI硅片进行氧化处理，之后腐蚀下表面，在上表面得到一层二氧化硅11。

第二步，图3(b)所示，湿法腐蚀二氧化硅11，得到下一步器件层13的刻蚀掩膜；

第三步，图3(c)所示，湿法腐蚀SOI硅片的器件层13，刻蚀到埋氧层10的上表面，在SOI硅片器件层13上得到喷嘴1结构；

第四步，图3(d)所示，在SOI硅片的衬底层5溅射金属铝7，再在铝表面上涂光刻胶6；

第五步，图3(e)所示，进行光刻、显影，去除光刻胶6，湿法腐蚀金属铝7以形成干法刻蚀的掩膜；

第六步，图3(f)所示，干法刻蚀SOI硅片的衬底层，刻蚀到埋氧层10的下表面，在硅片的衬底层5得到燃烧室14结构；

第七步，图3(g)所示，在玻璃片9的上表面溅射金属薄膜8，金属薄膜8应具有良好的导电性能，如金属铜、铂，金等；刻蚀金属薄膜8形成点火电阻2、点火导线3以及焊盘4；

第八步，图3(h)所示，待燃烧室14填好推进剂后，将SOI硅片通过静电键合、粘接等方式连接到玻璃片9的上表面上，燃烧室14与点火电阻2的位置相对应。

Claims (3)

1.硅基自密封式推进器,主要包括位于SOI硅片器件层的喷嘴阵列部分和衬底层的燃烧室阵列部分、玻璃片上表面的点火器阵列部分，喷嘴阵列部分是在SOI硅片的器件层部分利用湿法腐蚀形成的；燃烧室阵列部分是在SOI硅片的衬底层利用干法刻蚀形成的空腔阵列组成的，各空腔内填充固体推进剂；点火器阵列部分由玻璃上表面溅射的点火电阻阵列、点火导线和焊盘组成，所述点火电阻通过点火导线与焊盘连接；各点火电阻阵列与各燃烧室阵列位置相对应；各相应的喷嘴阵列和燃烧室阵列由SOI硅片的埋氧层隔开，其特征在于，所述的燃烧室阵列部分在SOI硅片的氧化层和玻璃片上表面之间形成自密封结构。

2.如权利要求1所述的硅基自密封式推进器,其特征在于，所述点火电阻由两根并联点火器构成,所述点火电阻材料为金属。

3.如权利要求1或2之一所述的硅基自密封式推进器,其制备过程包括如下步骤：

第一步，对SOI硅片进行清洗；在SOI硅片进行氧化处理，之后腐蚀下表面，仅保留上表面得到的一层二氧化硅(11)；

第二步，湿法腐蚀二氧化硅(11)，得到下一步器件层(13)的刻蚀掩膜；

第三步，湿法腐蚀SOI硅片的器件层(13)，腐蚀到埋氧层(10)的上表面，在SOI硅片器件层(13)上得到喷嘴(1)结构；

第四步，在SOI硅片的衬底层(5)溅射金属铝(7)，再在铝表面上涂光刻胶(6)；

第五步，进行光刻、显影，去除光刻胶(6)，湿法腐蚀金属铝(7)以形成干法刻蚀的掩膜；

第六步，干法刻蚀SOI硅片的衬底层，刻蚀到埋氧层(10)的下表面，在硅片的衬底层(5)得到燃烧室(14)结构；

第七步，在玻璃片(9)的上表面溅射金属薄膜(8)，金属薄膜(8)应具有良好的导电性能；刻蚀金属薄膜(8)形成点火电阻(2)、点火导线(3)以及焊盘(4)；

第八步，待燃烧室(14)填好推进剂后，将SOI硅片通过静电键合或粘接方式连接到玻璃片(9)的上表面上，燃烧室(14)与点火电阻(2)的位置相对应。