CN105422316B - 一种固体微推进器用点火电路及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体微推进器用点火电路及其制备方法。该点火电路设于一基片上，点火电路为由a×b个点火单元构成的a行b列的阵列，点火单元包括点火电阻和二极管，点火电阻为薄膜电阻，点火电阻设于基片的正面，二极管设于基片的背面，点火电阻与二极管通过基片上设置的金属化过孔串联。制备方法包括（a）基片打孔以及过孔金属化；（b）在基片正面制备点火电阻、引线和电极区；（c）在基片背面制备引线和电极区，贴装二极管。本发明的点火电路及其制备方法能在较低发火电压下可靠发火、功耗低，具有逻辑寻址功能，可满足独立点火或组合点火。

Description

一种固体微推进器用点火电路及其制备方法

技术领域

本发明属于火工品技术领域，涉及一种基于微机械加工技术的固体微推进器用点火电路及其制备方法，具体涉及一种金属薄膜桥点火电路，是MEMS固体微推进器的核心部件，能够满足低发火电压，较小发火功率下可靠发作。

背景技术

微型固体推力器是基于MEMS技术的固体推进剂微推进系统，适用于空间有限的微型卫星的精确定向和高度控制。典型MEMS微型固体推力器的结构采用三明治结构，底部为点火电路层，中间部分为燃烧室层，顶部为喷管层。微推力器的作用原理为点火电路对燃烧室中的推进剂进行寻址点火，推进剂燃烧形成的燃气流冲破膜片，释放高温高压燃气，并且由喷管对燃气流进行导流，产生预定的推力。

一般情况下，微纳卫星的设计功率只有几十瓦，总线电压可能降到3～5V（目前的标准是28V），若推进系统需要高电压，则需要较重的功率处理单元，会超出微小卫星的质量限制。因此，现阶段微纳卫星缺乏姿轨控能力，基本处于无控或仅有有限的控制能力。对于10kg纳卫星质量，电压仅有3V左右，而现有的微推进系统质量、体积、功耗均不能满足纳卫星的推进需要。期望固体微推力器阵列工作电压能够达到3V以下，整个推进系统质量小于500g，功率达到1W以下，才能够为微纳卫星提供姿轨控执行机构。

点火电路是微推进器中最重要同时也是制备工艺最复杂、难度最大的组成部分，而由微推进器的特性决定了点火电路必须满足尺寸小、点火电压低及高可靠性，点火电压的大小及点火可靠性均取决于点火电阻，因此，微推进器能否正常工作也主要取决于点火电阻。目前，国内外制备的固体微推进器的点火电路各不相同，点火电压及点火功率也有较大差别。

国防科技大学吴学忠、万红教授课题组研制的MEMS微推力器采用三层结构，点火桥膜采用Cr，通过沉积镀膜、光刻、干法或湿法刻蚀等MEMS工艺将点火电阻、导线及焊盘制作在基板上，点火电压不高于30V，最低点火功率为6.66W。

清华大学尤政教授课题组设计了三明治式的推力器结构，分别是点火器层、燃烧室层和喷嘴层，点火器由可寻址的Pt电阻阵列组成，衬底为Pyrex7740玻璃，平均点火电压为38.73V。

现有技术主要存在以下几个缺点：a）点火电压高；b）点火功率较大。

因此，寻求一种点火电压低、功率小的固体微推进器用点火电路成为当务之急。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能在较低发火电压下可靠发火、功耗低、具有逻辑寻址功能、可满足独立点火或组合点火的固体微推进器用点火电路及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种固体微推进器用点火电路，所述点火电路设于一基片上，所述点火电路为由a×b个点火单元构成的a行b列的阵列，其中a和b均为正整数且均不小于2，所述点火单元包括点火电阻和二极管，所述点火电阻为薄膜电阻，所述点火电阻设于所述基片的正面，所述二极管设于所述基片的背面，所述点火电阻与二极管通过所述基片上设置的金属化过孔串联。

上述的固体微推进器用点火电路中，优选的，所述点火电阻为NiCr合金薄膜电阻或TaN薄膜电阻。

上述的固体微推进器用点火电路中，优选的，所述点火电阻的一端通过引线与所述二极管的一端相连，所述点火电阻的另一端通过引线连接在行寻址线上，行寻址线与电极区相连，所述二极管的另一端通过引线连接在列寻址线上，列寻址线与电极区相连。

上述的固体微推进器用点火电路中，优选的，所述基片上的金属化过孔形成a×b阵列，所述金属化过孔的直径为300μm～1500μm，更优选500μm～1500μm，所述金属化过孔的深度为0.5mm～1mm。

上述的固体微推进器用点火电路中，优选的，所述点火电路上的引线和电源电极均采用Au薄膜制备而成。

上述的固体微推进器用点火电路中，优选的，所述基片为硼硅玻璃。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的固体微推进器用点火电路的制备方法，包括以下步骤：

（a）基片打孔以及过孔金属化；

（b）采用微机械加工工艺在所述基片正面制备点火电阻、引线和电极区；

（c）采用微机械加工工艺在所述基片背面制备引线和电极区，并在基片背面贴装二极管，得到固体微推进器用点火电路。

上述的固体微推进器用点火电路的制备方法中，优选的，所述步骤（b）和步骤（c）中，所述微机械加工工艺包括离子束溅射镀膜工艺和离子束刻蚀工艺。

上述的固体微推进器用点火电路的制备方法中，优选的，所述离子束溅射镀膜工艺的工艺参数为：屏栅电压为700V～1000V，束流为80mA～120mA。

上述的固体微推进器用点火电路的制备方法中，优选的，所述离子束刻蚀工艺的工艺参数为：屏栅电压为450V～650V，束流为25mA～45mA。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的固体微推进器用点火电路采用NiCr合金薄膜桥或TaN薄膜电阻，采用金属化过孔使点火电阻与二极管串联，使点火电压可低至5V以下，功率低至1W，满足固体微推进器对低发火电压、小功率点火电路的需求。本发明采用阵列的设计形式来解决多次点火启动的问题。利用MEMS工艺在同一个基片上制作出一系列的微推进单元，底部点火电路具有逻辑寻址功能，每一个推进单元既可实现独立点火，也可以将几个推进单元进行组合点火，从而实现“数字式”推力控制。

本发明点火电路的制备方法采用微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和点火电路使用的可靠性水平，制造成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例1中10×10推进阵列点火电阻示意图。

图2为本发明实施例1中10×10推进阵列点火电阻局部放大图。

图3为本发明实施例1中点火电路二极管排布图。

图4为本发明实施例1中点火电路二极管排布图的局部放大图。

图5为本发明实施例1的点火电路设计示意图。

图例说明：

1、点火电阻；2、二极管；3、金属化过孔；4、第一电极区；5、第二电极区。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种本发明的固体微推进器用点火电路，如图1～图5所示，该点火电路设于基片上（基片在图1～5中均省略示出），该点火电路是由10×10个点火单元构成的10行10列的推进阵列。每个点火单元包括一个点火电阻1和一个二极管2，点火电阻1为NiCr合金薄膜电阻，点火电阻1设于基片的正面，二极管2设于基片的背面，基片上还设有10×10个金属化过孔3，每个点火单元中的点火电阻1通过对应的金属化过孔3与基片背面的二级管2串连，用于实现点火电阻1和二极管2之间的电气互连。

本实施例中，点火电阻1的一端与二极管2的一端相连，点火电阻1的另一端连接在行寻址线上，行寻址线与第一电极区4相连，二极管2的另一端连接在列寻址线上，列寻址线与第二电极区5相连。

本实施例中，每个金属化过孔3的直径为300μm，金属化过孔3的深度（即基片厚度）为0.5mm。金属化过孔3的位置设于对应的点火单元有效范围以外，有效范围是指燃烧室的范围。

本实施例中，所用引线和电源电极均采用Au薄膜制备。

本实施例中，制作点火电路的基片需要具有良好的绝缘性和绝热性能，玻璃具有较好的化学稳定性以及良好的绝热性和绝缘性能，因此，本实施例采用直径为3inch，厚度为0.5mm的双面抛光硼硅玻璃（具体为Corning Pyrex7740玻璃）作为点火电路的基片。

本实施例中，二极管2为ROHM公司RB520S-30型肖特基二极管，二极管2正向电压为0.6V（IF=200mA），反转电流为1μA（VR=10V）。

图1为本实施例的点火电路基片正面点火电阻阵列排布图，图2为点火电阻阵列排布的局部放大图，图3为点火电路基片背面二极管的阵列排布图，图4为二极管阵列排布的局部放大图，图5为本实施例点火电路的设计示意图。其中引线宽度为25μm，引线间隙为20μm，点火电阻单元尺寸设计值为500μm，考虑到点火产生的高温高压气体可能会通过金属化过孔3发生泄漏，因此金属化过孔3未分布在点火单元有效范围内，以防止漏气。从图1可以看出，这种点火电路设计形式可利用电阻的行列坐标标示点火电阻1，例如（8，8）标示位于第8行，第8列的点火电阻1，点火电路的每个点火电阻1可独立发火，并与上层的燃烧室一一对应。

由于微型固体推力器属于一次性点火消耗，故需要采用阵列的设计形式来解决多次点火启动的问题。利用MEMS工艺在同一个基片上制作出一系列的微推进单元，底部点火电路具有逻辑寻址功能，每一个推进单元既可实现独立点火，也可以将几个推进单元进行组合点火，从而实现“数字式”推力控制。

一种上述本实施例的固体微推进器用点火电路（金属薄膜桥点火电路）的制备方法，依次按照以下步骤进行：

（a）对玻璃基片进行清洗，采用机械打孔的方式在硼硅玻璃表面制作100个直径为300μm的过孔，然后通过物理孔金属化工艺完成过孔金属化，再以化学机械抛光设备对基片表面进行平坦化处理。

（b）采用离子束溅射镀膜工艺和离子束刻蚀工艺（即离子束技术）制备NiCr合金薄膜点火电阻，在基片正面制作点火电阻阵列、引线和电极区，其中，离子束溅射镀膜时，屏栅电压为700V～1000V，束流为80mA～120mA；离子束刻蚀时，屏栅电压为450V～650V，束流为25mA～45mA。

NiCr合金薄膜点火电阻的制备工艺流程包括在基片上离子束溅射淀积NiCr合金薄膜点火材料（基片与点火层之间可淀积过渡层，如Ta₂O₅）、在NiCr合金薄膜表面制作光刻胶掩膜图形（点火电阻图形）、离子束刻蚀、清洗去除光刻胶、退火消除薄膜结构缺陷、制作光刻胶掩膜图形（引线电极图形）、离子束刻蚀、淀积引线层（可采用聚焦离子束技术）、lift-off剥离清洗形成点火电阻引线电极区。

（c）采用离子束溅射镀膜工艺和离子束刻蚀工艺（即离子束技术）在基片背面完成引线和电极区的制备，其中，离子束溅射镀膜时，屏栅电压为700V～1000V，束流为80mA～120mA；离子束刻蚀时，屏栅电压为450V～650V，束流为25mA～45mA。通过表面贴装工艺将RB520S-30型二极管焊接在基片背面相应位置并通过金属化过孔3实现点火电阻1和二极管2之间的电气互连（串联的形式），至此，完成了微推进器用点火电路的制作。

上述本实施例制备的金属薄膜桥点火电路点火电压低于5V，点火功率小于1W，能够满足固体微推进器对低发火电压、小功率点火电路的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种固体微推进器用点火电路，所述点火电路设于一基片上，所述点火电路为由a×b个点火单元构成的a行b列的阵列，其中a和b均为正整数且均不小于2，其特征在于，所述点火单元包括点火电阻（1）和二极管（2），所述点火电阻（1）为薄膜电阻，所述点火电阻（1）设于所述基片的正面，所述二极管（2）设于所述基片的背面，所述点火电阻（1）与二极管（2）通过所述基片上设置的金属化过孔（3）串联；

所述点火电阻（1）为NiCr合金薄膜电阻或TaN薄膜电阻；

所述基片上的金属化过孔（3）形成a×b阵列，所述金属化过孔（3）的直径为300μm～1500μm，所述金属化过孔（3）的深度为0.5mm～1mm；

所述点火电路的点火电压低于5V，点火功率小于1W。

2.根据权利要求1所述的固体微推进器用点火电路，其特征在于，所述点火电阻（1）的一端通过引线与所述二极管（2）的一端相连，所述点火电阻（1）的另一端通过引线连接在行寻址线上，行寻址线与电极区相连，所述二极管（2）的另一端通过引线连接在列寻址线上，列寻址线与电极区相连。

3.根据权利要求1或2所述的固体微推进器用点火电路，其特征在于，所述点火电路上的引线和电源电极均采用Au薄膜制备而成。

4.根据权利要求1或2所述的固体微推进器用点火电路，其特征在于，所述基片为硼硅玻璃。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的固体微推进器用点火电路的制备方法，包括以下步骤：

（a）基片打孔以及过孔金属化；

（b）采用微机械加工工艺在所述基片正面制备点火电阻（1）、引线和电极区；

（c）采用微机械加工工艺在所述基片背面制备引线和电极区，并在基片背面贴装二极管（2），得到固体微推进器用点火电路。

6.根据权利要求5所述的固体微推进器用点火电路的制备方法，其特征在于，所述步骤（b）和步骤（c）中，所述微机械加工工艺包括离子束溅射镀膜工艺和离子束刻蚀工艺。

7.根据权利要求6所述的固体微推进器用点火电路的制备方法，其特征在于，所述离子束溅射镀膜工艺的工艺参数为：屏栅电压为700V～1000V，束流为80mA～120mA。

8.根据权利要求6所述的固体微推进器用点火电路的制备方法，其特征在于，所述离子束刻蚀工艺的工艺参数为：屏栅电压为450V～650V，束流为25mA～45mA。