CN106089491B - 一种电阻浸入式微推进器及其制备方法 - Google Patents

一种电阻浸入式微推进器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电阻浸入式微推进器及其制备方法,属于微推进技术领域。该推进器依次包括燃烧室阵列部分、点火器层、以及喷嘴阵列部分；燃烧室阵列部分通过刻蚀SOI硅片形成；喷嘴阵列为硅片表面贯通的空腔阵列组成；点火器层由SOI硅片上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与各燃烧室及喷嘴1位置相对应；火药将各燃烧室单元填满并部分填充所述喷嘴阵列的空腔单元，使得各点火电阻2单元完全浸入在火药中。本发明的有益效果是：将点火器层集成在SOI硅片的上表面，利用SOI硅片的器件层浸入在火药中，与火药充分接触，点火电阻通电时将热量传递至燃烧室内的火药，避免了部分热量的无关散失，极大提高了点火的成功率。

Description

一种电阻浸入式微推进器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微推进技术和微机电系统领域，特别是涉及一种电阻浸入式微推进器及其制备方法。
背景技术
微推进器是一种基于MEMS(Micro electro-mechanical system，微机电系统)技术的推进器，由于采用集成设计，冗余设计和微型精密制造技术等先进思想和技术，微推进器具有小型化，集成化，低功耗的特点。随着航天市场对航天任务低成本，短周期，高性能需求的提高，使得航天器小型化和微型化成为航天技术的发展趋势，而传统的卫星推进系统一般体积大，质量常占卫星总质量的30％-50％，远不能胜任微型航天器任务的需求，因此，研究适合微型航天器轨道保持和姿态控制的高集成度，小冲量，低功耗的微型推进器，减少控制系统的执行部件数量，成为迫切需要解决的问题。
通常，MEMS推进器由众多独立的推进单元阵列组成，为三层类三明治结构，分别是点火器层，燃烧室层和喷嘴层，固体推进剂被浇注到燃烧室腔中。工作时，点火器点燃推进剂，复合推进剂各组分发生氧化还原反应形成高温高压燃气，燃气通过喷嘴排出，产生推力。在实际点火试验中发现，由于点火器层与推进剂接触不充分，以及与点火器层固连的衬底结构层会散失部分热量，导致推进器单元无法点燃，从而导致微推进器失效，这对于微型航天器工作轨道及姿态的精确控制是致命的。
发明内容
本发明的目的是，为了克服目前微推进器技术因推进剂与点火器接触不充分导致的推进单元点燃失效问题，本发明提供了一种主要利用硅材料形成的电 阻浸入式微推进器。如图1，图2所示，本发明所采用的技术方案是：电阻浸入式微推进器，依次包括燃烧室阵列部分、点火器层、以及喷嘴阵列部分；所述燃烧室阵列部分由刻蚀SOI硅片形成的多个贯通燃烧室单元组成；所述点火器层由与各燃烧室单元对应的点火电阻2单元组成，所述点火电阻2单元置于所述燃烧室单元器件层部分预留的焊盘支架上，各个点火电阻2之间通过点火导线3联通，并经焊盘4引出电信号；喷嘴阵列为硅片表面多个贯通的空腔单元组成，所述各空腔单元与各燃烧室单元、各点火电阻2单元对应；火药将各燃烧室单元填满并部分填充所述喷嘴阵列的空腔单元，使得各点火电阻2单元完全浸入在火药中。
更进一步的，所述点火器层材料为金。
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，再将热量传递至相应燃烧室内的燃料，热量达到燃料的点燃温度后，燃料点燃，燃烧室内压强增大，气体通过喷嘴喷出，产生推进效果。
参考图3，上述电阻浸入式微推进器，采用MEMS工艺制作，其制备过程包括如下步骤：
第一步，图3(a)所示，对SOI硅片5进行清洗；在SOI硅片5的下表面溅射铝6，再在铝6的表面涂光刻胶7；
第二步，图3(b)所示，光刻，显影，湿法腐蚀金属铝6；
第三步，图3(c)所示，干法刻蚀SOI硅片5衬底层，刻穿衬底层后停止；
第四步，图3(d)所示，去除SOI硅片5下表面的铝6，湿法腐蚀SOI硅片5埋氧层，湿法腐蚀刻透埋氧层后停止；
第五步，图3(e)所示，对SOI硅片5进行清洗；在SOI硅片5的上表面涂光刻胶7；
第六步，图3(f)所示，光刻，显影；
第七步，图3(g)所示，在涂有光刻胶7的SOI硅片5上表面溅射金属薄膜，金属薄膜应具有良好的导电性能，如金属铜，铂，金等；金属剥离,去除光刻胶7，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，在SOI硅片5上表面涂光刻胶7，光刻，显影；
第九步，图3(i)所示,干法刻蚀SOI硅片5器件层，刻穿器件层后停止；
第十步，图3(j)所示，去除光刻胶7，得到点火器层及燃烧室层；
第十一步，图3(k)所示，将SOI硅片5倒置放在平整的基片如玻璃9上并夹紧，向燃烧室内填充糊状火药10；
第十二步，图3(l)所示，待火药10干燥凝固成型后撤去基片，并在SOI硅片5下表面用胶粘或键合的方法连接一玻璃基底9；
第十三步，图3(m)所示，取一硅片11清洗，分别在上下表面制备二氧化硅掩膜；
第十四步，图3(n)所示，图形化二氧化硅掩膜，湿法腐蚀硅片11，在硅片11上得到喷嘴1阵列结构；
第十五步，图3(o)所示，去除硅片11上的二氧化硅掩膜，然后通过胶粘或键合的方法将硅片11连接到SOI硅片5上表面，再向喷嘴层中填充糊状火药10，待火药10干燥凝固成型后最终得到电阻浸入式微推进器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将点火器层集成在SOI硅片的上表面，同时利用SOI硅片的点火器层浸入在火药中，与火药充分接触，当点火电阻通电时，SOI硅片的点火器层将热量传递至燃烧室内的火药，避免了热量的无关散失，极大提高了点火的成功率。
附图说明
图1为：本发明中的电阻浸入式微推进器装配体示意图；
图2为：本发明中的电阻浸入式微推进器各层示意图；
图3为：电阻浸入式微推进器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-SOI硅片，6-铝，7-光刻胶，8-金属薄膜，9-玻璃，10-火药，11-硅片。
具体实施方式
参阅图1-2，本实例中的电阻浸入式微推进器，包括喷嘴1、点火电阻2、点火导线3和焊盘4，喷嘴1结构由硅片11湿法腐蚀形成，SOI硅片5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为蛇形折叠状金薄膜电阻构成，并附着在SOI硅片器件层上；金薄膜的宽度和厚度分别为50um、300nm；各点火电阻2与各喷嘴1和各燃烧室的位置相对应；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100um、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、给各点火电阻2通电，点火电阻2温度升高，并将热量传递至相应燃烧室内的燃料，热量达到燃料的点燃温度后，燃料点燃，燃烧室内压强增大，气体通过喷嘴1喷出，产生推进效果。
该实施例中电阻浸入式微推进器的制作流程为：
第一步，图3(a)所示，对SOI硅片5进行清洗；在SOI硅片5的下表面溅射铝6，再在铝6的表面涂光刻胶7；
第二步，图3(b)所示，光刻，显影，湿法腐蚀金属铝6；
第三步，图3(c)所示，干法刻蚀SOI硅片5衬底层，刻穿衬底层后停止；
第四步，图3(d)所示，去除SOI硅片5下表面的铝6，湿法腐蚀SOI硅 片5埋氧层，湿法腐蚀刻透埋氧层后停止；
第五步，图3(e)所示，对SOI硅片5进行清洗；在SOI硅片5的上表面涂光刻胶7；
第六步，图3(f)所示，光刻，显影；
第七步，图3(g)所示，在涂有光刻胶7的SOI硅片5上表面溅射金属薄膜，金属薄膜应具有良好的导电性能，如金属铜，铂，金等；金属剥离,去除光刻胶，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，在SOI硅片5上表面涂光刻胶7，光刻，显影；
第九步，图3(i)所示,干法刻蚀SOI硅片5器件层，刻穿器件层后停止；
第十步，图3(j)所示，去除光刻胶7，得到点火器层及燃烧室层；
第十一步，图3(k)所示，将SOI硅片5倒置放在平整的基片如玻璃9上并夹紧，向燃烧室内填充糊状火药10；
第十二步，图3(l)所示，待火药10干燥凝固成型后撤去基片，并在SOI硅片5下表面用胶粘或键合的方法连接一玻璃基底9；
第十三步，图3(m)所示，取一硅片11清洗，分别在上下表面制备二氧化硅掩膜；
第十四步，图3(n)所示，图形化二氧化硅掩膜，湿法腐蚀硅片11，在硅片11上得到喷嘴1阵列结构；
第十五步，图3(o)所示，去除硅片11上的二氧化硅掩膜，然后通过胶粘或键合的方法将硅片11连接到SOI硅片5上表面，再向喷嘴层中填充糊状火药10，待火药10干燥凝固成型后最终得到电阻浸入式微推进器。

Claims (3)

1.电阻浸入式微推进器，其特征在于，依次包括燃烧室阵列部分、点火器层、以及喷嘴阵列部分；所述燃烧室阵列部分由刻蚀SOI硅片形成的多个贯通燃烧室单元组成；所述点火器层由与各燃烧室单元对应的点火电阻(2)单元组成，所述点火电阻(2)单元置于所述燃烧室单元器件层部分预留的焊盘支架上，各个点火电阻(2)之间通过点火导线(3)联通，并经焊盘(4)引出电信号；喷嘴阵列为硅片表面多个贯通的空腔单元组成，所述各空腔单元与各燃烧室单元、各点火电阻(2)单元对应；火药将各燃烧室单元填满并部分填充所述喷嘴阵列的空腔单元，使得各点火电阻(2)单元完全浸入在火药中。
2.如权利要求书1所述的电阻浸入式微推进器，其特征在于，所述点火器层材料为金。
3.如权利要求1所述的电阻浸入式微推进器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，对SOI硅片(5)进行清洗；在SOI硅片(5)的下表面溅射铝(6)，再在铝(6)的表面涂光刻胶(7)；
第二步，光刻，显影，湿法腐蚀金属铝(6)；
第三步，干法刻蚀SOI硅片(5)衬底层，刻穿衬底层后停止；
第四步，去除SOI硅片(5)下表面的铝(6)，湿法腐蚀SOI硅片(5)埋氧层，湿法腐蚀刻透埋氧层后停止；
第五步，对SOI硅片(5)进行清洗；在SOI硅片(5)的上表面涂光刻胶(7)；
第六步，光刻，显影；
第七步，在涂有光刻胶(7)的SOI硅片(5)上表面溅射金属薄膜；金属剥离,去除光刻胶(7)，形成点火电阻(2)，点火导线(3)，以及焊盘(4)；
第八步，在SOI硅片(5)上表面涂光刻胶(7)，光刻，显影；
第九步，干法刻蚀SOI硅片(5)器件层，刻穿器件层后停止；
第十步，去除光刻胶(7)，得到点火器层及燃烧室层；
第十一步，将SOI硅片(5)倒置放在平整的基片如玻璃(9)上并夹紧，向燃烧室内填充糊状火药(10)；
第十二步，待火药(10)干燥凝固成型后撤去基片，并在SOI硅片(5)下表面用胶粘或键合的方法连接一玻璃(9)；
第十三步，取一硅片11)清洗，分别在上下表面制备二氧化硅掩膜；
第十四步，图形化二氧化硅掩膜，湿法腐蚀硅片(11)，在硅片(11)上得到喷嘴(1)阵列结构；
第十五步，去除硅片(11)上的二氧化硅掩膜，然后通过胶粘或键合的方法将硅片(11)连接到SOI硅片(5)上表面，再向喷嘴层中填充糊状火药(10)，待火药(10)干燥凝固成型后最终得到电阻浸入式微推进器。
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