CN108757361B - 一种多极输出阵列式薄型mems微推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，属于微推进技术和微机电系统(MEMS)领域，该微推进器采用正面式微推进器和侧面式微推进器相结合的方式。本发明多极输出阵列式薄型MEMS微推进器的上盖片、基底制作完成后，采用键合方法将上盖片、基底组装在一起，最后再和带有励磁线圈的PCB电路板粘合在一起。本发明具体为采用MEMS微加工技术制作的一种利用高频脉冲感应加热，使处于加热盘周围的液体迅速汽化成气体，并在微腔内形成高压，气体在高压的作用下经过喷嘴高速喷出，微推进器获得相反方向的驱动力。该微推进器能够用于微卫星的位置保持、姿态控制和轨道调整等。
Description
技术领域
本发明是一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，属于微推进技术和微机电系统
(MEMS)领域。
背景技术
微推进器系统是大多数微型航天器的关键子系统，主要用于微型航天器如微卫星、纳卫星、皮卫星的位置保持、姿态控制和轨道调整等。基于MEMS技术的微型推进器在工艺上结合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，因此成为了微推进系统的重要研究方向。2004年，清华大学学者们研发了一种基于MEMS的固体微推进器阵列，该MEMS固体微推进器只能实现一次性点火，无法实现多次持续的推进，即便集成为阵列形式，也难以实现能量的多极输出。2012年Kundu等人研制了一种基于硅微加工的液体蒸发型微推进器，该微推进器采用电阻丝对加热腔内液体进行加热，需要从加热腔内引出导线给电阻丝通电加热，致使工艺复杂，不便于集成。电阻加热微推进器难于实现大推力，大比冲，主要原因在于，薄膜电阻丝要有较大阻值，要求加热电阻丝厚度较薄，线条较窄，加热面积小，加热功率小。本发明具体为采用MEMS微加工技术制作的一种利用高频脉冲感应加热，使处于加热盘周围的液体迅速汽化成气体，并在微腔内形成高压，气体在高压的作用下经过喷嘴高速喷出，微推进器获得相反方向的驱动力。该微推进器能够用于微卫星的位置保持、姿态控制和轨道调整等。
发明内容
本发明的目的在于克服电阻加热式MEMS微推进器推力小、比冲小、加工制作难度大、无法多级输出等缺点，而提出一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器。该微推进器采用MEMS微加工工艺制成，利用感应加热器对微腔体内液体进行加热，使液体汽化成气体，并在微腔内形成高压，气体在高压的作用下经过喷嘴高速喷出，微推进器获得相反方向的驱动力，来实现对物体推进功能。
本发明采用如下技术方案：
一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，该微推进器采用正面式微推进器和侧面式微推进器相结合的方式。正面式微推进器由上盖片1、微流道2、正面微喷嘴3、加热盘4、加热蒸发腔5、基底6、励磁线圈8和PCB电路板9组成；上盖片1、基底6和PCB电路板9由上到下顺次布置。
所述微流道2制作于基底6的上表面，微流道2的宽度为50-100μm，微流道2的深度为50μm-200μm，微流道2与供液系统相连通；
所述正面微喷嘴3制作在上盖片1上，正面微喷嘴3是一种贯穿孔，正面微喷嘴3形状为先收缩后扩张的拉瓦尔口；
所述微流道2与加热蒸发腔5制作在基底6上，且微流道2与加热蒸发腔5的深度相等且相互连通；加热蒸发腔5的直径为200μm-3000μm，深度为50μm-200μm；
所述加热盘4制作在加热蒸发腔5的上表面的中心；
所述励磁线圈8制作在PCB电路板9上，励磁线圈8的形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，励磁线圈8的线圈匝数为5匝到30匝；励磁线圈引线电极I7和励磁线圈引线电极II10与励磁线圈8连接。
所述的励磁线圈引线电极I7和励磁线圈引线电极II10，分别连接交流电源两个输出端，为励磁线圈8通入交流电流；
侧面式微推进器的加热方式和系统组成与正面式微推进器相同，侧面式微推进器与正面式微推进器不同之处在于侧面微喷嘴11制作在侧面式微推进器的基底6上，侧面微喷嘴11的形状为先收缩后扩张的拉瓦尔口，侧面微喷嘴11通过侧面式微推进器的基底6侧壁与外界相连通。
加热盘4为圆形金属盘，直径200μm-1000μm，厚度为50μm-100μm，加热盘4材料为铜、镍或坡莫合金等。
上盖片1包括正面式微喷嘴阵列单元12、侧面式微推进器进液口13和正面式微推进器进液口14；基底6包括正面式微推进器单元15、侧面式微推进器单元I16和侧面式微推进器单元II17；励磁线圈PVC电路板9包括励磁线圈阵列单元I18和励磁线圈阵列单元II19；
所述正面式微喷嘴阵列单元12共有四个，其位置两两相互对称分布；
所述侧面式微推进器进液口13共有八个进液口，其位置在圆周上呈均匀分布；
所述正面式微推进器进液口14共有四个，为圆形通孔，贯穿上盖片1；
所述正面式微推进器阵列单元15共有四个，每个单元包括四个正面式微推进器，其共用一个正面式微推进器进液口14。
所述侧面微推进器单元I16和侧面微推进器单元II17各共有四个，分布两两对称。其位置在圆周上呈均匀分布；
所述励磁线圈阵列单元I18共有四个，其位置与微推进器单元15相对应；所述励磁线圈阵列单元I19共有八个，其位置与侧面微推进器单元I16和侧面微推进器单元II17相对应。
本发明微推进器工作原理，如附图9所示，具体如下：
当给励磁线圈电极I7和励磁线圈电极II10接通高频交变电流时，励磁线圈8产生交变磁场，在交变磁场的作用下，微加热盘4内产生电涡流，电涡流产生焦耳热，使加热蒸发腔5内部液体汽化成气体，并在微腔内形成高压气体，气体在高压的作用下经过正面微喷嘴3高速喷出，微推进器获得相反方向的驱动力；
本发明的多极输出的薄型MEMS微推进器，采用正面式微推进器和侧面式微推进器相结合的方式。采用正面式微推进器阵列实现向前的运动，采用侧面式微推进器阵列实现向左推进、向右推进、向上推进、向下推进、逆时针旋转推进和顺时针旋转推进；其中，12代表向前推进的微推进器阵列，26代表向下推进的微推进器单元，20代表向右推进的微推进器单元，22代表向上推进的微推进器单元，23和27分别代表逆时针旋转微推进器单元I和逆时针旋转微推进器单元I，24代表向右推进的微推进器单元，21和25分别代表顺时针旋转微推进器单元I和顺时针旋转微推进器单元II。
本发明的特点：1)与传统电阻加热的液体蒸发式微推进器相比，具有结构和制作工艺简单、推力大等优点；2)将多个基于感应加热的液体蒸发型微推进器集成在一个薄片型结构上，在一个基片上实现了向前推进、向左推进、向右推进、向上推进、向下推进、顺时针旋转推进和逆时针旋转推进的多极输出集成。
附图说明
图1：本发明单个正面式微推进器分解视图；
图2：本发明单个正面式微推进器剖面视图；
图3：本发明单个侧面式微推进器分解视图；
图4：本发明单个侧面式微推进器下基底局部剖视图；
图5：本发明多极输出阵列式薄型MEMS微推进器分解视图；
图6：本发明上盖片俯视图；
图7：本发明基底整体俯视图；
图8：本发明PCB电路板俯视图；
图9：本发明的多极输出阵列式薄型MEMS微推进器工作原理示意图；
图10：本发明上盖片工艺制作过程示意图；
图11：本发明下基底工艺制作过程示意图；
图中：1.上盖片，2.微流道，3.正面微喷嘴，4.加热盘，5.加热蒸发腔，6.基底，7.励磁线圈引线电极I，8.励磁线圈，9.PCB电路板，10.励磁线圈引线电极II，11.侧面微喷嘴，12.正面式微喷嘴阵列单元，13.侧面式微推进器进液口，14.正面式微推进器进液口，15.正面式微推进器阵列单元，16.侧面微推进器单元I，17.侧面微推进器单元II，18.励磁线圈阵列单元I，19.励磁线圈阵列单元II，20.向右推进微推进器单元，21.顺时针旋转式微推进器单元I，22.向上推进微推进器单元，23.逆时针旋转微推进器I，24.向右推进的微推进器单元，25.顺时针旋转微推进器单元II，26.向下推进微推进器单元，27.逆时针旋转微推进器单元II，28.光刻胶I，29.掩蔽层，30.光刻胶II，31.金属铬，32金属铜。
具体实施方式
采用200μm厚双面抛光硅片作为上盖片1，在上盖片1上制作侧面式微推进器进液口13和正面式微推进器进液口14，采用各向同性湿法腐蚀工艺，具体步骤如下：
第一步，图10(a)所示，用标准RCA工艺对上基底1进行清洗；在两面都热氧化生长lμm厚Si02，再用PECVD淀积2μm的Si3N4，作为掩蔽层29，并在掩蔽层29上、下表面涂光刻胶I28；
第二步，图10(b)所示，用紫外深度曝光光刻机制作出圆形图案，以CHF3和He的混合气体反应离子刻蚀(DRIE)圆形孔中的Si02和Si3N4组成的掩蔽层29，暴露出上基底1表面，形成圆形待刻蚀窗口；
第三步，图10(c)所示，用温度为80-85℃HNO3溶液腐蚀硅基底，腐蚀出进液通孔；
第四步，图10(d)所示，去除光刻胶I28，用磷酸和HF酸去除掩蔽层29，在基底1上制备出侧面式微推进器进液口13和正面式微推进器进液口14；
然后在上盖片1上制作正面式微喷嘴阵列单元12，主要采用各向异性湿法腐蚀工艺，步骤同各向同性湿法腐蚀类似，主要区别是腐蚀液用温度为80-85℃的KOH溶液代替HNO3溶液，腐蚀形成先收缩后扩张的形状。
基底6采用玻璃片制作，具体步骤如下：
第一步，图11(a)所示，对下基底6进行清洗；在基底6的上、下表面溅射金属铬31，其厚度约为300nm，再在铬31上表面涂正性光刻胶II30，其厚度约为280nm；
第二步，图11(b)所示，光刻、显影，去除光刻胶II30；采用湿法刻蚀去除金属薄膜铬29；
第三步，图11(c)所示，采用湿法腐蚀玻璃，加工出位于下基底6的微流道2和加热蒸发腔5，深度约为200μm；
第四步，图11(d)所示，用丙醇溶液去除光刻胶II30；湿法刻蚀去除金属薄膜铬31；
第五步，图11(e)所示，基底6上表面先溅射铬31，再溅射铜32，并旋涂一层正性光刻胶II30；
第六步，图11(f)所示，光刻、显影，去除光刻胶II30，露出中心圆形腔；
第七步，图11(g)所示采用电镀工艺，电镀出金属加热盘4；
第八步，图11(h)用丙酮溶液去除正性光刻胶II30；湿法刻蚀去除金属铜32和金属铬31，最终得到下基底6；
本发明多极输出阵列式薄型MEMS微推进器的上盖片1、基底6制作完成后，采用键合方法将上盖片1、基底6组装在一起，最后再和带有励磁线圈的PCB电路板9粘合在一起。
Claims (9)
1.一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：该微推进器采用正面式微推进器和侧面式微推进器相结合的方式；正面式微推进器由上盖片(1)、微流道(2)、正面微喷嘴(3)、加热盘(4)、加热蒸发腔(5)、基底(6)、励磁线圈(8)和PCB电路板(9)组成；上盖片(1)、基底(6)和PCB电路板(9)由上到下顺次布置；
所述微流道(2)制作于基底(6)的上表面，微流道(2)与供液系统相连通；
所述正面微喷嘴(3)制作在上盖片(1)上，正面微喷嘴(3)是一种贯穿孔，正面微喷嘴(3)形状为先收缩后扩张的拉瓦尔口；
所述微流道(2)与加热蒸发腔(5)制作在基底(6)上，且微流道(2)与加热蒸发腔(5)的深度相等且相互连通；
所述加热盘(4)制作在加热蒸发腔(5)的上表面的中心；
所述励磁线圈(8)制作在PCB电路板(9)上，励磁线圈(8)的形状为多边形或圆形平面螺旋线圈；励磁线圈引线电极I(7)和励磁线圈引线电极II(10)与励磁线圈(8)连接；
所述的励磁线圈引线电极I(7)和励磁线圈引线电极II(10)，分别连接交流电源两个输出端，为励磁线圈(8)通入交流电流；
侧面式微推进器的加热方式和系统组成与正面式微推进器相同，侧面式微推进器与正面式微推进器不同之处在于侧面微喷嘴(11)制作在侧面式微推进器的基底(6)上，侧面微喷嘴(11)的形状为先收缩后扩张的拉瓦尔口，侧面微喷嘴(11)通过侧面式微推进器的基底(6)侧壁与外界相连通；
基底(6)包括正面式微推进器单元(15)、侧面式微推进器单元I(16)和侧面式微推进器单元II(17)；所述正面式微推进器单元(15)共有四个，每个单元包括四个正面式微推进器，其共用一个正面式微推进器进液口(14)；
所述侧面式微推进器单元I(16)和侧面式微推进器单元II(17)各共有四个，分布两两对称；其位置在圆周上呈均匀分布；
所述励磁线圈阵列单元I(18)共有四个，其位置与正面式微推进器单元(15)相对应；所述励磁线圈阵列单元II(19)共有八个，其位置与侧面式微推进器单元I(16)和侧面式微推进器单元II(17)相对应。
2.根据权利要求1所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：加热盘(4)为圆形金属盘，加热盘(4)材料为铜、镍或坡莫合金。
3.根据权利要求1所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：上盖片(1)包括正面式微喷嘴阵列单元(12)、侧面式微推进器进液口(13)和正面式微推进器进液口(14)；PCB电路板(9)包括励磁线圈阵列单元I(18)和励磁线圈阵列单元II(19)。
4.根据权利要求3所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：所述正面式微喷嘴阵列单元(12)共有四个，其位置两两相互对称分布。
5.根据权利要求3所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：所述侧面式微推进器进液口(13)共有八个进液口，其位置在圆周上呈均匀分布。
6.根据权利要求3所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：所述正面式微推进器进液口(14)共有四个，为圆形通孔，贯穿上盖片(1)。
7.根据权利要求1所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：当给励磁线圈引线电极I(7)和励磁线圈引线电极II(10)接通高频交变电流时，励磁线圈(8)产生交变磁场，在交变磁场的作用下，微加热盘(4)内产生电涡流，电涡流产生焦耳热，使加热蒸发腔(5)内部液体汽化成气体，并在微腔内形成高压气体，气体在高压的作用下经过正面微喷嘴(3)高速喷出，微推进器获得相反方向的驱动力。
8.根据权利要求1所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：
采用200μm厚双面抛光硅片作为上盖片(1)，在上盖片(1)上制作侧面式微推进器进液口(13)和正面式微推进器进液口(14)，采用各向同性湿法腐蚀工艺，具体步骤如下：
第一步，用标准RCA工艺对上盖片(1)进行清洗；在两面都热氧化生长lμm厚Si02，再用PECVD淀积2μm的Si3N4，作为掩蔽层，并在掩蔽层上、下表面涂光刻胶I；
第二步，用紫外深度曝光光刻机制作出圆形图案，以CHF3和He的混合气体反应离子刻蚀圆形孔中的Si02和Si3N4组成的掩蔽层，暴露出上盖片(1)表面，形成圆形待刻蚀窗口；
第三步，用温度为80-85℃HNO3溶液腐蚀硅基底，腐蚀出进液通孔；
第四步，去除光刻胶I，用磷酸和HF酸去除掩蔽层，在上盖片(1)上制备出侧面式微推进器进液口(13)和正面式微推进器进液口(14)；
然后在上盖片(1)上制作正面式微喷嘴阵列单元(12)，采用各向异性湿法腐蚀工艺，步骤同各向同性湿法腐蚀类似，区别是腐蚀液用温度为80-85℃的KOH溶液代替HNO3溶液，腐蚀形成先收缩后扩张的形状。
9.根据权利要求1所述的一种多极输出阵列式薄型MEMS微推进器，其特征在于：基底(6)采用玻璃片制作，具体步骤如下：
第一步，对基底(6)进行清洗；在基底(6)的上、下表面溅射金属铬，其厚度约为300nm，再在铬上表面涂正性光刻胶II，其厚度为280nm；
第二步，光刻、显影，去除光刻胶II；采用湿法刻蚀去除金属薄膜铬；
第三步，采用湿法腐蚀玻璃，加工出位于下基底(6)的微流道(2)和加热蒸发腔(5)，深度为200μm；
第四步，用丙醇溶液去除光刻胶II；湿法刻蚀去除金属薄膜铬；
第五步，基底(6)上表面先溅射铬，再溅射铜，并旋涂一层正性光刻胶II；
第六步，光刻、显影，去除光刻胶II，露出中心圆形腔；
第七步，采用电镀工艺，电镀出金属加热盘(4)；
第八步，用丙酮溶液去除正性光刻胶II；湿法刻蚀去除金属铜和金属铬，最终得到基底(6)；
多极输出阵列式薄型MEMS微推进器的上盖片(1)、基底(6)制作完成后，采用键合方法将上盖片(1)、基底(6)组装在一起，最后再和带有励磁线圈的PCB电路板(9)粘合在一起。
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