CN1185139C - 微型胶体推进器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
微型胶体推进器及其制作方法，属于微小卫星应用的电推进器技术领域。该微型胶体推进包括上层硅片、下层硅片和中间的玻璃垫片，形成“三明治”结构。通过采用硅晶片和其微型化设计及微机械制造的方法，大幅度降低了微型胶体推进器的体积、重量和工作电压。例如由192个喷头组成的微型胶体推进器，工作电压1300伏，产生的推力为400微牛，比冲为200秒，体积仅为10毫米×10毫米×10毫米，重量为2克，最小可控的单位冲量为2微牛秒。因此，完全可以达到微小卫星姿态控制对推进器的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型化的胶体推进器及其制造方法，属于微小卫星应用的电推进器技术领域。
背景技术
胶体推进器的理论起源于四十年代，在六、七十年代作为电推进的一种曾经被美国科学家用于替代低比冲化学推进器研究过近二十年的时间。胶体推进器一般都由喷头阵列组成，每个喷头都有一个源极(发射极)和一个抽取极(加速极)，强极性的工质通过缓慢供给系统到达源极的尖端，与此同时，加在源极和抽取极间的高电压在源极的尖端形成高场强，工质形成带电液滴，破裂、并被高场强加速，通过抽取极高速喷出，产生推力。如文献“researchon a charged particle bipolar thruster”(AIAA67-128)中介绍到的就是其中一个典型的例子。该胶体推进器由73个喷头组成，所有喷头的源极在同一个金属板上通过精密加工的方法制作，其抽取极也是由金属板加工而成，两层电极之间通过绝缘的柱体隔开。采用甘油和碘化钠重量比为10∶2的混合物作为工质，工作电压4400伏，产生的推力为400微牛，比冲为450-700秒，重量为10公斤，最小可控的单位冲量为5微牛秒。
但上述这种胶体推进器无法产生适合于当时的大卫星姿态控制用的大的推力，另一方面，由于其喷头阵列本身体积、重量过大，而且由于工作电压高导致的附加的伺服机构的体积过大，使得这种胶体推进器也无法在总体重量小于10公斤的微小卫星上应用。因而到八十年代，胶体推进器的研究被搁置起来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型胶体推进器及其制作方法，通过采用硅晶片和其微型化设计以及微机械制造的方法，大幅度减小微推进器的体积和重量，降低其工作电压，进一步减小推进器伺服机构的体积和重量，最终使之达到微小卫星姿态控制对推进器的要求。
本发明所采用的技术方案如下：一种微型胶体推进器，其特征在于含有上、下两层硅片及中间的绝缘垫片，下层硅片为源极阵列，所述源极阵列上带有多个中空突起，在中空的突起表面和整个下硅片的表面覆盖有金属层；上层硅片为抽取极阵列，抽取极阵列上带有凹状的金属电极。
本发明所述的中间绝缘垫片为玻璃层，该玻璃层通过键合与源极阵列和抽取极阵列构成工质通道。
所述的中空突起的高度为10-100微米；中空突起可采用圆柱状，每个中空柱状体的内半径为1-50微米、外径为2-60微米。
本发明所述的上层硅片上的凹状金属电极可采用一个或多个，与源极上相应的突起相对应，形成一个喷射的通道。
本发明所述的凹状金属电极可采用圆环形，圆的半径为5-100微米。
本发明还提供了一种制备上述微型胶体推进器的制作方法，该方法包括如下步骤：
(1)清洗、抛光两硅片，在两个硅晶片上双面淀积二氧化硅和氮化硅作为体硅腐蚀的抗蚀剂；
(2)在两个硅片上图形化硅晶片背面的二氧化硅和氮化硅层，以形成体硅腐蚀的掩膜；
(3)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀用作下片的硅晶片，形成工质供给的通道；
(4)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀用作上片的硅晶片，形成工质加速的通道；
(5)用作下片的硅晶片经漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，并光刻；
(6)用作下片的硅晶片以光刻胶作掩膜，通过感应耦合等离子体干法腐蚀，形成源极上中空突起的内腔；
(7)用作下片的硅晶片去掉光刻胶，通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体
干法腐蚀形成源极中空的柱体；
(8)用作下片的硅晶片在正面溅射铝，形成源极的导电极；
(9)用作上片的硅晶片漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，并图形化铝，形成抽取极的电极，去胶；
(10)用作下片的硅晶片通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体干法腐蚀、穿透，形成抽取极中空的环形电极；
(11)用腐蚀的方法制作玻璃垫片；
(12)将上片、下片和玻璃垫片键合形成微型胶体推进器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：
(1)结构简单，采用“三明治”结构，提高了可靠性。
(2)具有体积小、重量轻的特点。如由192个喷头组成的推进器，工作电压1300伏时，产生的推力为400微牛，比冲为200秒，体积仅为10毫米×10毫米×10毫米，重量为2克，最小可控的单位冲量为2微牛秒。
(3)采用微加工的方法制作，使推进器阵列的面密度大幅度增加。
(4)微胶体推进器阵列的源极、抽取极尺寸降到微米量级，尺寸效应带来工作电压可降低到1300V。
(5)微胶体推进器可以通过不同数量的喷头和在每个喷头的源极、抽取极之间施加不同的电压输出不同推力。抽取极单独可控，通过抽取极的单独控制可以实现同一个胶体推进器上不同喷头的组合，实现推力的变换。
(6)微胶体推进器输出的可控的最小单位冲量达到微牛秒级。
(7)制造成本低廉，适合于在流水线上大批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例的总体结构示意图。
图2是本发明实施例的下片结构示意图。
图3是本发明实施例的上片结构图示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明的原理、结构及具体实施方式：
本发明所提供的微型胶体推进器由微喷头阵列构成，每个喷头都包括一个源极和一个抽取极，工质通过缓慢流量控制系统后以一定的流速到达源极的顶端，在源极和抽取极之间施加的电压同时在源极的顶端形成高场强，高场强诱导强极性的工质荷电、形成液态锥台(CONE-JET)，最后破裂成带电的液滴并被高场强加速，形成推力。一般采用甘油和碘化钠(重量比为10∶2)的混合物作为工质。
图1是本发明的微型胶体推进器的总体结构示意图，图中3为微型胶体推进器的下片，在本发明中也称为源极硅片，其上中空的柱状突起5就是源极，柱状源极按需要N个成阵列分布，此处仅以一个为例；1为微型胶体推进器的上片，本发明中也称为抽取极硅片，抽取极上的电极与源极相对应。1和3通过与玻璃垫片2分别键合后连接起来，组成“三明治”结构，并形成源极和抽取极之间的间隙，构成一体化的微胶体推进器的主体部分。该主体部分通过引线6和封装用的印刷电路板4电气连接，外部的控制电压通过这些引线施加到微型胶体推进器的源极和抽取极上。
图2是本发明实施例下片的结构图。下片中的8是硅本体，其上通过腐蚀形成的空腔9是液体工质的通过通道，10为中空的源极的壁，按需要设定的N个源极阵列构成一个喷头，7是能够导电的铝层。
图3是本发明实施例上片的结构图。其中，12为作抗氢氧化钾腐蚀用的掩膜层氮化硅和二氧化硅层，13为其上腐蚀有空腔的硅本体，空腔14是加速后液滴的通过通道，11是铝质的电极，通过单独控制每个电极可以实现不同推力的组合。
所说的下层硅片3上有高度为10-100微米中空的柱状的突起阵列，阵列包括可按需要设计个数的中空柱状体，每个中空柱状体的内半径为1-50微米、外径为2-60微米。中空的柱状突起及整个下硅片的表面都覆盖有铝作为金属的电极，即微型胶体推进器的源极，工作时加高的正电压。
所说的上层硅片1上有一个或多个圆环状的铝电极，圆环的中心是一个圆形空洞，圆的半径为5-100微米，即微型胶体推进器的抽取极，与源极上相应的突起相对应(可以是一一对应，也可以间隔对应)，形成一个喷射的通道，工作时加零电压。
所说的中间玻璃垫片由玻璃腐蚀而成。玻璃垫片只有四周和上下硅片相接触，中间为空心，垫片的厚度形成源极和抽取极间的间隙。
本发明所提供的微型胶体推进器的下片具体的制作步骤为：
(a)在硅晶片上双面淀积二氧化硅和氮化硅作为体硅腐蚀的抗蚀剂。
(b)图形化硅晶片背面的二氧化硅和氮化硅层，以形成体硅腐蚀的掩膜。
(c)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀硅晶片，形成工质供给的通道。
(d)漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，光刻。
(e)以光刻胶作掩膜，通过感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀，形成源极上中空突起的内腔。
(f)去掉光刻胶，通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀形成源极中空的柱体。
(g)在正面溅射铝，形成源极的导电极。
本发明所提到的微型胶体推进器的上片制作的具体步骤为：
(h)在硅晶片上双面淀积二氧化硅和氮化硅作为体硅腐蚀的抗蚀剂。
(i)形化硅晶片背面的二氧化硅和氮化硅层，以形成体硅腐蚀的掩膜。
(j)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀硅晶片，形成工质加速的通道。
(k)漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，并图形化铝，形成抽取极的电极，去胶。
(l)通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀、穿透，形成抽取极中空的环形电极。
下面通过一个具体的实施例进一步了解本发明的制作工艺及步骤。
实施例：
1.下硅片制作步骤为：
(1)在硅晶片上双面淀积二氧化硅和氮化硅；
(2)图形化硅晶片背面的二氧化硅和氮化硅层，形成体硅腐蚀的掩膜；
(3)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀硅晶片240微米；
(4)漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，光刻；
(5)以光刻胶作掩膜，通过感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀80微米，形成源极上中空突起的内腔；
(6)掉光刻胶，通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀60微米形成源极中空的柱体；
(7)在正面溅射铝，形成源极的导电极；
2.上片的制作步骤为：
(1)在硅晶片上双面淀积二氧化硅和氮化硅作为体硅腐蚀的抗蚀剂；
(2)形化硅晶片背面的二氧化硅和氮化硅层；
(3)氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀硅晶片360微米；
(4)漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，并图形化铝，形成抽取极的电极，去胶；
(5)通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀20微米、穿透。
3、封装：
(1)将下片同玻璃垫片键合起来，形成玻璃—硅片共同体；
(2)将上片同玻璃—硅片键合起来，形成硅片—玻璃—硅片；
(3)粘接硅片—玻璃—硅片与底部的印刷电路板；
(4)粘接硅片—玻璃—硅片与顶部的印刷电路板；
(5)下硅片上的源极通过引线键合同底部印刷电路板上相应的供电的正极结点连接起来；
(6)上硅片上的抽取极通过引线键合同顶部印刷电路板上相应的供电的负极结点连接起来。
上述实施例由192个喷头组成，采用甘油和碘化钠(重量比为10∶2)的混合物作为工质，工作电压1300伏；经测定，产生的推力为400微牛，比冲为200秒，体积仅为10毫米×10毫米×10毫米，重量为2克，最小可控的单位冲量为2微牛秒。
Claims (7)
1、一种微型胶体推进器，其特征在于：含有上、下两层硅片及中间的绝缘垫片，下层硅片为源极阵列，所述源极阵列上带有多个中空突起，在中空的突起表面和整个下硅片的表面覆盖有金属层；上层硅片为抽取极阵列，抽取极阵列上带有凹状的金属电极。
2、按照权利要求1所述的微型胶体推进器，其特征在于：所述的中间绝缘垫片为玻璃层，该玻璃层通过键合与源极阵列和抽取极阵列构成工质通道。
3、按照权利要求1所述的微型胶体推进器，其特征在于：所述的中空突起的高度为10-100微米。
4、按照权利要求1、2或3所述的微型胶体推进器，其特征在于：所述的中空突起采用圆柱状，每个中空柱状体的内半径为1-50微米、外径为2-60微米。
5、按照权利要求1所述的微型胶体推进器，其特征在于：所述上层硅片上的凹状金属电极可采用一个或多个，与源极上相应的突起相对应，形成一个喷射的通道。
6、按照权利要求1或5所述的微型胶体推进器，其特征在于：所述的凹状金属电极采用圆形，圆的半径为5-100微米。
7.实施如权利要求1所述微型胶体推进器的制备方法，该方法采用微机械制造的方法在硅片上分别制造上片和下片，并通过硅—玻璃键合的方法，形成微型胶体推进器，其制造方法包括以下步骤：
(1)清洗、抛光两硅片，在两个硅晶片上双面淀积二氧化硅和氮化硅作为体硅腐蚀的抗蚀剂；
(2)在两个硅片上图形化硅晶片背面的二氧化硅和氮化硅层，以形成体硅腐蚀的掩膜；
(3)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀用作下片的硅晶片，形成工质供给的通道；
(4)用氢氧化钾腐蚀液体硅腐蚀用作上片的硅晶片，形成工质加速的通道；
(5)用作下片的硅晶片经漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，并光刻；
(6)用作下片的硅晶片以光刻胶作掩膜，通过感应耦合等离子体干法腐蚀，形成源极上中空突起的内腔；
(7)用作下片的硅晶片去掉光刻胶，通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体干法腐蚀形成源极中空的柱体；
(8)用作下片的硅晶片在正面溅射铝，形成源极的导电极；
(9)用作上片的硅晶片漂洗后在硅晶片的正面蒸铝，并图形化铝，形成抽取极的电极，去胶；
(10)用作下片的硅晶片通过图形化的铝作掩膜，感应耦合等离子体(ICP)干法腐蚀、穿透，形成抽取极中空的环形电极；
(11)用腐蚀的方法制作玻璃垫片；
(12)将上片、下片和玻璃垫片键合形成微型胶体推进器。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |