CN206448909U - 铁电微等离子体推进器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种铁电微等离子体推进器，属于微航天应用技术领域包括微喷管和铁电放电器，微喷管键合在铁电放电器上，微喷管和铁电放电器之间的固定剂采用环氧树脂，微喷管和铁电放电器中设有微通道，微喷管上设有出气的喷嘴，铁电放电器内设有铁电阴极放电区，推进剂气体由微通道的进气口进入铁电阴极放电区，经过微喷管的喷嘴喷出，喷嘴上设有内进气口和外出气口，内进气口和外出气口成倒金字塔形状。本实用新型相比于其他推进器，采用单一电源可以实现等离子体的产生和加速，结构简单，比较容易实现，有较高的功率推力比的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于微航天应用技术领域，应用于微型化的卫星系统方向，具体涉及一种铁电微等离子体推进器。
背景技术
上世纪末伴随着技术的发展微型化卫星系统被提出。微型化的卫星系统以其体积小、质量轻、成本低、效率高、精度高和研制周期短等特点被广泛提倡应用，甚至与有学者认为这将代表了航天器微型化发的方向是未来的重要发展趋势。微航天器可以单独的或者应用于舰队来完成外太空或地表任务。与大型推进器相比，这种推进器可以实现成本的重大节约并且减少风险。微推进器是微航天器的一项技术。FEPT是其中一种微推进器。
目前，已经有好几种成熟的技术给微航天器提供推力，其中三种是场发射推进器、胶体推进器和脉冲等离子体推进器。场发射推进器具有高比冲和高推力的准确性，但是相对较高的功率和电压是它的潜在劣势。胶体推进器操作功率比较低但需要比较大的功率去调节单元而且实现比较复杂。脉冲等离子体推进器实现简单，有足够小的冲量，但有较高的功率推力比和推进剂引入的污染问题。相对于其他微推进器，FEPT推进器产生等离子体和加速离子采用单电源，这不仅是其他推进器所不具备的优势同时也大大减少了电源加工单位的重量和复杂性。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种铁电微等离子体推进器，通过微喷管键合在铁电体放电器上，微喷管和铁电体放电器中设有微通道，微喷管上设有出气的喷嘴，铁电体放电器内设有铁电阴极放电区，推进剂气体由微通道的进气口进入铁电阴极放电区，经过微喷管的喷嘴喷出。本实用新型相比于其他推进器，此推进器采用单一电源就可以实现等离子体的产生和加速，结构简单，比较容易实现，有较高的功率推力比的优点。同时，我们加上一个类似拉瓦尔喷管形式的喷嘴，对产生的等离子体和喷出气体有加速作用，从而放大了推力器产生的推力。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种铁电微等离子体推进器，所述铁电微等离子体推进器包括微喷管和铁电放电器，微喷管键合在铁电放电器上，微喷管和铁电放电器之间的固定剂采用环氧树脂，微喷管和铁电放电器中设有微通道，微喷管上设有出气的喷嘴，铁电放电器内设有铁电阴极放电区，推进剂气体由微通道的进气口进入铁电阴极放电区，经过微喷管的喷嘴喷出，喷嘴上设有内进气口和外出气口，内进气口和外出气口成倒金字塔形状。
上述推进器中，所述微喷管采用硅材料制备，微喷管的外表面设有二氧化硅掩膜，铁电放电器的表面设有电极膜。所述内进气口在微喷管上的接触面大于外出气口在微喷管上的接触面。所述微通道设置在微喷管和铁电放电器之间形成水平进气结构或微通道安装在铁电放电器上形成垂直进气结构。所述水平进气结构中，微喷管和铁电放电器之间设有两个接触端，一个接触端是环氧树脂，另一个接触端是微通道。所述垂直进气结构中，微喷管和铁电放电器之间设有两个接触端，两个接触端都采用环氧树脂固定，铁电放电器上设置通孔为微通道。
本实用新型有益效果是:本实用新型中推进剂气体由喷嘴预留的微通道进气进入铁电阴极放电区，气体在该区域被外电场激励发生碰撞产生等离子体，然后通过喷嘴喷出。铁电阴极的电子发射增强了放电区域内的等离子体浓度，可有效提高微推进器的推力。基于MEMS工艺的批量加工方法，可实现微推进器阵列的加工和制造。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本实用新型的具体实施方式推进器垂直进气结构的进气示意图。
图2是本实用新型的具体实施方式推进器水平进气结构的进气示意图。
图3是本实用新型的具体实施方式的微喷管硅片双面氧化的结构示意图。
图4是本实用新型的具体实施方式的硅片正面RIE刻蚀后的结构示意图。
图5是本实用新型的具体实施方式的硅片背面RIE刻蚀后的结构示意图。
图6是本实用新型的具体实施方式的硅片正反两面KOH刻蚀出喷管喉颈的结构示意图。
图7是本实用新型的具体实施方式对图6硅片处理后的结构示意图。
图8是本实用新型的具体实施方式刻蚀出水平通气流道的结构示意图。
图9是本实用新型的具体实施方式对图8处理后的结构示意图。
图10是本实用新型的具体实施方式的铁电体正面沉积电极膜后的结构示意图。
图11是本实用新型的具体实施方式的铁电体背面沉积电极膜后的结构示意图。
图12是本实用新型的具体实施方式的水平进气结构微推进器的结构示意图。
图13是本实用新型的具体实施方式对图6去除SiO2掩膜的结构示意图。
图14是本实用新型的具体实施方式对图13的硅片双面氧化后的结构示意图。
图15是本实用新型的具体实施方式铁电体上制作通孔的结构示意图。
图16是本实用新型的具体实施方式垂直进气结构微推进器的结构示意图。
图中，1，二氧化硅；2，硅；3，环氧树脂；4、铁电体；5、电极。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图所示，一种铁电微等离子体推进器，包括微喷管和铁电放电器，微喷管键合在铁电放电器上，微喷管和铁电放电器之间的固定剂采用环氧树脂，微喷管和铁电放电器中设有微通道，微喷管上设有出气的喷嘴，铁电放电器内设有铁电阴极放电区，推进剂气体由微通道的进气口进入铁电阴极放电区，经过微喷管的喷嘴喷出，喷嘴上设有内进气口和外出气口，内进气口和外出气口成倒金字塔形状。
微喷管采用硅材料制备，微喷管的外表面设有二氧化硅掩膜，铁电放电器的表面设有电极膜，内进气口在微喷管上的接触面大于外出气口在微喷管上的接触面。微通道设置在微喷管和铁电放电器之间形成水平进气结构或微通道安装在铁电放电器上形成垂直进气结构。水平进气结构中，微喷管和铁电放电器之间设有两个接触端，一个接触端是环氧树脂，另一个接触端是微通道。垂直进气结构中，微喷管和铁电放电器之间设有两个接触端，两个接触端都采用环氧树脂固定，铁电放电器上设置通孔为微通道。水平进气结构加工工艺相比于垂直进气结构加工工艺要简单，而垂直进气结构在外接进气管是教容易实现的，且利用环氧树脂键合时不会堵住气体流道。
本实用新型采用硅加工工艺，设计了一种在硅片两面进行双面刻蚀倒金字塔，通过控制刻蚀厚度直至释放出喷管喉颈结构的推进器喷嘴。对于垂直进气结构，从铁电体中进气，采用飞秒激光脉冲技术加工中央进气孔。
铁电微等离子体推进器的水平进气结构加工方法为：
步骤1.微喷管选用硅片材质，硅片清洗后在1100℃的高温氧化炉内双面氧化，如图3所示。
步骤2.在硅片正面涂覆光刻胶以此为掩膜，利用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)方法刻蚀SiO2薄膜使其图形化，如图4所示。
步骤3.在硅片背面涂覆光刻胶为掩膜在RIE中刻蚀SiO2薄膜使其图形化，如图5所示。
步骤4.以SiO2为保护掩膜，正反两面同时刻蚀锥形金字塔空腔直至释放出喷管喉颈，如图6所示。
步骤5.去除SiO2掩膜后重新在氧化炉内的双面氧化，如图7所示。
步骤6.再次以光刻胶为掩膜在释放喷管处刻蚀出水平通气流道，有水平通气流道的喷管一侧的厚度小于没有水平通气流道的喷管另一侧厚度，如图8所示。
步骤7.再次去除SiO2掩膜后重新在氧化扩散炉内双面氧化，如图9所示。
步骤8.铁电放电器选用铁电体，利用薄膜沉积工艺在铁电体正面沉积电极膜并光刻后图形化，如图10所示，利用薄膜沉积工艺在铁电体背面沉积电极膜，如图11所示。
步骤9.使用键合技术把微喷管和铁电阴极放电器键合一起构成具有水平进气结构的微推进器，如图12所示。
铁电微等离子体推进器的垂直进气结构加工方法：
步骤1.微喷管选用硅片材质，硅片清洗后在1100℃的高温氧化炉内双面氧化，如图3所示。
步骤2.在硅片正面涂覆光刻胶以此为掩膜，利用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)方法刻蚀SiO2薄膜使其图形化，如图4所示。
步骤3.在硅片背面涂覆光刻胶为掩膜在RIE中刻蚀SiO2薄膜使其图形化，如图5所示。
步骤4.以SiO2为保护掩膜，正反两面同时刻蚀锥形金字塔空腔直至释放出喷管喉颈，如图6所示。
步骤5.去除SiO2掩膜，如图13所示，再重新1100℃的高温氧化炉内的双面氧化微喷管部分完成，如图14所示，图14中的喷管两侧的厚度相同，和图9中的喷管两侧厚度不同。
步骤6.铁电放电器选用铁电体，利用薄膜沉积工艺在铁电体正面沉积电极膜并光刻后图形化，如图11所示。接着利用薄膜沉积工艺在铁电体背面沉积电极膜，如图12所示。
步骤7.在铁电体上制作通孔以作为通气孔完成铁电阴极放电器部分，如图15所示。
步骤8.使用键合技术把微喷管和铁电阴极放电器键合一起构成具有垂直进气结构的微推进器，如图16所示。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种铁电微等离子体推进器，其特征在于，所述铁电微等离子体推进器包括微喷管和铁电体放电器，微喷管键合在铁电体放电器上，微喷管和铁电体放电器之间的固定剂采用环氧树脂，微喷管和铁电体放电器中设有微通道，微喷管上设有出气的喷嘴，铁电放电器内设有铁电阴极放电区，推进剂气体由微通道的进气口进入铁电阴极放电区，经过微喷管的喷嘴喷出，喷嘴上设有内进气口和外出气口，内进气口和外出气口成倒金字塔形状。
2.根据权利要求1所述的铁电微等离子体推进器，其特征在于，所述微喷管采用硅材料制备，微喷管的外表面设有二氧化硅掩膜，铁电放电器的表面设有电极膜。
3.根据权利要求1所述的铁电微等离子体推进器，其特征在于，所述内进气口在微喷管上的接触面大于外出气口在微喷管上的接触面。
4.根据权利要求1所述的铁电微等离子体推进器，其特征在于，所述微通道设置在微喷管和铁电放电器之间形成水平进气结构或微通道刻蚀在铁电放电器上形成垂直进气结构。
5.根据权利要求4所述的铁电微等离子体推进器，其特征在于，所述水平进气结构中，微喷管和铁电放电器之间设有两个接触端，一个接触端是环氧树脂，另一个接触端是微通道。
6.根据权利要求4所述的铁电微等离子体推进器，其特征在于，所述垂直进气结构中，微喷管和铁电放电器之间设有两个接触端，两个接触端都采用环氧树脂固定，铁电放电器上设置通孔为微通道。
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| CN106704132A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-05-24 | 安徽工程大学 | 铁电微等离子体推进器 |
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