硅基mems陣列式推進(jìn)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅基MEMS陣列式推進(jìn)器及其制備方法，屬于微推進(jìn)【技術(shù)領(lǐng)域】。該推進(jìn)器主要包括分別位于硅片上、下表面的噴嘴陣列部分和電路部分；噴嘴陣列為硅片上表面內(nèi)凹形成的空腔陣列組成，各噴嘴內(nèi)填充油燃料；電路部分由硅片下表面濺射的點(diǎn)火電阻2陣列、點(diǎn)火導(dǎo)線3和焊盤4組成，各點(diǎn)火電阻2與各噴嘴1位置相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明同時(shí)公布了制備上述硅基MEMS陣列式推進(jìn)器的無鍵合工藝方法。本發(fā)明的有益效果是：將噴嘴和點(diǎn)火電阻等集成在硅材料的上下表面，避免了原有MEMS推進(jìn)器鍵合、組裝等流程，極大地提高推進(jìn)器的制作效率；同時(shí)避免因原有的玻璃層和點(diǎn)火電路的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致地點(diǎn)火器斷裂、失效問題，提高了成品率。
【專利說明】硅基MEMS陣列式推進(jìn)器及其制備方法
[0001]所屬領(lǐng)域:
[0002]本發(fā)明涉及了一種硅基MEMS陣列式推進(jìn)器及其制備方法，用于皮衛(wèi)星的位置保持、姿態(tài)控制和軌道調(diào)整等，屬于微推進(jìn)技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
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[0003]推進(jìn)系統(tǒng)是大多數(shù)航天器的關(guān)鍵子系統(tǒng)，主要用于航天器的位置保持、姿態(tài)控制、引力補(bǔ)償和軌道調(diào)整等。隨著微型航天器，如微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟，若需要微型航天器完成某些特殊任務(wù)，如衛(wèi)星編隊(duì)飛行，則需要給這些微型航天器配備推進(jìn)系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)體積和質(zhì)量都比較大，不能適用于微型航天器，因此迫切需求適合于微型衛(wèi)星的高可靠性、低功耗、微推力、微沖量的微型推進(jìn)系統(tǒng)。
[0004]基于MEMS技術(shù)的微型推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)上對(duì)傳統(tǒng)的推進(jìn)器進(jìn)行了改進(jìn)，在工藝上結(jié)合了微納米及微細(xì)加工技術(shù)，具有易實(shí)現(xiàn)小型化、集成化、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此成為微推進(jìn)系統(tǒng)的重要研究方向。通常，MEMS推進(jìn)器包括硅結(jié)構(gòu)層和玻璃層，噴嘴結(jié)構(gòu)在硅結(jié)構(gòu)層上，采用濕法刻蝕工藝，利用硅和玻璃鍵合形成微型推進(jìn)器。在鍵合過程中，由于玻璃層和點(diǎn)火電路的熱膨脹系數(shù)不同，1000°C的鍵合溫度極易使得玻璃層上的點(diǎn)火電阻斷裂，導(dǎo)致點(diǎn)火器失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的是:為克服現(xiàn)有微型推進(jìn)器技術(shù)因鍵合溫度過高導(dǎo)致的點(diǎn)火器斷裂失效問題，本發(fā)明提出一種只用硅材料形成的MEMS陣列式推進(jìn)器。
[0006]如圖1、圖2所示，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，主要包括分別位于硅片上、下表面的噴嘴陣列部分和電路部分；噴嘴陣列為硅片上表面內(nèi)凹形成的空腔陣列組成，各噴嘴內(nèi)填充油燃料；電路部分由硅片下表面濺射的點(diǎn)火電阻2陣列、點(diǎn)火導(dǎo)線3和焊盤4組成，所述點(diǎn)火電阻2通過點(diǎn)火導(dǎo)線3與焊盤4連接；各點(diǎn)火電阻2與各噴嘴I位置相對(duì)應(yīng)；各噴嘴I底部，即內(nèi)凹空腔的底部與下表面之間的距離為10-20微米。
[0007]更進(jìn)一步的，所述點(diǎn)火電阻2由2根并聯(lián)點(diǎn)火器構(gòu)成；
[0008]更進(jìn)一步的，所述電路部分材料為金。
[0009]工作時(shí)，通過焊盤4、點(diǎn)火導(dǎo)線3、給各點(diǎn)火電阻2通電，點(diǎn)火電阻2溫度升高，再通過硅材料將熱量傳遞至相應(yīng)噴嘴內(nèi)的燃料，熱量達(dá)到燃料的點(diǎn)燃溫度后，燃料點(diǎn)燃，噴嘴I內(nèi)壓強(qiáng)增大，氣體通過噴嘴I噴出，產(chǎn)生推進(jìn)效果。
[0010]參考圖3，上述硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，采用無鍵合工藝制作，其制備過程包括如下步驟:
[0011 ] 第一步，圖3 (a)所示，對(duì)普通硅片5進(jìn)行清洗；在硅片5的上表面濺射鋁7，金屬鋁7的厚度為400nm到550nm，再在鋁7的表面涂光刻膠6、光刻膠6的厚度為200nm到800nm ；
[0012]第二步，圖3(b)所示，光刻、顯影，去除光刻膠6，濕法刻蝕金屬鋁7 ；
[0013]第三步，圖3 (c)所示，ICP干法刻蝕硅片5，刻蝕深度400 μ m到480 μ m,在硅片5上表面得到噴嘴結(jié)構(gòu)；
[0014]第四步，圖3(d)所示，去除硅片5上表面的光刻膠6，再清洗硅片5，在硅5的下表面再涂光刻膠6，光刻膠6的厚度為300nm到700nm，光刻、顯影，去除光刻膠，得到點(diǎn)火器圖形；
[0015]第五步，圖3(e)所示，在涂有光刻膠6的硅片5表面濺射金屬薄膜8，金屬薄膜8應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能，如金屬銅、鉬，金等，金屬薄膜8的厚度為100nm-300nm ；
[0016]第六步，圖3(f)所示，去除光刻膠，形成點(diǎn)火電阻2、點(diǎn)火導(dǎo)線3以及焊盤4。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:將噴嘴和點(diǎn)火電阻等集成在硅材料的上下表面，避免了原有MEMS推進(jìn)器鍵合、組裝等流程，極大地提高推進(jìn)器的制作效率；同時(shí)避免因原有的玻璃層和點(diǎn)火電路的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致地點(diǎn)火器斷裂、失效問題，提高了成品率。
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明中的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器上層示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明中的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器下層示意圖；
[0021]圖3是硅基MEMS陣列式推進(jìn)器無鍵合工藝制作過程示意圖。
[0022]圖中，1-噴嘴，2-點(diǎn)火電阻，3-點(diǎn)火導(dǎo)線，4-焊盤，5-硅片，6_光刻膠，7_金屬鋁，8-金屬薄膜。

【具體實(shí)施方式】
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[0023]參閱圖1-2，本實(shí)施例中的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，包括噴嘴1、點(diǎn)火電阻2、點(diǎn)火導(dǎo)線3和焊盤4 ;硅基材料的厚度為500 μ m ;所述推進(jìn)器上表面內(nèi)凹480 μ m形成噴嘴2 ；噴嘴2為直徑1000 μ m的圓形；所述推進(jìn)器下表面濺射有點(diǎn)火電阻2、點(diǎn)火導(dǎo)線3和焊盤4 ;點(diǎn)火電阻2由兩根并聯(lián)蛇形折疊狀金屬金薄膜電阻構(gòu)成；金的寬度和厚度分別為50 μ m、300nm ;各點(diǎn)火電阻2與各噴嘴I的位置相對(duì)應(yīng)；點(diǎn)火電阻2連有點(diǎn)火導(dǎo)線3 ;點(diǎn)火導(dǎo)線3的寬度和厚度分別為100 μ m、300nm ;點(diǎn)火導(dǎo)線3與焊盤4連接；焊盤4的面積和厚度分別為
0.5mm2、300nm。
[0024]工作時(shí)，通過焊盤4、點(diǎn)火導(dǎo)線3、給點(diǎn)火電阻2通電，點(diǎn)火電阻2溫度升高，再通過硅材料將熱量傳遞至噴嘴里的燃料，與點(diǎn)火電阻2對(duì)應(yīng)的硅材料的厚度為20 μ m,熱量達(dá)到燃料的點(diǎn)燃溫度，燃料為比例為60%:40%的史蒂芬酸鉛和硝化棉，點(diǎn)燃溫度為275°C，燃料點(diǎn)燃后，噴嘴I內(nèi)壓強(qiáng)增大，氣體通過噴嘴I噴出，產(chǎn)生推進(jìn)效果。
[0025]該實(shí)施例中微型固態(tài)化學(xué)推進(jìn)器的制作流程為:
[0026]第一步，圖3 (a)所示，對(duì)普通硅片5進(jìn)行清洗；在硅片5的上表面濺射金屬鋁7，金屬鋁7的厚度為450nm，再在鋁3的表面涂光刻膠6、光刻膠6的厚度為300nm ；
[0027]第二步，圖3(b)所示，光刻、顯影，去除光刻膠6，采用氫氟酸溶液刻蝕金屬鋁7 ；
[0028]第三步，圖3 (C)所示，ICP刻蝕硅片5，刻蝕深度480 μ m,在硅片5上表面得到噴嘴結(jié)構(gòu)；
[0029]第四步，圖3(d)所示，去除硅片5上表面的光刻膠6，再清洗硅片5，在硅5的下表面再涂光刻膠6，光刻膠6的厚度為350nm，光亥lj、顯影，去除光刻膠，得到點(diǎn)火器圖形；
[0030]第五步，圖3(e)所示，在涂有光刻膠6的硅片5表面濺射，本實(shí)施例中金屬薄膜8為金薄膜，金屬薄膜8的厚度為200nm ；
[0031]第六步，圖3(f)所示，利用丙酮溶液去除光刻膠，形成點(diǎn)火電阻2、點(diǎn)火導(dǎo)線3以及焊盤4，在硅片5下表面得到點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)；最終得到陣列式推進(jìn)器。
【權(quán)利要求】
1.硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，其特征在于，主要包括分別位于硅片上、下表面的噴嘴陣列部分和電路部分；噴嘴陣列為硅片上表面內(nèi)凹形成的空腔陣列組成，各噴嘴內(nèi)填充油燃料；電路部分由硅片下表面濺射的點(diǎn)火電阻2陣列、點(diǎn)火導(dǎo)線3和焊盤4組成，所述點(diǎn)火電阻2通過點(diǎn)火導(dǎo)線3與焊盤4連接；各點(diǎn)火電阻2與各噴嘴I位置相對(duì)應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，其特征在于，所述噴嘴I底部，即內(nèi)凹空腔的底部與下表面之間的距離為10-20微米。
3.如權(quán)利要求1所述的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，其特征在于，所述點(diǎn)火電阻2由2根并聯(lián)點(diǎn)火器構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器，其特征在于，所述電路部分材料為金。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的硅基MEMS陣列式推進(jìn)器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，對(duì)普通硅片5進(jìn)行清洗；在硅片5的上表面濺射鋁7，再在鋁7的表面涂光刻膠6 ; 第二步，光刻、顯影，去除光刻膠6，濕法刻蝕金屬鋁7 ; 第三步，ICP干法刻蝕硅片5，在硅片5上表面得到噴嘴結(jié)構(gòu)； 第四步，去除硅片5上表面的光刻膠6，再清洗硅片5，在硅5的下表面再涂光刻膠6，光亥IJ、顯影，去除光刻膠，得到點(diǎn)火器圖形； 第五步，在涂有光刻膠6的娃片5表面派射金屬薄膜8 ； 第六步，去除光刻膠，形成點(diǎn)火電阻2、點(diǎn)火導(dǎo)線3以及焊盤4。
【文檔編號(hào)】F02K9/42GK104196650SQ201410283064
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】謝建兵, 申強(qiáng), 屈貝妮, 常洪龍, 苑偉政 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)