一種電阻浸入式微推進器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種電阻浸入式微推進器及其制備方法,屬于微推進技術領域。該推進器依次包括燃燒室陣列部分、點火器層、以及噴嘴陣列部分；燃燒室陣列部分通過刻蝕SOI硅片形成；噴嘴陣列為硅片表面貫通的空腔陣列組成；點火器層由SOI硅片上表面濺射的點火電阻2陣列，點火導線3和焊盤4組成，各點火電阻2與各燃燒室及噴嘴1位置相對應；火藥將各燃燒室單元填滿并部分填充所述噴嘴陣列的空腔單元，使得各點火電阻2單元完全浸入在火藥中。本發明的有益效果是：將點火器層集成在SOI硅片的上表面，利用SOI硅片的器件層浸入在火藥中，與火藥充分接觸，點火電阻通電時將熱量傳遞至燃燒室內的火藥，避免了部分熱量的無關散失，極大提高了點火的成功率。
【專利說明】
一種電阻浸入式微推進器及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及微推進技術和微機電系統領域，特別是涉及一種電阻浸入式微推進器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微推進器是一種基于MEMS(Microelectro-mechanical system，微機電系統)技術的推進器，由于采用集成設計，冗余設計和微型精密制造技術等先進思想和技術，微推進器具有小型化，集成化，低功耗的特點。隨著航天市場對航天任務低成本，短周期，高性能需求的提高，使得航天器小型化和微型化成為航天技術的發展趨勢，而傳統的衛星推進系統一般體積大，質量常占衛星總質量的30%-50%，遠不能勝任微型航天器任務的需求，因此，研究適合微型航天器軌道保持和姿態控制的高集成度，小沖量，低功耗的微型推進器，減少控制系統的執行部件數量，成為迫切需要解決的問題。
[0003]通常，MEMS推進器由眾多獨立的推進單元陣列組成，為三層類三明治結構，分別是點火器層，燃燒室層和噴嘴層，固體推進劑被澆注到燃燒室腔中。工作時，點火器點燃推進劑，復合推進劑各組分發生氧化還原反應形成高溫高壓燃氣，燃氣通過噴嘴排出，產生推力。在實際點火試驗中發現，由于點火器層與推進劑接觸不充分，以及與點火器層固連的襯底結構層會散失部分熱量，導致推進器單元無法點燃，從而導致微推進器失效，這對于微型航天器工作軌道及姿態的精確控制是致命的。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是，為了克服目前微推進器技術因推進劑與點火器接觸不充分導致的推進單元點燃失效問題，本發明提供了一種主要利用硅材料形成的電阻浸入式微推進器。如圖1，圖2所示，本發明所采用的技術方案是:電阻浸入式微推進器，依次包括燃燒室陣列部分、點火器層、以及噴嘴陣列部分;所述燃燒室陣列部分由刻蝕SOI硅片形成的多個貫通燃燒室單元組成;所述點火器層由與各燃燒室單元對應的點火電阻2單元組成，所述點火電阻2單元置于所述燃燒室單元器件層部分預留的焊盤支架上，各個點火電阻2之間通過點火導線3聯通，并經焊盤4引出電信號;噴嘴陣列為硅片表面多個貫通的空腔單元組成，所述各空腔單元與各燃燒室單元、各點火電阻2單元對應;火藥將各燃燒室單元填滿并部分填充所述噴嘴陣列的空腔單元，使得各點火電阻2單元完全浸入在火藥中。
[0005]更進一步的，所述點火器層材料為金。
[0006]工作時，通過焊盤4、點火導線3、給各點火電阻2通電，點火電阻2溫度升高，再將熱量傳遞至相應燃燒室內的燃料，熱量達到燃料的點燃溫度后，燃料點燃，燃燒室內壓強增大，氣體通過噴嘴噴出，產生推進效果。
[0007]參考圖3，上述電阻浸入式微推進器，采用MEMS工藝制作，其制備過程包括如下步驟:
[0008]第一步，圖3(a)所示，對SOI硅片5進行清洗;在SOI硅片5的下表面濺射鋁6，再在鋁6的表面涂光刻膠7;
[0009]第二步，圖3(b)所示，光刻，顯影，濕法腐蝕金屬鋁6;
[0010]第三步，圖3(c)所示，干法刻蝕SOI硅片5襯底層，刻穿襯底層后停止；
[0011]第四步，圖3(d)所示，去除SOI硅片5下表面的鋁6，濕法腐蝕SOI硅片5埋氧層，濕法腐蝕刻透埋氧層后停止；
[0012]第五步，圖3(e)所示，對SOI硅片5進行清洗;在SOI硅片5的上表面涂光刻膠7;
[0013]第六步，圖3(f)所示，光刻，顯影；
[0014]第七步，圖3(g)所示，在涂有光刻膠7的SOI硅片5上表面濺射金屬薄膜，金屬薄膜應具有良好的導電性能，如金屬銅，鉑，金等;金屬剝離，去除光刻膠7，形成點火電阻2，點火導線3，以及焊盤4;
[0015]第八步，圖3(h)所示，在SOI硅片5上表面涂光刻膠7，光刻，顯影；
[0016]第九步，圖3(i)所示，干法刻蝕SOI硅片5器件層，刻穿器件層后停止；
[0017]第十步，圖3(j)所示，去除光刻膠7，得到點火器層及燃燒室層；
[0018]第^^一步，圖3(k)所示，將SOI硅片5倒置放在平整的基片如玻璃9上并夾緊，向燃燒室內填充糊狀火藥10;
[0019]第十二步，圖3(1)所示，待火藥10干燥凝固成型后撤去基片，并在SOI硅片5下表面用膠粘或鍵合的方法連接一玻璃基底9;
[0020]第十三步，圖3(m)所示，取一硅片11清洗，分別在上下表面制備二氧化硅掩膜；
[0021]第十四步，圖3(n)所示，圖形化二氧化硅掩膜，濕法腐蝕硅片11，在硅片11上得到噴嘴I陣列結構；
[0022]第十五步，圖3(0)所示，去除硅片11上的二氧化硅掩膜，然后通過膠粘或鍵合的方法將硅片11連接到SOI硅片5上表面，再向噴嘴層中填充糊狀火藥10，待火藥10干燥凝固成型后最終得到電阻浸入式微推進器。
[0023]與現有技術相比，本發明的有益效果是:將點火器層集成在SOI硅片的上表面，同時利用SOI硅片的點火器層浸入在火藥中，與火藥充分接觸，當點火電阻通電時，SOI硅片的點火器層將熱量傳遞至燃燒室內的火藥，避免了熱量的無關散失，極大提高了點火的成功率。
【附圖說明】
[0024]圖1為:本發明中的電阻浸入式微推進器裝配體示意圖；
[0025]圖2為:本發明中的電阻浸入式微推進器各層示意圖；
[0026]圖3為:電阻浸入式微推進器工藝制作過程示意圖。
[0027]圖中，1-噴嘴，2-點火電阻，3-點火導線，4-焊盤，5-S0I硅片，6_鋁，7_光刻膠，8_金屬薄膜，9-玻璃，10-火藥，11-硅片。
【具體實施方式】
[0028]參閱圖1-2，本實例中的電阻浸入式微推進器，包括噴嘴1、點火電阻2、點火導線3和焊盤4，噴嘴I結構由硅片11濕法腐蝕形成，SOI硅片5上表面濺射有點火電阻2、點火導線
3、和焊盤4;點火電阻2為蛇形折疊狀金薄膜電阻構成，并附著在SOI硅片器件層上;金薄膜的寬度和厚度分別為50um、300nm;各點火電阻2與各噴嘴I和各燃燒室的位置相對應；點火電阻2連有點火導線3;點火導線3的寬度和厚度分別為100um、300nm;點火導線3與焊盤4連接，焊盤4的面積和厚度分別為0.5mm2、300nm。
[0029]工作時，通過焊盤4、點火導線3、給各點火電阻2通電，點火電阻2溫度升高，并將熱量傳遞至相應燃燒室內的燃料，熱量達到燃料的點燃溫度后，燃料點燃，燃燒室內壓強增大，氣體通過噴嘴I噴出，產生推進效果。
[0030]該實施例中電阻浸入式微推進器的制作流程為:
[0031]第一步，圖3(a)所示，對SOI硅片5進行清洗;在SOI硅片5的下表面濺射鋁6，再在鋁6的表面涂光刻膠7;
[0032]第二步，圖3(b)所示，光刻，顯影，濕法腐蝕金屬鋁6;
[0033]第三步，圖3(c)所示，干法刻蝕SOI硅片5襯底層，刻穿襯底層后停止；
[0034]第四步，圖3(d)所示，去除SOI硅片5下表面的鋁6，濕法腐蝕SOI硅片5埋氧層，濕法腐蝕刻透埋氧層后停止；
[0035]第五步，圖3(e)所示，對SOI硅片5進行清洗;在SOI硅片5的上表面涂光刻膠7;
[0036]第六步，圖3(f)所示，光刻，顯影；
[0037]第七步，圖3(g)所示，在涂有光刻膠7的SOI硅片5上表面濺射金屬薄膜，金屬薄膜應具有良好的導電性能，如金屬銅，鉑，金等;金屬剝離，去除光刻膠，形成點火電阻2，點火導線3，以及焊盤4;
[0038]第八步，圖3(h)所示，在SOI硅片5上表面涂光刻膠7，光刻，顯影；
[0039]第九步，圖3(i)所示，干法刻蝕SOI硅片5器件層，刻穿器件層后停止；
[0040]第十步，圖3(j)所示，去除光刻膠7，得到點火器層及燃燒室層；
[0041]第^^一步，圖3(k)所示，將SOI硅片5倒置放在平整的基片如玻璃9上并夾緊，向燃燒室內填充糊狀火藥10;
[0042]第十二步，圖3(1)所示，待火藥10干燥凝固成型后撤去基片，并在SOI硅片5下表面用膠粘或鍵合的方法連接一玻璃基底9;
[0043]第十三步，圖3(m)所示，取一硅片11清洗，分別在上下表面制備二氧化硅掩膜；
[0044]第十四步，圖3(n)所示，圖形化二氧化硅掩膜，濕法腐蝕硅片11，在硅片11上得到噴嘴I陣列結構；
[0045]第十五步，圖3(0)所示，去除硅片11上的二氧化硅掩膜，然后通過膠粘或鍵合的方法將硅片11連接到SOI硅片5上表面，再向噴嘴層中填充糊狀火藥10，待火藥10干燥凝固成型后最終得到電阻浸入式微推進器。
【主權項】
1.電阻浸入式微推進器，其特征在于，依次包括燃燒室陣列部分、點火器層、以及噴嘴陣列部分;所述燃燒室陣列部分由刻蝕SOI硅片形成的多個貫通燃燒室單元組成;所述點火器層由與各燃燒室單元對應的點火電阻2單元組成，所述點火電阻2單元置于所述燃燒室單元器件層部分預留的焊盤支架上，各個點火電阻2之間通過點火導線3聯通，并經焊盤4引出電信號;噴嘴陣列為硅片表面多個貫通的空腔單元組成，所述各空腔單元與各燃燒室單元、各點火電阻2單元對應;火藥將各燃燒室單元填滿并部分填充所述噴嘴陣列的空腔單元，使得各點火電阻2單元完全浸入在火藥中。2.如權利要求書所述的阻浸入式微推進器，其特征在于，所述點火器層材料為金。3.如權利要求1所述的電阻浸入式微推進器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，對SOI硅片5進行清洗;在SOI硅片5的下表面濺射鋁6，再在鋁6的表面涂光刻膠7； 第二步，光刻，顯影，濕法腐蝕金屬鋁6; 第三步，干法刻蝕SOI硅片5襯底層，刻穿襯底層后停止； 第四步，去除SOI硅片5下表面的鋁6，濕法腐蝕SOI硅片5埋氧層，濕法腐蝕刻透埋氧層后停止； 第五步，對SOI硅片5進行清洗;在SOI硅片5的上表面涂光刻膠7; 第六步，光刻，顯影； 第七步，在涂有光刻膠7的SOI硅片5上表面濺射金屬薄膜，金屬薄膜應具有良好的導電性能，如金屬銅，鉑，金等;金屬剝離，去除光刻膠7，形成點火電阻2，點火導線3，以及焊盤4; 第八步，在SOI硅片5上表面涂光刻膠7，光刻，顯影； 第九步，干法刻蝕SOI硅片5器件層，刻穿器件層后停止； 第十步，去除光刻膠7，得到點火器層及燃燒室層； 第十一步，將SOI硅片5倒置放在平整的基片如玻璃9上并夾緊，向燃燒室內填充糊狀火藥10; 第十二步，待火藥10干燥凝固成型后撤去基片，并在SOI硅片5下表面用膠粘或鍵合的方法連接一玻璃基底9; 第十三步，取一硅片11清洗，分別在上下表面制備二氧化硅掩膜； 第十四步，圖形化二氧化硅掩膜，濕法腐蝕硅片11，在硅片11上得到噴嘴I陣列結構； 第十五步，去除硅片11上的二氧化硅掩膜，然后通過膠粘或鍵合的方法將硅片11連接至IjSOI硅片5上表面，再向噴嘴層中填充糊狀火藥10，待火藥10干燥凝固成型后最終得到電阻浸入式微推進器。
【文檔編號】B81B7/04GK106089491SQ201610388762
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月2日 公開號201610388762.2, CN 106089491 A, CN 106089491A, CN 201610388762, CN-A-106089491, CN106089491 A, CN106089491A, CN201610388762, CN201610388762.2
【發明人】謝建兵, 袁建平, 周金秋, 郝永存, 陳磊
【申請人】西北工業大學