電阻置頂型微推進(jìn)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電阻置頂型微推進(jìn)器及其制備方法，屬于微推進(jìn)技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。該微推進(jìn)器點(diǎn)火電阻7由多組電阻絲組成，且電阻絲寬度與電阻絲長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成一定比例，以調(diào)整燃料燃燒行為，利于燃料充分燃燒；噴嘴4為中間收縮兩端擴(kuò)張的類laval結(jié)構(gòu)，能夠改善氣流流動(dòng)方式，有效提高燃料能量利用率；點(diǎn)火電阻7位于噴嘴4周圍，其在填藥、組裝等時(shí)不易被破壞。本發(fā)明提出的電阻置頂型微推進(jìn)器的制備方法易于實(shí)現(xiàn)器件加工穩(wěn)定性和一致性；易于實(shí)現(xiàn)批量加工。
【專利說明】電阻置頂型微推進(jìn)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及了 一種電阻置頂型微推進(jìn)器及其制備方法，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)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，現(xiàn)代衛(wèi)星發(fā)展日趨小型化、微型化，并且出現(xiàn)了微 衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星。微推進(jìn)器是滿足上述微小型航天器推進(jìn)要求的動(dòng)力系統(tǒng)，用于微小 衛(wèi)星等微小型航天器的位置保持、姿態(tài)控制、軌道調(diào)整和機(jī)動(dòng)、引力補(bǔ)償?shù)取?br> [0003]目前基于MEMS技術(shù)的微推進(jìn)器有多種結(jié)構(gòu)類型，其中具有噴嘴-燃燒室-密封層 的類似三明治結(jié)構(gòu)的微推進(jìn)器是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這種推進(jìn)器又分為電阻置底型和電阻置 頂型，電阻置底型微推進(jìn)器是指將點(diǎn)火電阻置于燃燒室底部，電阻置頂型微推進(jìn)器是指將 點(diǎn)火電阻置于燃燒室頂部。相對(duì)于電阻置底型微推進(jìn)器，電阻置頂型微推進(jìn)器能改善燃燒 方式，利于燃料能量利用。南京理工大學(xué)余協(xié)正在其碩士論文“MEMS固體化學(xué)微推進(jìn)陣列 的設(shè)計(jì)、制作及其性能研究”中提出一種將點(diǎn)火電阻置頂型微推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參閱圖3， 該微推進(jìn)器包括上層結(jié)構(gòu)體1、中間結(jié)構(gòu)體2和下層結(jié)構(gòu)體3 ;所述上層結(jié)構(gòu)體I中心位置 厚度方向存在具有擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的噴嘴4，該噴嘴底部存在噴嘴薄膜13，噴嘴薄膜13上有點(diǎn)火 電阻7，點(diǎn)火電阻7與上轉(zhuǎn)接電極6相連；中間結(jié)構(gòu)層2內(nèi)部有燃燒室10，上表面有下轉(zhuǎn)接 電極9、導(dǎo)線11和打線點(diǎn)12 ;下層結(jié)構(gòu)體3用于封閉燃燒室10 ;該推進(jìn)器上層結(jié)構(gòu)體I材料 為PCB板，中間結(jié)構(gòu)體2材料為硅，二者通過銀漿粘接。這種推進(jìn)器的噴嘴為擴(kuò)張形狀，氣 流速度很難達(dá)到聲速，無法充分利用燃料能量，造成能量損失，同時(shí)在加工過程中承載點(diǎn)火 電阻薄膜的厚度是由濕法刻蝕時(shí)間、攪拌速度等決定的，導(dǎo)致噴嘴薄膜厚度難控制，既可 能造成噴嘴薄膜過薄甚至消失，使點(diǎn)火電阻易在填藥、組裝等時(shí)被破壞，又可能造成噴嘴薄 膜過厚，器件不工作甚至炸裂，存在器件性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，同時(shí)由于上層結(jié)構(gòu)體I材料為 PCB板與MEMS工藝不兼容，且與中間結(jié)構(gòu)體2手工涂抹銀漿粘接，器件粘接一致性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有電阻置頂型微推進(jìn)器技術(shù)中由于噴嘴導(dǎo)致燃料能量利用率低、噴嘴薄 膜厚度難控制導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定以及與MEMS工藝不兼容的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種在類 Iaval結(jié)構(gòu)噴嘴周圍布置點(diǎn)火電阻的微型推進(jìn)器。
[0005]本發(fā)明提出的電阻置頂型微推進(jìn)器，依次包括上層結(jié)構(gòu)體1、中間結(jié)構(gòu)體2和下層 結(jié)構(gòu)體3 ;其特征在于:所述上層結(jié)構(gòu)體1、中間結(jié)構(gòu)體2均為硅材料；所述上層結(jié)構(gòu)體I中 心位置厚度方向上有中間收縮兩端擴(kuò)張的類Iaval結(jié)構(gòu)的噴嘴4，所述上層結(jié)構(gòu)體I下表面 繞噴嘴周圍分布點(diǎn)火電阻7，點(diǎn)火電阻7兩端與兩個(gè)上轉(zhuǎn)接電極6相連，兩個(gè)轉(zhuǎn)接電極6外 邊緣各分布一個(gè)打線槽5 ;中間結(jié)構(gòu)層2內(nèi)部有填充藥品17的燃燒室10，燃燒室10兩端有 配合槽8，配合槽8用于上轉(zhuǎn)接電極6與其內(nèi)部的下轉(zhuǎn)接電極9歐姆接觸形成聯(lián)通電路；下 轉(zhuǎn)接電極9 一部分與上轉(zhuǎn)接電極6歐姆接觸，另外部分通過打線槽5露出，用于打線；下層結(jié)構(gòu)體3用于封閉燃燒室10。通常，點(diǎn)火電阻7設(shè)計(jì)成多組環(huán)形電阻絲組成。
[0006]工作時(shí)，通過下轉(zhuǎn)接電極9和上轉(zhuǎn)接電極6使電流通過點(diǎn)火電阻7，點(diǎn)火電阻7溫度升高，達(dá)到燃燒室10內(nèi)填充藥品17的點(diǎn)燃溫度，燃料點(diǎn)燃，燃燒室10內(nèi)壓強(qiáng)增大，氣體通過噴嘴4噴出，產(chǎn)生推進(jìn)效果。
[0007]所述電阻置頂型微推進(jìn)器的制備方法，包括如下步驟:
[0008]第一步，參閱圖1(a)，對(duì)單晶硅片清洗、上表面濺射金屬鉻并圖形化，形成點(diǎn)火電阻7，得到上層結(jié)構(gòu)體I;
[0009]第二步，參閱圖1(b)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I上表面濺射金屬金并圖形化，得到上轉(zhuǎn)接電極6 ；
[0010]第三步，參閱圖1 (C)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I兩面沉積氮化硅并圖形化，得到中間有方形開口的氮化硅掩膜14;
[0011]第四步，參閱圖1(d)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I上表面濺射金屬鋁并圖形化，得到兩端有長(zhǎng)方形開口的金屬招掩膜15 ；
[0012]第五步，參閱圖1 (e)，以氮化硅掩膜14作為掩模對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I進(jìn)行ICP刻蝕，直至刻透，并去除金屬鋁掩膜15;
[0013]第六步，參閱圖1 (f)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I濕法刻蝕單晶硅，形成類Iaval結(jié)構(gòu)噴嘴4 ；
[0014]第七步，參閱圖1 (g)，去除上層結(jié)構(gòu)體I上的氮化硅掩膜14完成上層結(jié)構(gòu)體I加工。
[0015]第八步，參閱圖1 (h)，對(duì)單晶硅片制作光刻膠掩膜并ICP刻蝕，形成配合槽8，得到中間結(jié)構(gòu)體2 ；
[0016]第九步，參閱圖1 (i)，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體2上表面配合槽8位置處濺射金屬金并圖形化，形成下轉(zhuǎn)接電極9 ;
[0017]第十步，參閱圖1 (j)，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體2上表面濺射金屬鋁并圖形化，得到中間開有方形窗口的燃燒室掩膜16 ；
[0018]第H^一步，參閱圖1 (k)，以燃燒室掩膜16為掩模對(duì)中間結(jié)構(gòu)體I進(jìn)行ICP刻蝕，直至刻透，得到燃燒室10 ；
[0019]第十二步，參閱圖1 (I)，將上層結(jié)構(gòu)體I上表面與中間結(jié)構(gòu)體2上表面進(jìn)行硅硅鍵合；
[0020]第十三步，參閱圖1 (m)，填充藥品17并通過粘接劑將下層結(jié)構(gòu)體3與中間結(jié)構(gòu)體 2貼合面粘接，將燃燒室密封。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]本發(fā)明提出的電阻置頂型微推進(jìn)器，其點(diǎn)火電阻7由多組電阻絲組成，且電阻絲寬度與電阻絲長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成一定比例，以調(diào)整燃料燃燒行為，利于燃料充分燃燒；噴嘴4為中間收縮兩端擴(kuò)張的類Iaval結(jié)構(gòu)，能夠改善氣流流動(dòng)方式，有效提高燃料能量利用率；點(diǎn)火電阻7位于噴嘴4周圍，其在填藥、組裝等時(shí)不易被破壞。
[0023]本發(fā)明提出的電阻置頂型微推進(jìn)器的制備方法使推進(jìn)器噴嘴加工過程中對(duì)刻蝕時(shí)間、攪拌速度等參數(shù)敏感度大大降低，易于實(shí)現(xiàn)器件加工穩(wěn)定性和一致性；同時(shí)該推進(jìn)器上層結(jié)構(gòu)體I和中間結(jié)構(gòu)體2皆為硅材料，與MEMS兼容，且二者通過硅硅鍵合粘接，易于保證加工效果以及實(shí)現(xiàn)批量加工?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1是實(shí)施例中電阻置頂型微推進(jìn)器制備方法示意圖。
[0025]圖2(a)是實(shí)施例中電阻置頂型微推進(jìn)器示意圖。
[0026]圖2(b)是實(shí)施例中電阻置頂型微推進(jìn)器剖視圖。
[0027]圖2(c)是實(shí)施例中電阻置頂型微推進(jìn)器點(diǎn)火電阻示意圖。
[0028]圖3(a)是現(xiàn)有技術(shù)中電阻置頂型微推進(jìn)器示意圖。
[0029]圖3(b)是現(xiàn)有技術(shù)中電阻置頂型微推進(jìn)器剖視圖。
[0030]圖中，1-上層結(jié)構(gòu)體，2-中間結(jié)構(gòu)體，3-下層結(jié)構(gòu)體，4-噴嘴，5-打線槽，6-上轉(zhuǎn) 接電極，7-點(diǎn)火電阻，8-配合槽，9-下轉(zhuǎn)接電極，10-燃燒室，11-點(diǎn)火導(dǎo)線，12-打線點(diǎn)， 13-噴嘴薄膜，14-氮化硅掩膜，15-金屬鋁掩膜，16-燃燒室掩膜，17-藥品。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本實(shí)施例中給出了一種如圖2所示的電阻置頂型微推進(jìn)器，該推進(jìn)器包括厚度 為500 iim的上層結(jié)構(gòu)體1，材料為單晶硅；厚度為IOOOiim的中間結(jié)構(gòu)體2，材料為單晶硅； 厚度為500 iim的下層結(jié)構(gòu)體3，材料為耐熱玻璃；其特征在于:所述上層結(jié)構(gòu)體I中間存 在中間收縮兩端擴(kuò)張類Iaval結(jié)構(gòu)的噴嘴4,噴嘴4兩端擴(kuò)張最大處為500 u m*500 y m的 方形，中間收縮最小處為150 ii m*150 ii m的方形，該噴嘴周圍分布厚度為300nm的點(diǎn)火電 阻7，點(diǎn)火電阻7與厚度為300nm的上轉(zhuǎn)接電極6相連；點(diǎn)火電阻7由6條環(huán)形電阻絲組 成，且外環(huán)電阻絲長(zhǎng)度與寬度比值為20，中間電阻絲長(zhǎng)度與寬度比值為18，內(nèi)環(huán)電阻絲長(zhǎng) 度與寬度比值為16，以調(diào)整電阻絲產(chǎn)生的熱量，改善燃料燃燒行為；中間結(jié)構(gòu)層2內(nèi)部有 1000 u m*1000 u m方形燃燒室10，燃燒室10兩端有深度為500 u m的配合槽8，配合槽8用 于上轉(zhuǎn)接電極6與其內(nèi)部厚度為300nm的下轉(zhuǎn)接電極9歐姆接觸形成聯(lián)通電路；下轉(zhuǎn)接電 極9 一部分與上轉(zhuǎn)接電極6歐姆接觸，另外部分通過打線槽5露出，用于打線；下層結(jié)構(gòu)體 3用于封閉燃燒室10。
[0032]工作時(shí)，通過下轉(zhuǎn)接電極9和上轉(zhuǎn)接電極6使電流通過點(diǎn)火電阻7，點(diǎn)火電阻7溫 度升高，達(dá)到燃燒室10內(nèi)燃料的點(diǎn)燃溫度，燃料點(diǎn)燃，燃燒室10內(nèi)壓強(qiáng)增大，氣體通過噴嘴 4噴出，產(chǎn)生推進(jìn)效果。
[0033]所述電阻置頂型微推進(jìn)器制備方法，包括如下步驟:
[0034]第一步，參閱圖1 (a)，對(duì)單晶硅片清洗、濺射厚度300nm的金屬鉻并圖形化，形成 點(diǎn)火電阻7，并得到上層結(jié)構(gòu)體I ;
[0035]第二步，參閱圖1 (b)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I濺射厚度為300nm的金屬金并圖形化，得到 上轉(zhuǎn)接電極6 ;
[0036]第三步，參閱圖1 (C)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I沉積氮化硅并圖形化，得到中間有 500 u m*500 u m方形開口的氮化硅掩膜14 ；
[0037]第四步，參閱圖1 (d)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I濺射厚度300nm的金屬鋁并圖形化，得到兩 端有長(zhǎng)方形開口的金屬鋁掩膜15 ；
[0038]第五步，參閱圖1 (e)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I進(jìn)行ICP刻蝕，直至刻透，并去除金屬鋁掩[0039]第六步，參閱圖1 (f)，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體I濕法刻蝕單晶硅，形成類Iaval結(jié)構(gòu)噴嘴4 ；
[0040]第七步，參閱圖1 (g)，去除上層結(jié)構(gòu)體I上的氮化硅掩膜，完成上層結(jié)構(gòu)體I加工。
[0041]第八步，參閱圖2 (a)，對(duì)單晶硅片制作光刻膠掩膜并ICP刻蝕，刻蝕深度為500nm， 形成配合槽8，得到中間結(jié)構(gòu)體2 ；
[0042]第九步，參閱圖2(b)，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體上表面濺射厚度為300nm的金屬金并圖形化， 形成下轉(zhuǎn)接電極9 ;
[0043]第十步，參閱圖2(c)，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體上表面濺射厚度為300nm的金屬鋁并圖形化， 得到中間開有1000iim*1000iim方形窗口的燃燒室掩膜16 ；
[0044]第^^一步，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體I進(jìn)行ICP刻蝕，直至刻透，得到燃燒室10 ；
[0045]第十二步，參閱圖3 (a)，將上層結(jié)構(gòu)體I下表面與中間結(jié)構(gòu)體2上表面進(jìn)行硅硅鍵
[0046] 第十三步，參閱圖3 (a)，填充藥品17并通過粘接劑用下層結(jié)構(gòu)體3將燃燒室密封。
【權(quán)利要求】
1.電阻置頂型微推進(jìn)器，依次包括上層結(jié)構(gòu)體(1)、中間結(jié)構(gòu)體(2)和下層結(jié)構(gòu)體(3); 其特征在于:所述上層結(jié)構(gòu)體(1)、中間結(jié)構(gòu)體(2)均為硅材料；上層結(jié)構(gòu)體(1)厚度方向上有中間收縮兩端擴(kuò)張的類Iaval結(jié)構(gòu)的噴嘴(4)，所述上層結(jié)構(gòu)體(1)下表面繞噴嘴周圍分布點(diǎn)火電阻(7)，點(diǎn)火電阻(7)兩端與兩個(gè)上轉(zhuǎn)接電極(6)相連，兩個(gè)轉(zhuǎn)接電極(6)外邊緣各分布一個(gè)打線槽(5);中間結(jié)構(gòu)層(2)內(nèi)部有填充藥品(17)的燃燒室(10)，燃燒室(10)兩端有配合槽(8 )，配合槽(8 )用于上轉(zhuǎn)接電極(6 )與其內(nèi)部的下轉(zhuǎn)接電極(9 )歐姆接觸形成聯(lián)通電路；下轉(zhuǎn)接電極(9 ) 一部分與上轉(zhuǎn)接電極(6 )歐姆接觸，另外部分通過打線槽(5 )露出，用于打線；下層結(jié)構(gòu)體(3)用于封閉燃燒室(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的電阻置頂型微推進(jìn)器，其特征在于，所述點(diǎn)火電阻(7)由多組環(huán)狀電阻絲組成。
3.—種如權(quán)利要求1所述的電阻置頂型微推進(jìn)器的制備方法，包括如下步驟:第一步，對(duì)單晶硅片清洗、上表面濺射金屬鉻并圖形化，形成點(diǎn)火電阻(7)，得到上層結(jié)構(gòu)體(1);第二步，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體(1)上表面濺射金屬金并圖形化，得到上轉(zhuǎn)接電極(6)；第三步，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體(1)兩面沉積氮化硅并圖形化，得到中間有方形開口的氮化硅掩膜(14)；第四步，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體(1)上表面濺射金屬鋁并圖形化，得到兩端有長(zhǎng)方形開口的金屬鋁掩膜(15)；第五步，以氮化硅掩膜(14)作為掩模對(duì)上層結(jié)構(gòu)體(1)進(jìn)行ICP刻蝕，直至刻透，并去除金屬招掩I吳(15)；第六步，對(duì)上層結(jié)構(gòu)體(1)濕法刻蝕單晶硅，形成類Iaval結(jié)構(gòu)噴嘴(4)；第七步，去除上層結(jié)構(gòu)體(1)上的氮化硅掩膜(14)，完成上層結(jié)構(gòu)體(1)加工；第八步，對(duì)單晶硅片制作光刻膠掩膜并ICP刻蝕，形成配合槽(8)，得到中間結(jié)構(gòu)體(2)；第九步，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體(2)上表面配合槽(8)位置處濺射金屬金并圖形化，形成下轉(zhuǎn)接電極(9)；第十步，對(duì)中間結(jié)構(gòu)體(2)上表面濺射金屬鋁并圖形化，得到中間開有方形窗口的燃燒室掩膜(16)；第H^一步，以燃燒室掩膜(16)為掩模對(duì)中間結(jié)構(gòu)體(1)進(jìn)行ICP刻蝕，直至刻透，得到燃燒室(10)；第十二步，將上層結(jié)構(gòu)體(1)上表面與中間結(jié)構(gòu)體(2 )上表面進(jìn)行硅硅鍵合；第十三步，填充藥品(17)并通過粘接劑將下層結(jié)構(gòu)體(3)與中間結(jié)構(gòu)體(2)貼合面粘接，將燃燒室密封。
【文檔編號(hào)】F02K9/95GK103511125SQ201310219043
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月4日
【發(fā)明者】謝建兵, 郝永存, 李小平, 申強(qiáng) 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)