微型固態化學推進器的製備方法

2023-06-02 02:21:11

專利名稱：微型固態化學推進器的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種微型推進器的製作方法，屬於微機電系統製造領域。
背景技術：
MEMS推進器是微推進系統發展的一個新方向，開創了微小衛星特別是納/皮型衛星推進系統研究的新途徑，而基於MEMS技術製造的固體化學微型推進器具有結構簡單、功耗低、無可動部件、集成度高、可靠性好等一系列優點，成為國內外新的研究熱點。參閱圖4，微型固態化學推進器包括鍵合的矽片I和玻璃片7 ;矽片I表面14內凹形成燃燒室5和噴嘴15 ;燃燒室5兩側分別有直線形的下導線槽16和上導線槽3 ;玻璃片 7由耐熱玻璃17和其上的點火電路結構組成，點火電路結構包括與燃燒室5相應位置處的點火器18，點火器18兩端分別連通過上點火導線10和下點火導線11與上焊盤12和下焊盤13連接；為了提高噴出速度，噴嘴15具有收斂-發散形狀。微型固態化學推進器製備方法中工藝流程及參數的好壞直接影響著微推進器的性能，甚至關係到製作過程能否順利進行，因此工藝流程的選擇是提高微型推進器性能的關鍵。在利用DRIE工藝在矽片表面加工燃燒室和具有收斂-發散形狀的噴嘴時需要光刻膠具有較強的保護能力，而採用普通的光刻膠在深刻蝕應用方面具有局限性，因此 Zhang 等人的文章 「Development of a solid propellant microthruster with chamber and nozzle etched on a wafer surface」,採用厚膠進行深刻蝕,得到燃燒室和噴嘴結構，接著進行結構表面氧化處理，最後進行矽和玻璃鍵合得到微型推進器樣件，如果採用普通光刻膠和Zhang等人的加工工藝，那麼將很難得到較深的結構；Zhang等人的文章「A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter」,米用光刻、灘射、剝離、再濺射、溼法刻蝕金屬等一系列工藝步驟得到裸露的點火電阻，而金屬刻蝕液的強選擇性、安全性以及刻蝕速率的可控性都難以把握，使得溼法刻蝕金屬的工藝難度增大。

發明內容
為克服現有技術中普通光刻膠無法得到較深的燃燒室、噴嘴結構和溼法刻蝕金屬工藝難度較大的不足，本發明提出一種利用金屬鋁薄膜工藝和金屬剝離工藝製備微型固體化學推進器的方法。本發明解決燃燒室和噴嘴結構的工藝問題所採用的技術方案是參考圖1，本發明解決點火電路的工藝問題所採用的技術方案是參考圖2。本發明提出的微型固態化學推進器的製備方法為
第一步，圖I (a)所示，對普通矽片I進行清洗；再在矽表面塗光刻膠2、光刻、顯影、ICP刻蝕得到下導線槽16和上導線槽3，下導線槽16和上導線槽3的深度為400nm到 550nm,寬度為 350 μ m 到 450 μ m ；第二步，圖I (b)所示，去除光刻膠，清洗矽片表面，濺射金屬鋁4，金屬鋁4的厚度為IOOnm到300nm，再在鋁表面旋塗光刻膠，光刻，顯影，利用溼法腐蝕除去曝光區域的鋁膜，接著DRIE同時得到燃燒室5和噴嘴15，其深度為300μπι到550 μ m。第三步，圖1(c)所示，去除剩餘的鋁膜，幹法氧化矽片，二氧化矽6的厚度為200nm 到600nm，採用氫氟酸溶液清洗氧化膜，得到光潔的燃燒室5和噴嘴15結構。第四步，圖2 (a)所示，清洗玻璃片7，在玻璃片表面塗光刻膠2、光刻、顯影得到點火器18、上點火導線10、下點火導線11、上焊盤12和下焊盤13的圖形，在塗有光刻膠的玻璃片表面濺射金屬8，金屬膜8通常為熔點大於1500°C的金屬材料，金屬膜8厚度為IOOnm 到 350nm。第五步，圖2 (b)所示，剝離光刻膠，得到點火器18，在金屬膜8的玻璃片上塗光刻膠2、光刻、顯影得到點火導線區和焊盤區的圖形，在塗有光刻膠2的玻璃片7表面濺射金屬薄膜9，金屬薄膜9通常為具有良好導電性能的金屬材料，如銅、鉬，金等，金屬薄膜9的厚度為100nm-350nm,再去除光刻膠,得到金屬導線以及金屬焊盤，圖2 (c)所示。第六步，圖(3)所示，將具有燃燒室和噴嘴結構的矽片和具有點火電路的玻璃片利用鍵合工 藝連接，得到微型固態化學推進器。本發明的有益效果是利用普通光刻膠和金屬鋁膜在矽片表面得到具有較深的燃燒室和噴嘴結構，避免了厚膠的使用，利用金屬剝離工藝得到點火電路，避免了金屬溼法腐蝕過程中刻蝕劑的安全問題以及腐蝕速率不可控的問題，降低了工藝難度，確保製作過程順利進行。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。


圖I是實施例中微型推進器燃燒室和噴嘴的工藝流程示意圖。圖2是實施例中微型推進器點火電路的工藝流程示意圖。圖3是實施例中鍵合後的微型推進器的示意圖。圖4是實施例中製備出的微型固態化學推進器示意圖 圖中，I-矽片，2-光刻膠，3-上導線槽，4-金屬鋁，5-燃燒室，6_ 二氧化矽，7_玻璃片，8-金屬膜,9-金屬薄膜。
具體實施例方式本實施例中給出了一種如圖4所示的微型固態化學推進器的製備方法，該微型固態化學推進器包括鍵合的矽片I和玻璃片7 ;矽片I表面14內凹形成燃燒室5和噴嘴15 ； 燃燒室5兩側分別有直線形的下導線槽16和上導線槽3 ;玻璃片7由耐熱玻璃17和其上的點火電路結構組成，點火電路結構包括與燃燒室5相應位置處的點火器18，點火器18兩端分別連通過上點火導線10和下點火導線11與上焊盤12和下焊盤13連接；點火器18材料為鉻，上點火導線10、下點火導線11、上焊盤12和下焊盤13的材料為銅；為了提高噴出速度，噴嘴15具有收斂-發散形狀，本實施例中燃燒室5和噴嘴15連通處的喉部為圓弧狀。 該實施例中微型固態化學推進器的製作流程為第一步，圖I (a)所示，對普通矽片I進行清洗；再在矽表面塗光刻膠2、光刻、顯影、ICP刻蝕得到下導線槽16和上導線槽3，下導線槽16和上導線槽3的深度為500nm，寬度為450 μ m ；第二步，圖I (b)所示，去除光刻膠，清洗矽片表面，濺射金屬鋁4，金屬鋁4的厚度為200nm，再在鋁表面旋塗光刻膠，光刻，顯影，利用溼法腐蝕除去曝光區域的鋁膜，接著 DRIE同時得到燃燒室5和噴嘴15，其深度均為500 μ m ;第三步，圖I (C)所示，去除剩餘的鋁膜，幹法氧化矽片，二氧化矽6的厚度為 500nm，採用氫氟酸溶液清洗氧化膜，得到光潔的燃燒室、噴嘴結構；第四步，圖2 (a)所示，清洗玻璃片7，在玻璃片表面塗光刻膠2、光刻、顯影得到點火器18、上點火導線10、下點火導線11、上焊盤12和下焊盤13的圖形，在塗有光刻膠的玻璃片表面濺射金屬膜8，本實施例中金屬膜8材料為鉻，金屬膜8厚度為300nm ；第五步，圖2 (b)所示，剝離光刻膠，得到以鉻為材料的點火器18，在鍍金屬膜8的玻璃片上塗光刻膠2、光刻、顯影得到上點火導線10、下點火導線11、上焊盤12和下焊盤13 的圖形，在塗有光刻膠2的玻璃片7表面濺射金屬薄膜9，本實施例中金屬薄膜9的材料為銅，金屬薄膜9的厚度為300nm，再去除光刻膠，得到銅的上點火導線10、下點火導線11、上焊盤12和下焊盤13，圖2 (c)所示；第六步，圖3所示,將具有燃燒室和噴嘴結構的矽片和具有點火電路的玻璃片利用鍵合工藝連接，得到微型推進器樣件。權利要求
1.微型固態化學推進器的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟 第一步，對普通矽片(I)進行清洗；再在矽表面塗光刻膠(2)、光刻、顯影、ICP刻蝕得到下導線槽(16)和上導線槽(3); 第二步，去除光刻膠，清洗矽片表面，濺射金屬鋁(4)再在鋁表面旋塗光刻膠，光刻，顯影，利用溼法腐蝕除去曝光區域的鋁膜，接著DRIE同時得到燃燒室(5)和噴嘴(15)； 第三步，去除剩餘的鋁膜，幹法氧化矽片，採用氫氟酸溶液清洗氧化膜，得到光潔的燃燒室(5)和噴嘴(15)； 第四步，清洗玻璃片(7)，在玻璃片表面塗光刻膠(2)、光刻、顯影得到點火器(18)、上點火導線(10)、下點火導線(11)、上焊盤(12)和下焊盤(13)的圖形，在塗有光刻膠的玻璃片表面濺射金屬(8)； 第五步，剝離光刻膠，得到點火器(18)，在金屬膜(8)的玻璃片上塗光刻膠(2)、光刻、顯影得到點火導線區和焊盤區的圖形，在塗有光刻膠(2)的玻璃片(7)表面濺射金屬薄膜(9)，再去除光刻膠，得到金屬導線以及金屬焊盤； 第六步，將具有燃燒室和噴嘴結構的矽片和具有點火電路的玻璃片利用鍵合工藝連接，得到微型固態化學推進器。
2.一種如權利要求I所述微型固態化學推進器的製備方法，其特徵在於，所述第四步中金屬膜(8)為熔點大於1500°C的金屬材料。
3.—種如權利要求I所述微型固態化學推進器的製備方法，其特徵在於，所述第五步中金屬薄膜(9)的材料為銅、鉬或金。
全文摘要
本發明涉及一種微型推進器的製作方法，屬於微機電系統製造領域。該方法綜合利用了金屬鋁薄膜工藝和金屬剝離工藝，首先在矽片表面濺射金屬鋁，光刻，以鋁為掩模DRIE得到燃燒室和噴嘴；再在玻璃片表面通過剝離工藝得到點火器，再通過剝離工藝得到銅導線以及銅焊盤。本發明的有益效果是利用普通光刻膠和金屬鋁膜在矽片表面得到具有較深的燃燒室和噴嘴結構，避免了厚膠的使用，利用金屬剝離工藝得到點火電路，避免了金屬溼法腐蝕過程中刻蝕劑的安全問題以及腐蝕速率不可控的問題，降低了工藝難度，確保製作過程順利進行。
文檔編號B81C1/00GK102701139SQ20121013907
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月6日 優先權日2012年5月6日
發明者張和民, 申強, 苑偉政, 謝建兵, 郝永存 申請人:西北工業大學