微型膠體推進器及其製作方法
2023-05-11 05:53:11 2
專利名稱：微型膠體推進器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型化的膠體推進器及其製造方法，屬於微小衛星應用的電推進器技術領域。
但上述這種膠體推進器無法產生適合於當時的大衛星姿態控制用的大的推力，另一方面，由於其噴頭陣列本身體積、重量過大，而且由於工作電壓高導致的附加的伺服機構的體積過大，使得這種膠體推進器也無法在總體重量小於10公斤的微小衛星上應用。因而到八十年代，膠體推進器的研究被擱置起來。
本發明所採用的技術方案如下一種微型膠體推進器，其特徵在於含有上、下兩層矽片及中間的絕緣墊片，下層矽片為源極陣列，所述源極陣列上帶有多個中空突起，在中空的突起表面和整個下矽片的表面覆蓋有金屬層；上層矽片為抽取極陣列，抽取極陣列上帶有凹狀的金屬電極。
本發明所述的中間絕緣墊片為玻璃層，該玻璃層通過鍵合與源極陣列和抽取極陣列構成工質通道。
所述的中空突起的高度為10-100微米；中空突起可採用圓柱狀，每個中空柱狀體的內半徑為1-50微米、外徑為2-60微米。
本發明所述的上層矽片上的凹狀金屬電極可採用一個或多個，與源極上相應的突起相對應，形成一個噴射的通道。
本發明所述的凹狀金屬電極可採用圓環形，圓的半徑為5-100微米。
本發明還提供了一種製備上述微型膠體推進器的製作方法，該方法包括如下步驟(1)清洗、拋光兩矽片，在兩個矽晶片上雙面澱積二氧化矽和氮化矽作為體矽腐蝕的抗蝕劑；(2)在兩個矽片上圖形化矽晶片背面的二氧化矽和氮化矽層，以形成體矽腐蝕的掩膜；(3)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕用作下片的矽晶片，形成工質供給的通道；(4)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕用作上片的矽晶片，形成工質加速的通道；(5)用作下片的矽晶片經漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，並光刻；(6)用作下片的矽晶片以光刻膠作掩膜，通過感應耦合等離子體幹法腐蝕，形成源極上中空突起的內腔；(7)用作下片的矽晶片去掉光刻膠，通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體幹法腐蝕形成源極中空的柱體；(8)用作下片的矽晶片在正面濺射鋁，形成源極的導電極；(9)用作上片的矽晶片漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，並圖形化鋁，形成抽取極的電極，去膠；(10)用作下片的矽晶片通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體幹法腐蝕、穿透，形成抽取極中空的環形電極；(11)用腐蝕的方法製作玻璃墊片；(12)將上片、下片和玻璃墊片鍵合形成微型膠體推進器。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性進步(1)結構簡單，採用「三明治」結構，提高了可靠性。
(2)具有體積小、重量輕的特點。如由192個噴頭組成的推進器，工作電壓1300伏時，產生的推力為400微牛，比衝為200秒，體積僅為10毫米×10毫米×10毫米，重量為2克，最小可控的單位衝量為2微牛秒。
(3)採用微加工的方法製作，使推進器陣列的面密度大幅度增加。
(4)微膠體推進器陣列的源極、抽取極尺寸降到微米量級，尺寸效應帶來工作電壓可降低到1300V。
(5)微膠體推進器可以通過不同數量的噴頭和在每個噴頭的源極、抽取極之間施加不同的電壓輸出不同推力。抽取極單獨可控，通過抽取極的單獨控制可以實現同一個膠體推進器上不同噴頭的組合，實現推力的變換。
(6)微膠體推進器輸出的可控的最小單位衝量達到微牛秒級。
(7)製造成本低廉，適合於在流水線上大批量生產。
圖2是本發明實施例的下片結構示意圖。
圖3是本發明實施例的上片結構圖示意圖。
圖1是本發明的微型膠體推進器的總體結構示意圖，圖中3為微型膠體推進器的下片，在本發明中也稱為源極矽片，其上中空的柱狀突起5就是源極，柱狀源極按需要N個成陣列分布，此處僅以一個為例；1為微型膠體推進器的上片，本發明中也稱為抽取極矽片，抽取極上的電極與源極相對應。1和3通過與玻璃墊片2分別鍵合後連接起來，組成「三明治」結構，並形成源極和抽取極之間的間隙，構成一體化的微膠體推進器的主體部分。該主體部分通過引線6和封裝用的印刷電路板4電氣連接，外部的控制電壓通過這些引線施加到微型膠體推進器的源極和抽取極上。
圖2是本發明實施例下片的結構圖。下片中的8是矽本體，其上通過腐蝕形成的空腔9是液體工質的通過通道，10為中空的源極的壁，按需要設定的N個源極陣列構成一個噴頭，7是能夠導電的鋁層。
圖3是本發明實施例上片的結構圖。其中，12為作抗氫氧化鉀腐蝕用的掩膜層氮化矽和二氧化矽層，13為其上腐蝕有空腔的矽本體，空腔14是加速後液滴的通過通道，11是鋁質的電極，通過單獨控制每個電極可以實現不同推力的組合。
所說的下層矽片3上有高度為10-100微米中空的柱狀的突起陣列，陣列包括可按需要設計個數的中空柱狀體，每個中空柱狀體的內半徑為1-50微米、外徑為2-60微米。中空的柱狀突起及整個下矽片的表面都覆蓋有鋁作為金屬的電極，即微型膠體推進器的源極，工作時加高的正電壓。
所說的上層矽片1上有一個或多個圓環狀的鋁電極，圓環的中心是一個圓形空洞，圓的半徑為5-100微米，即微型膠體推進器的抽取極，與源極上相應的突起相對應(可以是一一對應，也可以間隔對應)，形成一個噴射的通道，工作時加零電壓。
所說的中間玻璃墊片由玻璃腐蝕而成。玻璃墊片只有四周和上下矽片相接觸，中間為空心，墊片的厚度形成源極和抽取極間的間隙。
本發明所提供的微型膠體推進器的下片具體的製作步驟為(a)在矽晶片上雙面澱積二氧化矽和氮化矽作為體矽腐蝕的抗蝕劑。
(b)圖形化矽晶片背面的二氧化矽和氮化矽層，以形成體矽腐蝕的掩膜。
(c)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕矽晶片，形成工質供給的通道。
(d)漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，光刻。
(e)以光刻膠作掩膜，通過感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕，形成源極上中空突起的內腔。
(f)去掉光刻膠，通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕形成源極中空的柱體。
(g)在正面濺射鋁，形成源極的導電極。
本發明所提到的微型膠體推進器的上片製作的具體步驟為(h)在矽晶片上雙面澱積二氧化矽和氮化矽作為體矽腐蝕的抗蝕劑。
(i)形化矽晶片背面的二氧化矽和氮化矽層，以形成體矽腐蝕的掩膜。
(j)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕矽晶片，形成工質加速的通道。
(k)漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，並圖形化鋁，形成抽取極的電極，去膠。
(l)通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕、穿透，形成抽取極中空的環形電極。
下面通過一個具體的實施例進一步了解本發明的製作工藝及步驟。
實施例1.下矽片製作步驟為(1)在矽晶片上雙面澱積二氧化矽和氮化矽；(2)圖形化矽晶片背面的二氧化矽和氮化矽層，形成體矽腐蝕的掩膜；(3)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕矽晶片240微米；(4)漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，光刻；(5)以光刻膠作掩膜，通過感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕80微米，形成源極上中空突起的內腔；(6)掉光刻膠，通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕60微米形成源極中空的柱體；(7)在正面濺射鋁，形成源極的導電極；2.上片的製作步驟為(1)在矽晶片上雙面澱積二氧化矽和氮化矽作為體矽腐蝕的抗蝕劑；(2)形化矽晶片背面的二氧化矽和氮化矽層；(3)氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕矽晶片360微米；(4)漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，並圖形化鋁，形成抽取極的電極，去膠；(5)通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕20微米、穿透。
3、封裝(1)將下片同玻璃墊片鍵合起來，形成玻璃-矽片共同體；(2)將上片同玻璃-矽片鍵合起來，形成矽片-玻璃-矽片；(3)粘接矽片-玻璃-矽片與底部的印刷電路板；(4)粘接矽片-玻璃-矽片與頂部的印刷電路板；
(5)下矽片上的源極通過引線鍵合同底部印刷電路板上相應的供電的正極結點連接起來；(6)上矽片上的抽取極通過引線鍵合同頂部印刷電路板上相應的供電的負極結點連接起來。
上述實施例由192個噴頭組成，採用甘油和碘化鈉(重量比為10∶2)的混合物作為工質，工作電壓1300伏；經測定，產生的推力為400微牛，比衝為200秒，體積僅為10毫米×10毫米×10毫米，重量為2克，最小可控的單位衝量為2微牛秒。
權利要求
1.一種微型膠體推進器，其特徵在於含有上、下兩層矽片及中間的絕緣墊片，下層矽片為源極陣列，所述源極陣列上帶有多個中空突起，在中空的突起表面和整個下矽片的表面覆蓋有金屬層；上層矽片為抽取極陣列，抽取極陣列上帶有凹狀的金屬電極。
2.按照權利要求1所述的微型膠體推進器，其特徵在於所述的中間絕緣墊片為玻璃層，該玻璃層通過鍵合與源極陣列和抽取極陣列構成工質通道。
3.按照權利要求1所述的微型膠體推進器，其特徵在於所述的中空突起的高度為10-100微米。
4.按照權利要求1、2或3所述的微型膠體推進器，其特徵在於所述的中空突起採用圓柱狀，每個中空柱狀體的內半徑為1-50微米、外徑為2-60微米。
5.按照權利要求1所述的微型膠體推進器，其特徵在於所述上層矽片上的凹狀金屬電極可採用一個或多個，與源極上相應的突起相對應，形成一個噴射的通道。
6.按照權利要求1或5所述的微型膠體推進器，其特徵在於所述的凹狀金屬電極採用圓形，圓的半徑為5-100微米。
7.實施如權利要求1所述微型膠體推進器的製備方法，該方法採用微機械製造的方法在矽片上分別製造上片和下片，並通過矽-玻璃鍵合的方法，形成微型膠體推進器，其製造方法包括以下步驟(1)清洗、拋光兩矽片，在兩個矽晶片上雙面澱積二氧化矽和氮化矽作為體矽腐蝕的抗蝕劑；(2)在兩個矽片上圖形化矽晶片背面的二氧化矽和氮化矽層，以形成體矽腐蝕的掩膜；(3)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕用作下片的矽晶片，形成工質供給的通道；(4)用氫氧化鉀腐蝕液體矽腐蝕用作上片的矽晶片，形成工質加速的通道；(5)用作下片的矽晶片經漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，並光刻；(6)用作下片的矽晶片以光刻膠作掩膜，通過感應耦合等離子體幹法腐蝕，形成源極上中空突起的內腔；(7)用作下片的矽晶片去掉光刻膠，通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體幹法腐蝕形成源極中空的柱體；(8)用作下片的矽晶片在正面濺射鋁，形成源極的導電極；(9)用作上片的矽晶片漂洗後在矽晶片的正面蒸鋁，並圖形化鋁，形成抽取極的電極，去膠；(10)用作下片的矽晶片通過圖形化的鋁作掩膜，感應耦合等離子體(ICP)幹法腐蝕、穿透，形成抽取極中空的環形電極；(11)用腐蝕的方法製作玻璃墊片；(12)將上片、下片和玻璃墊片鍵合形成微型膠體推進器。
全文摘要
微型膠體推進器及其製作方法，屬於微小衛星應用的電推進器技術領域。該微型膠體推進包括上層矽片、下層矽片和中間的玻璃墊片，形成「三明治」結構。通過採用矽晶片和其微型化設計及微機械製造的方法，大幅度降低了微型膠體推進器的體積、重量和工作電壓。例如由192個噴頭組成的微型膠體推進器，工作電壓1300伏，產生的推力為400微牛，比衝為200秒，體積僅為10毫米×10毫米×10毫米，重量為2克，最小可控的單位衝量為2微牛秒。因此，完全可以達到微小衛星姿態控制對推進器的要求。
文檔編號B64G1/24GK1401542SQ0212936
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月6日 優先權日2002年9月6日
發明者周兆英, 熊繼軍, 葉雄英, 王曉浩 申請人:清華大學