微型陣列式膠體推進器的製作方法

2023-04-23 10:02:56 1

專利名稱：微型陣列式膠體推進器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微膠體推進器，具體是一種基於MEMS技術的微型陣列式膠 體推進器。
背景技術：
隨著航天技術、深空探測、月球軟著陸技術的發展， 一方面要求微納衛星 微小化，即減小佔微納衛星很大比重的推進器的體積和重量；另一方面要求推 進器可以提供微牛級推力，從而實現精確定位。
如圖1所示，現有微膠體推進器應用電噴原理將電能轉化為動能，推進器 包含噴射極和抽取極，以強極性液體作為工質，在噴射極和抽取極之間加設高 電壓，高電壓在噴射極頂端處形成的誘導強極性液體工質12的高場強荷電， 強極性液體工質12在噴射極的噴頭13處形成稜台CONE，當噴射極噴頭13 處稜台CONE的電應力超過表面張力時，液體工質12稜台CONE失穩，破裂， 形成帶電的液滴，並經高場強加速後，從抽取極14中間的空隙15中噴出，形 成推力。其中，現有噴射極噴頭13的設計有針型與管狀兩種針型噴頭，液 體沿針型噴頭的外表面流動，供液不易控制，很容易漫過噴頭，即使供液極好， 在噴射的過程中由於液體的不斷噴出，很難判斷供液量；管狀噴頭，在已有的 陣列式推進器設計當中，單獨控制噴頭噴射是在抽取極上是否施加電壓來控制 的，並採用集中供液，在一部分噴頭噴射的過程中，其它噴頭由於供液，液體 工質會沿未施加電壓的噴頭流出，並聚在噴頭上，易導致擊穿。另外，目前噴 射極與抽取極的對準方法選用手工對準，對準精度低，會影響噴射極的噴射效 率，在推進器的尺寸用微米來衡量時，手工對準也就失去了意義。而且現有微膠體推進器未能實現單組噴頭的噴射控制。
隨著MEMS (Micro Electrical Mechanical System)技術的出現，為微納衛星 推進器的微小化研究及微推力研究提供了一種新的可能。 一方面，MEMS技術 可以使微納衛星推進系統本身的尺寸成幾何級數的減小，達到微小化目的，同 時得到理想的微牛秒級脈衝衝量；另一方面，MEMS技術還為微納衛星與推進 系統實現最終的一體化和集成化設計及製造提供了可能性。

發明內容
本發明為了實現膠體推進器的微型化、微推力，同時解決噴射極噴頭供液、 噴射控制不易等問題，提供了一種基於MEMS技術的微型陣列式膠體推進器。
本發明是採用如下技術方案實現的:微型陣列式膠體推進器，包括採用ICP 刻蝕工藝加工高阻單晶矽基板製成的噴射極和抽取極，以及置於噴射極和抽取 極之間、並與兩極鍵合的玻璃支撐框體(即中間極)，噴射極的高阻單晶矽基 板上刻蝕有若干管狀噴頭，且噴射極刻蝕有管狀噴頭的一面面向抽取極，管狀 噴頭的輸液通道垂直貫穿高阻單晶矽基板，噴射極上的管狀噴頭按列設置，噴 射極的高阻單晶矽基板上刻蝕有若干相互平行的條狀刻蝕槽，且條狀刻蝕槽內 僅設置一列管狀噴頭(即相鄰兩列管狀噴頭之間隔有條狀半導體矽脊)，各刻 蝕槽的槽底及其內管狀噴頭的頂部濺射有鋁層，且各刻蝕槽的一端分別設有與 其槽底鋁層連通的接線柱，管狀噴頭的輸液通道內採用HF刻蝕工藝加工為多 孔矽結構；抽取極為柵欄狀，其條形柵縫與噴射極刻蝕槽內的管狀噴頭正對設 置。
為了實現推進器的最大化集成，管狀噴頭之間互不影響、幹擾，管狀噴頭 的高度與其外直徑相同；相鄰管狀噴頭的間距為管狀噴頭外直徑的7 10倍，
4而管狀噴頭的內、外直徑根據設計指標與MEMS加工工藝共同確定。
與現有技術相比，本發明具備如下有益效果1、由於採用了單列管狀噴 頭與刻蝕槽l一對應的設置結構，在將與各刻蝕槽對應的接線柱分別與外電路 供電相連後，刻蝕槽槽底及噴頭頂部的鋁層使得每一刻蝕槽及其內管狀噴頭列 成為相對獨立的噴射極單元，可以同時或個別列單獨供電，並限制相鄰噴頭之 間的距離，避免管狀噴頭之間的影響和幹擾，最終實現了單獨控制任何一列管 狀噴頭噴射的目的；該結果的實現主要依據了噴頭間距與槽間條狀半導體矽脊 的電學特性，如圖6所示，以噴射極上的三列管狀噴頭為例進行仿真分析，在 邊上的兩列管狀噴頭上施加電壓，中間列不加電壓，繪製三列管狀噴頭處的電 壓仿真等值線圖，如圖7所示，可知中間未施加電壓的噴頭列與兩邊施加有電 壓的噴頭列表面的電壓值相差懸殊，中間噴頭列不能達到噴射要求；同時沿圖 6中的黑色路徑(即從條狀半導體矽脊左側a點到噴頭中心b點)繪製電壓曲 線圖，如圖7所示，分析黑色路徑從左至右的電壓值可知，如邊上的兩列管狀 噴頭噴射所需電壓為2000V，相鄰未加壓噴頭列的電壓則處於300V-820V的範 圍內，如圖8，達不到噴射要求，皆表明了任何列管狀噴頭噴射時的電壓不會 對其相鄰列未加設高電壓的管狀噴頭造成幹擾，即任何列管狀噴頭噴射時的電 壓不足以使其相鄰列未加設高電壓的管狀噴頭噴射；因此，滿足了單獨控制任 一列噴頭噴射或任幾列噴頭同時噴射的要求，擴大了推進器的推力範圍。
2、在管狀噴頭輸液通道內釆用多孔矽結構，製作的毛細管內徑在微米數 量級，將毛細管的內徑用多孔矽代替，多孔矽內直徑在2 20nm之間，因此液 體附著力不可忽落，這樣，在滿足噴射極供液的前提下，液體工質在微型泵的 供液壓力與多孔矽毛細作用力作用下運動到噴頭頂端，但液體工質到頂端後又
5由於液體工質與多孔矽的附著力相互作用防止液體工質向外流出，抵消了微型 泵的供液壓力，液體工質不會從噴頭中溢出。因此，避免了在單獨控制任一列 或任幾列噴頭的過程中，由於集中供液，未施加電壓的其餘列噴頭內的液體工 質由噴頭流出聚積，而導致噴射極與抽取極相連擊穿的情況出現。
3、 噴射極、抽取極與中間極之間採用矽工藝的雙面鍵和技術，對準精度 高，誤差在正負五微米的範圍。
4、 抽取極為柵欄狀，滿足了抽取極施加電場的均勻性，為與噴射極對準 提供了寬鬆的環境。
本發明結構合理，具有性能穩定、對準精度高、便於加工、供液噴射易於 控制等優點，能實現分批控制噴頭噴射的目的。


圖1為微膠體推進器的結構原理圖2為本發明所述微型陣列式膠體推進器的組裝示意圖； 圖3為本發明所述微型陣列式膠體推進器的結構示意圖； 圖4為噴射極的結構示意圖； 圖5為本發明的結構剖視圖6為以噴射極上的三列管狀噴頭為例的仿真模型；
圖7為圖6的電壓仿真等值線圖8為圖6中沿黑色路徑的電壓曲線圖中l-噴射極；2-抽取極；3-玻璃支撐框體；4-高阻單晶矽基板；5-管狀 噴頭；6-輸液通道；7-刻蝕槽；8-條狀半導體矽脊；9-鋁層；10-接線柱；11-條形柵縫；12-液體工質；13-噴射極噴頭；14-抽取極；15-空隙。
具體實施例方式
微型陣列式膠體推進器，包括採用ICP刻蝕工藝加工高阻單晶矽基板製成 的噴射極1和抽取極2，以及置於噴射極1和抽取極2之間、並與兩極鍵合的 玻璃支撐框體3 (即中間極)，噴射極1的高阻單晶矽基板4上刻蝕有若干管狀 噴頭5，且噴射極1刻蝕有管狀噴頭5的一面面向抽取極2，管狀噴頭5的輸 液通道6垂直貫穿高阻單晶矽基板4，噴射極1上的管狀噴頭5按列設置，噴 射極1的高阻單晶矽基板4上刻蝕有若干相互平行的條狀刻蝕槽7，且條狀刻 蝕槽7內僅設置一列管狀噴頭5 (即相鄰兩列管狀噴頭之間隔留有條狀半導體 矽脊8)，各刻蝕槽7的槽底及其內管狀噴頭5的頂部濺射有鋁層9，且各刻蝕 槽7的一端分別設有與其槽底鋁層9連通的接線柱10，管狀噴頭5的輸液通道 6內採用HF刻蝕工藝加工為多孔矽結構；抽取極2為柵欄狀，其條形柵縫ll 與噴射極1刻蝕槽7內的管狀噴頭5正對設置。管狀噴頭5的內、外直徑由設 計指標與MEMS加工工藝確定，管狀噴頭5的高度與其外直徑相同；相鄰管 狀噴頭5的間距為管狀噴頭5外直徑的7 10倍。
具體實施時，作為中間極的玻璃支撐框體3釆用以機加工鑽孔的派熱克斯 玻璃，該玻璃可以絕緣幾千伏的電壓，電流洩露不超出10nA，而機加工鑽孔 不會改變玻璃的物理性能參數；為便於集成製作，噴射極1和抽取極2選用方 形設計形狀；管狀噴頭5的個數根據實際設計的需求，可增減。由於本發明中 噴射極1與抽取極2的高度集成，限制了本發明操作使用方法，即在使用的過 程中，最好先施加電壓，將電壓施加到工作電壓後，再供給液體工質；如果違 反操作規程，先供給液體工質，如果微泵壓力過量程工作，液體工質無處排出， 會導致液體工質由噴射極的噴頭流出，留在噴射極與抽取極之間，而導致擊穿。
7微型陣列式膠體推進器，包括採用ICP刻蝕工藝加工高阻單晶矽基板製成 的噴射極1和抽取極2，以及置於噴射極1和抽取極2之間、並與兩極鍵合的 玻璃支撐框體3 (即中間極)，噴射極1的高阻單晶矽基板4上刻蝕有若干管狀 噴頭5，且噴射極1刻蝕有管狀噴頭5的一面面向抽取極2，管狀噴頭5的輸 液通道6垂直貫穿高阻單晶矽基板4，噴射極1上的管狀噴頭5按列設置，噴 射極1的高阻單晶矽基板4上刻蝕有若干相互平行的條狀刻蝕槽7，且條狀刻 蝕槽7內僅設置一列管狀噴頭5 (即相鄰兩列管狀噴頭之間隔留有條狀半導體 矽脊8)，各刻蝕槽7的槽底及其內管狀噴頭5的頂部濺射有鋁層9，且各刻蝕 槽7的一端分別設有與其槽底鋁層9連通的接線柱10，管狀噴頭5的輸液通道 6內採
權利要求
1、一種微型陣列式膠體推進器，包括採用ICP刻蝕工藝加工高阻單晶矽基板製成的噴射極(1)和抽取極(2)，以及置於噴射極(1)和抽取極(2)之間、並與兩極鍵合的玻璃支撐框體(3)，噴射極(1)的高阻單晶矽基板(4)上刻蝕有若干管狀噴頭(5)，且噴射極(1)刻蝕有管狀噴頭(5)的一面面向抽取極(2)，管狀噴頭(5)的輸液通道(6)垂直貫穿高阻單晶矽基板(4)，其特徵在於噴射極(1)上的管狀噴頭(5)按列設置，噴射極(1)的高阻單晶矽基板(4)上刻蝕有若干相互平行的條狀刻蝕槽(7)，且條狀刻蝕槽(7)內僅設置一列管狀噴頭(5)，各刻蝕槽(7)的槽底及其內管狀噴頭(5)的頂部濺射有鋁層(9)，且各刻蝕槽(7)的一端分別設有與其槽底鋁層(9)連通的接線柱(10)，管狀噴頭(5)的輸液通道(6)內採用HF刻蝕工藝加工為多孔矽結構；抽取極(2)為柵欄狀，其條形柵縫(11)與噴射極(1)刻蝕槽(7)內的管狀噴頭(5)正對設置。
2、 根據權利要求1所述的微型陣列式膠體推進器，其特徵在於管狀噴 頭(5)的高度與其外直徑相同；相鄰管狀噴頭(5)的間距為管狀噴頭(5) 外直徑的7 10倍。
全文摘要
本發明涉及微膠體推進器，具體是一種基於MEMS技術的微型陣列式膠體推進器。實現了膠體推進器的微型化、微推力，解決了噴射極噴頭供液、噴射控制不易等問題，包括噴射極、抽取極、玻璃支撐框體，噴射極的基板上刻蝕有若干按列設置的管狀噴頭，噴射極的基板上刻蝕有若干相互平行的條狀刻蝕槽，條狀刻蝕槽內僅設置一列管狀噴頭，各刻蝕槽槽底及其內管狀噴頭頂部濺射有鋁層，各刻蝕槽一端分別設有與其槽底鋁層連通的接線柱，管狀噴頭輸液通道內採用HF刻蝕工藝加工為多孔矽結構；抽取極為柵欄狀，其條形柵縫與噴射極的刻蝕槽正對設置。具有性能穩定、對準精度高、便於加工、供液噴射易於控制等優點，能實現分批控制噴頭噴射的目的。
文檔編號F03H99/00GK101539127SQ20091007419
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月15日 優先權日2009年4月15日
發明者寇麗麗, 張國軍, 張文棟, 熊繼軍, 薛晨陽 申請人:中北大學