專利名稱：微型陣列式膠體推進器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微膠體推進器，具體是一種基于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(fā)展， 一方面要求微納衛(wèi)星 微小化，即減小占微納衛(wèi)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(xiàn)精確定位。
如圖1所示，現(xiàn)有微膠體推進器應用電噴原理將電能轉(zhuǎn)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(zhì)，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(zhì)12的高場強荷電， 強極性液體工質(zhì)12在噴射極的噴頭13處形成棱臺CONE，當噴射極噴頭13 處棱臺CONE的電應力超過表面張力時，液體工質(zhì)12棱臺CONE失穩(wěn)，破裂， 形成帶電的液滴，并經(jīng)高場強加速后，從抽取極14中間的空隙15中噴出，形 成推力。其中，現(xiàn)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， 在噴射的過程中由于液體的不斷噴出，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，并采用集中供液，在一部分噴頭噴射的過程中，其它噴頭由于供液，液體 工質(zhì)會沿未施加電壓的噴頭流出，并聚在噴頭上，易導致?lián)舸?。另外，目前?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(xiàn)有微膠體推進器未能實現(xiàn)單組噴頭的噴射控制。
隨著MEMS (Micro Electrical Mechanical System)技術的出現(xiàn)，為微納衛(wèi)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(wèi)星推進系統(tǒng)本身的尺寸成幾何級數(shù)的減小，達到微小化目的，同 時得到理想的微牛秒級脈沖沖量；另一方面，MEMS技術還為微納衛(wèi)星與推進 系統(tǒng)實現(xiàn)最終的一體化和集成化設計及制造提供了可能性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了實現(xiàn)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，提供了一種基于MEMS技術的微型陣列式膠體推進器。
本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的:微型陣列式膠體推進器，包括采用ICP 刻蝕工藝加工高阻單晶硅基板制成的噴射極和抽取極，以及置于噴射極和抽取 極之間、并與兩極鍵合的玻璃支撐框體(即中間極)，噴射極的高阻單晶硅基 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硅基板，噴射極上的管狀噴頭按列設置，噴 射極的高阻單晶硅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(nèi) 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硅脊)，各刻 蝕槽的槽底及其內(nèi)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(nèi)采用HF刻蝕工藝加工為多 孔硅結(jié)構；抽取極為柵欄狀，其條形柵縫與噴射極刻蝕槽內(nèi)的管狀噴頭正對設 置。
為了實現(xiàn)推進器的最大化集成，管狀噴頭之間互不影響、干擾，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(nèi)、外直徑根據(jù)設計指標與MEMS加工工藝共同確定。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具備如下有益效果1、由于采用了單列管狀噴 頭與刻蝕槽l一對應的設置結(jié)構，在將與各刻蝕槽對應的接線柱分別與外電路 供電相連后，刻蝕槽槽底及噴頭頂部的鋁層使得每一刻蝕槽及其內(nèi)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，并限制相鄰噴頭之 間的距離，避免管狀噴頭之間的影響和干擾，最終實現(xiàn)了單獨控制任何一列管 狀噴頭噴射的目的；該結(jié)果的實現(xiàn)主要依據(jù)了噴頭間距與槽間條狀半導體硅脊 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，繪制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(即從條狀半導體硅脊左側(cè)a點到噴頭中心b點)繪制電壓曲 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于300V-820V的范 圍內(nèi)，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干擾，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范圍。
2、在管狀噴頭輸液通道內(nèi)釆用多孔硅結(jié)構，制作的毛細管內(nèi)徑在微米數(shù) 量級，將毛細管的內(nèi)徑用多孔硅代替，多孔硅內(nèi)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(zhì)在微型泵的 供液壓力與多孔硅毛細作用力作用下運動到噴頭頂端，但液體工質(zhì)到頂端后又
5由于液體工質(zhì)與多孔硅的附著力相互作用防止液體工質(zhì)向外流出，抵消了微型 泵的供液壓力，液體工質(zhì)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，由于集中供液，未施加電壓的其余列噴頭內(nèi)的液體工 質(zhì)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(xiàn)。
3、 噴射極、抽取極與中間極之間采用硅工藝的雙面鍵和技術，對準精度 高，誤差在正負五微米的范圍。
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 提供了寬松的環(huán)境。
本發(fā)明結(jié)構合理，具有性能穩(wěn)定、對準精度高、便于加工、供液噴射易于 控制等優(yōu)點，能實現(xiàn)分批控制噴頭噴射的目的。
圖1為微膠體推進器的結(jié)構原理圖2為本發(fā)明所述微型陣列式膠體推進器的組裝示意圖； 圖3為本發(fā)明所述微型陣列式膠體推進器的結(jié)構示意圖； 圖4為噴射極的結(jié)構示意圖； 圖5為本發(fā)明的結(jié)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(wèi)-噴射極；2-抽取極；3-玻璃支撐框體；4-高阻單晶硅基板；5-管狀 噴頭；6-輸液通道；7-刻蝕槽；8-條狀半導體硅脊；9-鋁層；10-接線柱；11-條形柵縫；12-液體工質(zhì)；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，包括采用ICP刻蝕工藝加工高阻單晶硅基板制成 的噴射極1和抽取極2，以及置于噴射極1和抽取極2之間、并與兩極鍵合的 玻璃支撐框體3 (即中間極)，噴射極1的高阻單晶硅基板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垂直貫穿高阻單晶硅基板4，噴射極1上的管狀噴頭5按列設置，噴 射極1的高阻單晶硅基板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(nèi)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 硅脊8)，各刻蝕槽7的槽底及其內(nèi)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(nèi)采用HF刻蝕工藝加工為多孔硅結(jié)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(nèi)的管狀噴頭5正對設置。管狀噴頭5的內(nèi)、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釆用以機加工鉆孔的派熱克斯 玻璃，該玻璃可以絕緣幾千伏的電壓，電流泄露不超出10nA，而機加工鉆孔 不會改變玻璃的物理性能參數(shù)；為便于集成制作，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(shù)根據(jù)實際設計的需求，可增減。由于本發(fā)明中 噴射極1與抽取極2的高度集成，限制了本發(fā)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后，再供給液體工質(zhì)；如果違 反操作規(guī)程，先供給液體工質(zhì)，如果微泵壓力過量程工作，液體工質(zhì)無處排出， 會導致液體工質(zhì)由噴射極的噴頭流出，留在噴射極與抽取極之間，而導致?lián)舸?br>
7微型陣列式膠體推進器，包括采用ICP刻蝕工藝加工高阻單晶硅基板制成 的噴射極1和抽取極2，以及置于噴射極1和抽取極2之間、并與兩極鍵合的 玻璃支撐框體3 (即中間極)，噴射極1的高阻單晶硅基板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垂直貫穿高阻單晶硅基板4，噴射極1上的管狀噴頭5按列設置，噴 射極1的高阻單晶硅基板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(nèi)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 硅脊8)，各刻蝕槽7的槽底及其內(nèi)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(nèi)采
權利要求
1、一種微型陣列式膠體推進器，包括采用ICP刻蝕工藝加工高阻單晶硅基板制成的噴射極(1)和抽取極(2)，以及置于噴射極(1)和抽取極(2)之間、并與兩極鍵合的玻璃支撐框體(3)，噴射極(1)的高阻單晶硅基板(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)垂直貫穿高阻單晶硅基板(4)，其特征在于噴射極(1)上的管狀噴頭(5)按列設置，噴射極(1)的高阻單晶硅基板(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(nèi)僅設置一列管狀噴頭(5)，各刻蝕槽(7)的槽底及其內(nèi)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(nèi)采用HF刻蝕工藝加工為多孔硅結(jié)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(nèi)的管狀噴頭(5)正對設置。
2、 根據(jù)權利要求1所述的微型陣列式膠體推進器，其特征在于管狀噴 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(fā)明涉及微膠體推進器，具體是一種基于MEMS技術的微型陣列式膠體推進器。實現(xiàn)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(nèi)僅設置一列管狀噴頭，各刻蝕槽槽底及其內(nèi)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(nèi)采用HF刻蝕工藝加工為多孔硅結(jié)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(wěn)定、對準精度高、便于加工、供液噴射易于控制等優(yōu)點，能實現(xiàn)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(yōu)先權日2009年4月15日
發(fā)明者寇麗麗, 張國軍, 張文棟, 熊繼軍, 薛晨陽 申請人:中北大學