一種固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于火工品技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于微機(jī)械加工技術(shù)的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路及其制備方法，具體涉及一種金屬薄膜橋點(diǎn)火電路，是MEMS固體微推進(jìn)器的核心部件，能夠滿足低發(fā)火電壓，較小發(fā)火功率下可靠發(fā)作。
【背景技術(shù)】
[0002]微型固體推力器是基于MEMS技術(shù)的固體推進(jìn)劑微推進(jìn)系統(tǒng)，適用于空間有限的微型衛(wèi)星的精確定向和高度控制。典型MEMS微型固體推力器的結(jié)構(gòu)采用三明治結(jié)構(gòu)，底部為點(diǎn)火電路層，中間部分為燃燒室層，頂部為噴管層。微推力器的作用原理為點(diǎn)火電路對(duì)燃燒室中的推進(jìn)劑進(jìn)行尋址點(diǎn)火，推進(jìn)劑燃燒形成的燃?xì)饬鳑_破膜片，釋放高溫高壓燃?xì)?，并且由噴管?duì)燃?xì)饬鬟M(jìn)行導(dǎo)流，產(chǎn)生預(yù)定的推力。
[0003]一般情況下，微納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)功率只有幾十瓦，總線電壓可能降到3?5V(目前的標(biāo)準(zhǔn)是28V)，若推進(jìn)系統(tǒng)需要高電壓，則需要較重的功率處理單元，會(huì)超出微小衛(wèi)星的質(zhì)量限制。因此，現(xiàn)階段微納衛(wèi)星缺乏姿軌控能力，基本處于無(wú)控或僅有有限的控制能力。對(duì)于10kg納衛(wèi)星質(zhì)量，電壓僅有3V左右，而現(xiàn)有的微推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量、體積、功耗均不能滿足納衛(wèi)星的推進(jìn)需要。期望固體微推力器陣列工作電壓能夠達(dá)到3V以下，整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量小于500g，功率達(dá)到1W以下，才能夠?yàn)槲⒓{衛(wèi)星提供姿軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0004]點(diǎn)火電路是微推進(jìn)器中最重要同時(shí)也是制備工藝最復(fù)雜、難度最大的組成部分，而由微推進(jìn)器的特性決定了點(diǎn)火電路必須滿足尺寸小、點(diǎn)火電壓低及高可靠性，點(diǎn)火電壓的大小及點(diǎn)火可靠性均取決于點(diǎn)火電阻，因此，微推進(jìn)器能否正常工作也主要取決于點(diǎn)火電阻。目前，國(guó)內(nèi)外制備的固體微推進(jìn)器的點(diǎn)火電路各不相同，點(diǎn)火電壓及點(diǎn)火功率也有較大差別。
[0005]國(guó)防科技大學(xué)吳學(xué)忠、萬(wàn)紅教授課題組研制的MEMS微推力器采用三層結(jié)構(gòu)，點(diǎn)火橋膜采用Cr，通過(guò)沉積鍍膜、光刻、干法或濕法刻蝕等MEMS工藝將點(diǎn)火電阻、導(dǎo)線及焊盤(pán)制作在基板上，點(diǎn)火電壓不高于30V，最低點(diǎn)火功率為6.66ff0
[0006]清華大學(xué)尤政教授課題組設(shè)計(jì)了三明治式的推力器結(jié)構(gòu)，分別是點(diǎn)火器層、燃燒室層和噴嘴層，點(diǎn)火器由可尋址的Pt電阻陣列組成，襯底為PyreX7740玻璃，平均點(diǎn)火電壓為 38.73Vo
[0007]現(xiàn)有技術(shù)主要存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):a)點(diǎn)火電壓高；b)點(diǎn)火功率較大。
[0008]因此，尋求一種點(diǎn)火電壓低、功率小的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路成為當(dāng)務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能在較低發(fā)火電壓下可靠發(fā)火、功耗低、具有邏輯尋址功能、可滿足獨(dú)立點(diǎn)火或組合點(diǎn)火的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路及其制備方法。
[0010]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案: 一種固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路，所述點(diǎn)火電路設(shè)于一基片上，所述點(diǎn)火電路為由aXb個(gè)點(diǎn)火單元構(gòu)成的a行b列的陣列，其中a和b均為正整數(shù)且均不小于2，所述點(diǎn)火單元包括點(diǎn)火電阻和二極管，所述點(diǎn)火電阻為薄膜電阻，所述點(diǎn)火電阻設(shè)于所述基片的正面，所述二極管設(shè)于所述基片的背面，所述點(diǎn)火電阻與二極管通過(guò)所述基片上設(shè)置的金屬化過(guò)孔串耳關(guān)。
[0011]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路中，優(yōu)選的，所述點(diǎn)火電阻為NiCr合金薄膜電阻或TaN薄膜電阻。
[0012]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路中，優(yōu)選的，所述點(diǎn)火電阻的一端通過(guò)引線與所述二極管的一端相連，所述點(diǎn)火電阻的另一端通過(guò)引線連接在行尋址線上，行尋址線與電極區(qū)相連，所述二極管的另一端通過(guò)引線連接在列尋址線上，列尋址線與電極區(qū)相連。
[0013]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路中，優(yōu)選的，所述基片上的金屬化過(guò)孔形成aXb陣列，所述金屬化過(guò)孔的直徑為300 μπι?1500 μπι，更優(yōu)選500 μπι?1500 μm，所述金屬化過(guò)孔的深度為0.5mm?lmm0
[0014]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路中，優(yōu)選的，所述點(diǎn)火電路上的引線和電源電極均采用Au薄膜制備而成。
[0015]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路中，優(yōu)選的，所述基片為硼硅玻璃。
[0016]作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路的制備方法，包括以下步驟:
(a)基片打孔以及過(guò)孔金屬化；
(b)采用微機(jī)械加工工藝在所述基片正面制備點(diǎn)火電阻、引線和電極區(qū)；
(c)采用微機(jī)械加工工藝在所述基片背面制備引線和電極區(qū)，并在基片背面貼裝二極管，得到固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路。
[0017]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(b)和步驟(c)中，所述微機(jī)械加工工藝包括離子束濺射鍍膜工藝和離子束刻蝕工藝。
[0018]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路的制備方法中，優(yōu)選的，所述離子束濺射鍍膜工藝的工藝參數(shù)為:屏柵電壓為700V?1000V，束流為80mA?120mA。
[0019]上述的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路的制備方法中，優(yōu)選的，所述離子束刻蝕工藝的工藝參數(shù)為:屏柵電壓為450V?650V，束流為25mA?45mA。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
本發(fā)明的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路采用NiCr合金薄膜橋或TaN薄膜電阻，采用金屬化過(guò)孔使點(diǎn)火電阻與二極管串聯(lián)，使點(diǎn)火電壓可低至5V以下，功率低至1W，滿足固體微推進(jìn)器對(duì)低發(fā)火電壓、小功率點(diǎn)火電路的需求。本發(fā)明采用陣列的設(shè)計(jì)形式來(lái)解決多次點(diǎn)火啟動(dòng)的問(wèn)題。利用MEMS工藝在同一個(gè)基片上制作出一系列的微推進(jìn)單元，底部點(diǎn)火電路具有邏輯尋址功能，每一個(gè)推進(jìn)單元既可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立點(diǎn)火，也可以將幾個(gè)推進(jìn)單元進(jìn)行組合點(diǎn)火，從而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字式”推力控制。
[0021]本發(fā)明點(diǎn)火電路的制備方法采用微機(jī)械加工技術(shù)，有利于提高加工工藝的一致性和點(diǎn)火電路使用的可靠性水平，制造成本較低。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中10X10推進(jìn)陣列點(diǎn)火電阻示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中10X 10推進(jìn)陣列點(diǎn)火電阻局部放大圖。
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中點(diǎn)火電路二極管排布圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中點(diǎn)火電路二極管排布圖的局部放大圖。
[0026]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)示意圖。
[0027]圖例說(shuō)明:
1、點(diǎn)火電阻；2、二極管；3、金屬化過(guò)孔；4、第一電極區(qū)；5、第二電極區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]以下實(shí)施例中所采用的材料和儀器均為市售。
[0030]實(shí)施例1:
一種本發(fā)明的固體微推進(jìn)器用點(diǎn)火電路，如圖1?圖5所示，該點(diǎn)火電路設(shè)于基片上(基片在圖1?5中均省略示出)，該點(diǎn)火電路是由10X10個(gè)點(diǎn)火單元構(gòu)成的10行10列的推進(jìn)陣列。每個(gè)點(diǎn)火單元包括一個(gè)點(diǎn)火電阻1和一個(gè)二極管2，點(diǎn)火電阻1為NiCr合金薄膜電阻，點(diǎn)火電阻1設(shè)于基片的正面，二極管2設(shè)于基片的背面，基片上還設(shè)有10X 10個(gè)金屬化過(guò)孔3，每個(gè)點(diǎn)火單元中的點(diǎn)火電阻1通過(guò)對(duì)應(yīng)的金屬化過(guò)孔3與基片背面的二級(jí)管2串連，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火電阻1和二極管2之間的電氣互連。
[0031]本實(shí)施例中，點(diǎn)火電阻1的一端與二極管2的一端相連，點(diǎn)火電阻1的另一端連接在行尋址線上，行尋址線與第一電極區(qū)4相連，二極管2的另一端連接在列尋址線上，列尋