专利名称：带压力传感器的微型化学推进器的制作方法
技术领域：
本发明属于微推进技术(Micro Propulsion)和MEMS技术(Micro Electro-MechanicalSystem)领域。
背景技术：
推进系统是大多数航天器的关键子系统，主要用于航天器的轨道机动、轨道保持和特殊姿态控制等。然而，近二十年来，在国际上研制的微型卫星(质量小于20kg)尤其是纳型/皮型卫星(质量小于10kg)中几乎都不配备推进系统，因而只有极其有限的机动能力。这主要是因为传统的推进系统体积和质量都有很大，不适合微型卫星的使用。随着卫星的微小型化，以及多颗纳型/皮型卫星组网和编队飞行的发展，对体积小、质量轻、精度高、功耗低的微推进器的需求越来越迫切。
微推进器尤其是基于MEMS技术的微型推进器(简称MEMS推进器)无论在国内还是国外都是一个新兴的研究领域。在美国大学卫星计划和先进空间运输计划支持下，JPL实验室、TRW公司、MIT等科研机构都在积极从事微型推进器方面的研究，并取得了重要进展。欧洲的ESA、Surrey大学以及日本等国的大学和科研机构也在从事微推进器方面的工作。国内的科研院所在适合于纳型/皮型卫星应用的微推进器及其控制系统研究方面也取得了一定的成绩。
MEMS推进器在结构上对传统的推进器进行了改进和微型化，在工艺上结合了先进的微/纳米技术和微加工技术。目前研究的MEMS推进器，按照工作原理分主要有两大类电推进器和化学推进器。本发明属于MEMS推进器领域。
MEMS电推进存在以下不足1.电热式气体电推进器，虽然结构比较简单，能够产生连续可变推力，但推进器比冲比较低，而且系统需要配备推进剂高压贮箱和供应管路，大大增加了推进系统质量和体积。对于推进剂气体供给的控制，一般有两种办法1)使用电磁阀，虽然工作比较可靠，但是电磁阀结构复杂，体积和重量都比较大，难于和MEMS推进器集成；2)使用基于MEMS工艺的微阀控制，这种办法解决了系统集成的问题，但是MEMS微阀工作可靠性低，容易产生气体泄漏，从而降低了整个推进系统的工作的可靠性；2.电热式相变电推进器，利用推进剂气化或升华产生推力，比冲较低。通过加热使推进剂相变，功耗比较大。同样也存在推进剂泄漏，工作可靠性低的问题。而且对于升华式电推进器，由于推进剂相变不完全，往往造成推进剂凝结在输送管路或喷管中，导致做功效率的降低，性能下降。
3.静电型和电磁型电推进，工作电压极高(一般要上千伏)，需要采用复杂的电源控制管理系统，增加了系统的体积和重量。同时，微型卫星电源系统能够提供的电压一般为3～28V，因此，过高的电压也不适合在微型卫星上使用。而且，这两种推进器的羽流为带电粒子，容易造成电磁污染，往往还要附加羽流中和系统，造成整个推进系统进一步微型化和集成的困难。
MEMS化学推进器利用MEMS工艺，将推进器所有部件集成在一片芯片中，通过固体或液体推进剂燃烧产生精确的微小脉冲推力。推进器一般采用阵列结构，各单元可以单独工作也可以组合工作，推力可调，多片组合使用还可以实现矢量控制，适用于纳型/皮型卫星的轨道保持、姿态调整、变轨和定向的精确控制。推进器本身没有可动部件，工作可靠性高。现有的MEMS化学推进系统框图如图1，包括通讯接口、控制逻辑电路、点火驱动电路和推进器(含有点火器、燃烧室和喷管)。
现有的MEMS化学推进器存在下述问题1.推进器内没有集成压力测量元件，无法测量燃烧室内压力。阵列式推进器工作时，系统根据实际需要，点燃一定数量的推进单元，从而达到预期的卫星动量增量要求。由于各个单元的工作过程和状态都不尽相同，往往会产生冲量误差。工作时如果没有实时压力测量反馈，而采用开环控制，就无法估计实际工作冲量的大小，很难对误差冲量进行补偿。
2.推进单元采用底部点火方式的结构，燃烧室没有燃气释放通道，造成推进剂燃烧不充分，因而比冲降低，最小推力和冲量的不确定性大；如果是固体推进剂，未充分燃烧容易堵塞喷管。推进单元采用上部点火方式的结构，点火器在的承载膜上，承载膜为氮化硅或氧化硅，热导率低，因此点火时间延迟大，点火功率较高。
3.喷管喉部存在膜结构，膜破裂之后，喉部形状不规则，从而造成喷管面积比不确定，使各单元推力与脉冲冲量均匀性差。
发明内容
本发明的目的是解决现有MEMS化学推进器无法反馈控制的问题，并降低了加工工艺难度。
本发明提供了一种带压力传感器的微型化学推进器，其特征在于所述推进器由上层硅片和下层硅片两部分粘接而成，并且是一系列基本推进单元的周期性阵列，阵列规模可变主要由实际需要决定同时受工艺水平限制。所述每个基本推进单元的上层部分集成了燃烧室、点火药腔和喷管，所述喷管底部与所述燃烧室底部通过所述点火药腔相连通，推进剂从所述燃烧室底部开始燃烧形成燃气，燃气从所述喷管顶部排出；所述每个基本推进单元的下层部分集成了压力传感器和点火器，其底部为内凹的棱台结构，顶部为压力敏感薄膜，压力传感器嵌于所述压力敏感薄膜中，点火器位于所述压力敏感薄膜的顶面。
在每个基本推进单元中，所述燃烧室和点火药腔为上下两级相接的同轴孔，同轴孔可为圆柱形孔或棱柱形孔。
在每个基本推进单元中，所述喷管环绕所述燃烧室均匀分布，且相对于燃烧室的中轴成旋转对称。喷管的个数至少为2个。喷管形状可为圆柱形孔或棱柱形孔。
在每个基本推进单元中，所述喷管、燃烧室和点火药腔侧壁均覆有氧化硅隔热层。
本发明所述点火器电阻采用金属铂薄膜材料，为蛇形折叠结构。点火器同时可以复用为温度测量敏感器。
本发明所述压力传感器由压敏电阻按照惠斯通电桥布局形式构成。
本发明的特点是集成了压力测量器件，点火器用铂电阻制造可同时作为温度测量元件，喷管和燃烧室为一体化结构。和现有MEMS化学推进器阵列相比，本发明有以下特点1)下层硅片上同时集成了点火器和惠斯通电桥布局形式的压力传感器，使燃烧室内实时压力测量成为可能，使系统能够闭环工作；2)点火器使用铂电阻，电阻与点火药直接接触，中间没有隔层，因此点火延迟时间短，点火功率低；3)铂电阻可以作为温度测量元件，温度测量和点火器功能复用；4)倒装喷管与燃烧室集成在同一硅片内，省去了燃烧室和喷管键合的工艺步骤，避免了由于键合引起的对准误差。5)喷管喉部没有隔膜，消除了因薄膜破裂引起喷管面积比不定所造成的基本推进单元推力和冲量不均匀。
图1为现有的微型化学微推进器系统的框图。
图2为微型化学推进器的整体结构示意图。
图3为基本推进单元结构轴侧图。
图4为基本推进单元纵截面图。
图5为基本推进单元的下层部分轴侧图。
图6为点火器示意图。
图7为压敏电阻布局示意图。
图8为带压力传感器的微型化学微推进器系统的框图。
具体实施例方式
下面结合附图来具体说明本发明。
1.整体和基本单元结构图2所示是推进器的整体结构，由上层硅片1和下层硅片2两部分粘接而成，是一系列基本推进单元3的周期性阵列，阵列的大小根据实际使用要求可变，同时受工艺水平限制。为了防止由于一个单元的爆炸引起相邻单元的连锁爆炸损坏整个推进器，采用推进单元分组阵列布局。
如图3所示，基本推进单元3的上层部分4集成了燃烧室、点火药腔和喷管。喷管环绕燃烧室均匀分布，且相对于燃烧室的中轴成旋转对称。喷管个数和横截面积按照实际燃烧室内压强、推力和脉冲冲量要求设计，至少为2个，可为更多。基本推进单元3的下层部分5集成了点火器7和压力传感器6。固体推进剂浇注到燃烧室中，工作时点火器引燃点火药，点火药爆燃点燃推进剂，推进剂从底部自下向上端面燃烧产生高压燃气，燃气从喷管顶部喷出产生推力。每个基本推进单元可单独点火工作也可以组合点火工作。
图4详细显示了基本推进单元的纵截面结构，上层部分由于要得到较深的孔和深宽比较大的结构，因此采用ICP加工。下层部分中点火器和压力敏感器的加工利用与CMOS工艺兼容的表面硅工艺，硅片背面用各相异性湿法腐蚀或RIE刻蚀出内凹棱台结构从而在上部形成压力敏感薄膜。上层部分燃烧室和喷管加工完毕后加注固体推进剂，然后和加工好的下层部分完成粘接。粘接好的芯片，每个基本推进单元中的点火器都位于相应燃烧室的正下方。
2.基本推进单元的上层部分结构详细说明如图4，基本推进单元的上层部分包括燃烧室8、点火药腔11和喷管9。燃烧室8填充固体推进剂，点火药腔11填充低点火能量阈值，低能量的易爆点火药。所述燃烧室和点火药腔为上下两级相接的同轴孔，同轴孔可为圆柱形孔或棱柱形孔。倒装喷管9环绕燃烧室8均匀分布，且相对于燃烧室8的中轴成旋转对称，喷管底部通过点火药腔与燃烧室相连。喷管的个数至少为2个。喷管形状可为圆柱形孔或棱柱形孔。燃烧室和喷管内壁通过热氧化的方法形成氧化硅隔热层10，目的是为了提高燃烧室和喷管内壁的绝热性，减少相邻推进单元之间热传递，从而提高推进器做功的效率和比冲，增加推进器工作的可靠性。
3.基本推进单元的下层部分结构详细说明如图4，基本推进单元的下层部分由六个主要部分组成，从上至下依次为点火器7和行寻址导线16、第一绝缘层12、列寻址导线13、第二绝缘层14、压力传感器6、底层绝缘层15。图5是基本推进单元的下层部分的轴侧图，基本推进单元的下层部分的底部为内凹的棱台结构，顶部为压力敏感薄膜，压力传感器6嵌于所述压力敏感薄膜中，点火器7位于所述压力敏感薄膜的顶面。
下层部分中的行寻址导线与点火器在同一层面上，行寻址导线的引出线与点火器的一端相连。第一绝缘层是氧化硅，其作用是行列寻址导线之间的绝缘，列寻址导线通过绝缘层上的通孔与点火器的另一端相连。第二绝缘层也是氧化硅，其作用是列寻址导线和压力传感器之间的绝缘。底层绝缘层为氮化硅，作用是上层压力传感器及其导线和硅基底之间的绝缘，同时它也是压力敏感膜的一部分，压敏电阻位于其上。
图6所示为放大的点火器的形状，点火器是金属铂薄膜电阻，采用蛇形折叠形式，一是为了增加阻值，二是为了增大电阻和点火药的有效接触面积，增加点火的可靠性。电阻长度和折叠次数根据实际要求可变。点火器同时可以复用为温度测量敏感器。
压力传感器由压敏电阻按照惠斯通电桥布局形式构成，压敏电阻17的布局形式如图7所示，既能补偿温度对电阻的影响，又能提高测量精度和灵敏度。
本发明所述带压力传感器的微型化学推进器可构成闭环控制的微推进器系统，如图8所示。由于本发明所述带压力传感器的微型化学推进器内集成了测量压力的惠斯通电桥，使推进系统能够形成压力反馈的闭环控制。同时温度敏感电阻与点火器复用，温度敏感器直接与点火药接触，可测量点火药的初始温度，为点火控制提供参数。
权利要求
1.带压力传感器的微型化学推进器，其特征在于所述推进器由上层硅片和下层硅片两部分粘接而成，并且是一系列基本推进单元的周期性阵列；所述每个基本推进单元的上层部分集成了燃烧室、点火药腔和喷管，所述喷管底部与所述燃烧室底部通过所述点火药腔相连通，推进剂从所述燃烧室底部开始燃烧形成燃气，燃气从所述喷管顶部排出；所述每个基本推进单元的下层部分集成了压力传感器和点火器，其底部为内凹的棱台结构，顶部为压力敏感薄膜，压力传感器嵌于所述压力敏感薄膜中，点火器位于所述压力敏感薄膜的顶面。
2.根据权利要求1所述的微型化学推进器，其特征在于在每个基本推进单元中，所述燃烧室和点火药腔为上下两级相接的同轴孔。
3.根据权利要求1所述的微型化学推进器，其特征在于在每个基本推进单元中，所述喷管环绕所述燃烧室均匀分布，且相对于燃烧室的中轴成旋转对称。
4.根据权利要求1、2或3所述的微型化学推进器，其特征在于在每个基本推进单元中，所述喷管的个数至少为2个。
5.根据权利要求1、2或3所述的微型化学推进器，其特征在于在每个基本推进单元中，所述喷管、燃烧室和点火药腔侧壁均覆有氧化硅隔热层。
6.根据权利要求1所述的微型化学推进器，其特征在于所述点火器电阻采用金属铂薄膜材料，为蛇形折叠结构。
7.根据权利要求1所述的微型化学推进器，其特征在于所述压力传感器由压敏电阻按照惠斯通电桥布局形式构成。
全文摘要
带压力传感器的微型化学推进器，属于微推进技术和MEMS技术领域。为解决现有MEMS化学推进器无法反馈控制的问题，本发明公开了一种带压力传感器的微型化学推进器，它由上层硅片和下层硅片两部分粘接而成，并且是一系列基本推进单元的周期性阵列；每个基本推进单元的上层部分集成了燃烧室、点火药腔和喷管，喷管底部与燃烧室底部通过点火药腔相连通；每个基本推进单元的下层部分集成了压力传感器和点火器，其底部为内凹的棱台结构，顶部为压力敏感薄膜，压力传感器嵌于压力敏感薄膜中，点火器位于压力敏感薄膜的顶面。本发明使燃烧室内实时压力测量成为可能，同时省去了燃烧室和喷管键合的工艺步骤，避免了由于键合引起的对准误差。
文档编号B64G1/42GK1603599SQ200410009790
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月12日 优先权日2004年11月12日
发明者尤政, 张高飞, 林杨, 任大海, 吕鹏 申请人:清华大学