一种MEMS电喷雾推力器阵列结构及实现方法与流程

本发明属于电喷雾推力器制备领域，涉及一种mems电喷雾推力器阵列结构及实现方法。

背景技术：

微纳卫星是未来卫星发展的一个重要方向，微纳卫星具有成本低、研制周期短、扩展能力强、发射方式灵活等优点，并且体积小，行动灵活；微纳卫星还能以多星组网或编队方式飞行，执行更加复杂的空间任务。今年来受到各航天大国的关注，发射数量逐年增多。但是随着微纳卫星执行任务复杂度提高及在轨设计寿命增长，必将需要相应的推进模块完成其姿态控制及轨道保持任务；另一方面，随着微纳卫星发射数量增多，相应的轨道空间资源必将变得紧张，微纳卫星完成任务后的主动离轨也将提上日程，采用推进模块主动降轨进入大气层将是最好的选择之一。

目前，现有电喷雾推进器通常采用常规的机械手段进行加工制造。然而由于常规的机械手段的操作精度较低，使得制造的设备体积重量较大，不易进行阵列扩展，且集成度较低不易模块化设计，进而导致其不能满足微纳卫星的应用需求。并且传统机械加工方法的加工精度受限，一般仅能达到亚微米量级，这将影响到推力器最终产生的推力精度。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种mems电喷雾推力器阵列结构及实现方法，解决了现有传统电喷雾推进技术体积重量较大、集成度较低且不易阵列扩展，而不能适用于微纳卫星应用的问题。

本发明的技术方案是：本发明提供一种mems电喷雾推力器阵列结构，包括：安装基座、发射极、定位及绝缘层、电极安装框架、抽取极、加速极、以及储箱；

所述发射极为由突起作为基本单元构成的阵列结构，所述发射极与所述安装基座键合连接；

所述定位及绝缘层，位于所述安装基座的四个角，与所述安装基座之间键合连接，电气隔离所述发射极与所述抽取极；

所述电极安装框架，与所述定位及绝缘层键合连接；

所述加速极和所述抽取极为由通孔作为基本单元构成的阵列结构，所述发射极阵列结构中的突起与所述加速极和所述抽取极阵列结构中的通孔一一对应，所述加速极和所述抽取极由上至下依次置于所述电极安装框架的固定槽内；

所述储箱，与所述发射极通过所述储箱上的凸台连接，所述储箱内存储推力器需要的推进剂。

进一步地，所述发射极阵列结构上相邻两排的突起错位排列，并且任意两个相邻突起之间的距离相同。

进一步地，所述抽取极和加速极之间的距离为100-300微米。

进一步地，所述发射极和所述储箱的材料为多孔材料，所述抽取极和加速极材料为表面镀金属的硅基材料。

进一步地，本发明提供一种mems电喷雾推力器阵列结构的制备方法，包括：

101、对硅片进行深硅刻蚀和湿法腐蚀得到安装基座；

102、对多孔材料采用电化学腐蚀得到发射极，所述发射极为由突起作为基本单元构成的阵列结构；

103、通过环氧树脂将所述发射极键合在所述安装基座上；

104、通过硅-玻璃-硅阳极键合及玻璃腐蚀、深硅刻蚀得到定位及绝缘层(3)；

105、通过环氧树脂将所述定位及绝缘层键合连接在所述安装基座的四个角；

106、对硅片进行深硅刻蚀和湿法腐蚀得到电极安装框架，并通过环氧树脂将所述电极安装框架与所述定位及绝缘层键合；

107、利用金属溅射及电镀在硅基材料表面淀积金属薄膜得到抽取极和加速极，并将所述加速极和所述抽取极由上至下依次置于所述电极安装框架的固定槽内，所述加速极和所述抽取极为由通孔作为基本单元构成的阵列结构，所述发射极阵列结构中的每一个突起与所述加速极和所述抽取极阵列结构中的每一个通孔相互对应；

108、通过储箱上的凸台，将存储推进剂的储箱与所述发射极连接。

进一步地，对多孔材料采用电化学腐蚀得到发射极的方法为：

通过有机无机溶剂对用于制备发射极的多孔材料进行清洗；

通过干膜光刻胶对清洗后的多孔材料进行光刻；

通过氯化氢溶液在腐蚀掩蔽的保护条件下按照光刻标记对多孔材料整片向下刻蚀，同时向刻蚀掩蔽的侧向刻蚀，形成突起；

去除腐蚀掩蔽，通过氯化氢溶液、氯化镍溶液对突起进行电化学腐蚀，在突起顶端获得喷嘴顶部圆角。

进一步地，通过硅-玻璃-硅阳极键合及玻璃腐蚀、深硅刻蚀得到定位及绝缘层的方法为：

对硅片进行深硅刻蚀，所述硅片的厚度为1-1.2mm；

将深硅刻蚀后的硅片与0.5mm厚的玻璃进行阳极键合后，刻蚀玻璃；

在刻蚀后的玻璃上采用阳极键合的方法键合0.5mm厚的硅片；

对在玻璃上键合的0.5mm厚的硅片进行深硅刻蚀，并刻蚀对准标记，得到定位及绝缘层。

进一步地，利用金属溅射及电镀在硅基材料表面淀积金薄膜得到抽取极和加速极的方法为：

在硅片上进行深硅刻蚀，所述硅片的厚度为0.5mm-0.6mm；

通过深硅刻蚀在所述硅片上形成通孔；

采用热氧化和溅射在所述硅片表面电镀金薄膜，得到所述抽取极和加速极。

进一步地，所述多孔材料为多孔镍材料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明中提供的mems电喷雾推力器阵列结构，组成结构简单，显著减小推力器体积、重量，使其可以满足微纳卫星对体积、重量的要求。

2、本发明通过mems加工在单片空间上实现多针阵列结构，且单片与单片之间也可以实现阵列扩展，从而可以根据卫星的需要调节阵列数多少来调节推力等性能值。

3、本发明通过mems加工使得mems电喷雾推力器阵列结构的集成度较高，可以实现模块化设计。

4、本发明通过mems加工，实现了电喷雾推力器喷嘴微纳米尺度的加工制造，提高了推力器的推力精度水平，从而可以实现高品质卫星的精确调控任务。

附图说明

图1为本发明提供的mems电喷雾推力器阵列结构示意图；

图2(a)-图2(f)为本发明提供的定位及绝缘层的制备流程示意图；

图3为本发明提供的mems电喷雾推力器阵列结构工作原理示意图。

具体实施方式

本发明提供一种mems电喷雾推力器阵列结构，可以如图1所示，下面首先对结构进行阐述说明：

本发明提供的mems电喷雾推力器阵列结构，从下到上依次包括安装基座1、发射极2、定位及绝缘层3、电极安装框架4、抽取极5、加速极6、以及储箱7；发射极2置于安装基座1上面正中，通过环氧树脂进行键合；定位及绝缘层3位于安装基座1四个角，与安装基座1之间键合连接，电气隔离所述发射极2与所述抽取极5；电极安装框架4与定位及绝缘层3之间对准后键合连接；抽取极5和加速极6依次置于电极安装框架4上，抽取极5和加速极6之间距百微米量级，所述储箱7，与所述发射极2通过所述储箱7上的凸台连接，所述储箱7内存储推力器需要的推进剂。

其中，为提高电喷雾推力器的推力等性能，将推力器的发射极2、抽取极5和加速极6设计为阵列结构，所述发射极2为由突起作为基本单元构成的阵列结构，所述加速极6和所述抽取极5为由通孔作为基本单元构成的阵列结构，具体可以为但不限于20×24的阵列结构。

进一步地，所述发射极2阵列结构上相邻两排的突起错位排列，并且任意两个相邻突起之间的距离相同。同理，相邻两排抽取极5和加速极6的通孔错位排列，且任意两个通过之间的距离相同。同时，所述发射极2阵列结构上的每个突起分别与抽取极5和加速极6上的通孔对齐，从而在最大限度利用空间的基础上保证了不同发射极之间的电场强度尽量一致。

进一步地，发射极2和所述储箱7采用多孔材料，例如，可以采用孔径为微米量级的多孔镍，利用毛细作用实现推进剂的自驱动与管理；抽取极5和加速极6均采用在硅基结构表面镀金属的材料，例如，金属可以为金。

对于本发明提供的mems电喷雾推力器阵列结构的工作原理如图3所示，具体为：

储箱7内的推进剂在毛细作用下到达发射极2的阵列中的突起表面，所述突起具体可以为尖端，在抽取极5所施加的抽取电压vext作用下，在发射极2突起形成泰勒锥，并在电场的作用下，通过泰勒锥喷射出带电的离子/带电液滴；喷射出的带电的离子/带电液滴在加速极6所施加的加速电压vacc作用下，进一步加速，以较高的喷射速度向外喷射，从而产生推力器的推力。

下面对上述mems电喷雾推力器阵列结构的制备方法进行详细阐述：

101、对硅片进行深硅刻蚀和湿法腐蚀得到安装基座1。

具体地，对硅基材料采用深硅刻蚀、湿法腐蚀等mems加工得到安装基座1。

102、对多孔材料采用电化学腐蚀得到发射极2。

具体地，第一步：利用有机无机溶剂对用于制备发射极2的多孔镍材料进行清洗；第二步：利用干膜光刻胶进行光刻，实现图形化；第三步：两步法电化学腐蚀。两步法电化学腐蚀的第一次刻蚀：使用氯化氢溶液在腐蚀掩蔽的保护条件下整片向下刻蚀，同时实现向刻蚀掩蔽的侧向刻蚀，形成突起；两步法电化学腐蚀的第二次刻蚀：去除腐蚀掩蔽，加入nicl2溶液降低腐蚀速率，利用氯化氢、氯化镍溶液进行电化学腐蚀，在突起顶端获得喷嘴顶部圆角。

103、通过环氧树脂将所述发射极2键合在所述安装基座1上。

104、通过硅-玻璃-硅阳极键合及玻璃腐蚀、深硅刻蚀得到定位及绝缘层3。

具体地，制备流程可以如图2(a)-(f)所示，包括：(a)首先准备1-1.2mm的厚硅片；(b)对厚硅片进行深硅刻蚀；(c)将深硅刻蚀后的硅片与0.5mm厚的玻璃进行阳极键合；(d)刻蚀玻璃；e)在刻蚀后的玻璃上采用阳极键合的方法键合0.5mm厚的硅片；(f)对在玻璃上键合的0.5mm的硅片进行深硅刻蚀，并刻蚀对准标记，形成最终的定位及绝缘层3。

105、通过环氧树脂将所述定位及绝缘层3键合连接在所述安装基座1的四个角。

106、对硅片进行深硅刻蚀和湿法腐蚀得到电极安装框架4，并通过环氧树脂将所述电极安装框架4与所述定位及绝缘层3键合。

107、利用金属溅射及电镀在硅基材料表面淀积金属薄膜得到抽取极5和加速极6，并将所述加速极6和所述抽取极5由上至下依次置于所述电极安装框架4上，所述抽取极5和加速极6之间的距离为百微米量级。

具体地，(a)准备0.5-0.6mm厚硅片；(b)在硅片上进行深硅刻蚀，以减薄；(c)采用深硅刻蚀方法在硅片上生产通孔；(d)采用热氧化、溅射方法在硅片表面电镀金薄膜。

108、通过储箱7上的凸台，将存储推进剂的储箱7与所述发射极2连接。

需要说明的是，电喷雾推力器封装部分对发射极与抽取极和加速极的对准要求较高，为了提高对准精度，整合电化学腐蚀与干膜光刻，并利用显微镜实现发射极与抽取极和加速极的对准。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。