具有推力增程模块的MEMS微推力器阵列芯片的制作方法

本发明涉及一种微推力器阵列芯片，特别是一种具有推力增程模块的mems微推力器阵列芯片。

背景技术：

微纳卫星和微纳卫星星座已经成为当前国际重要研究热点之一，各航天大国均开展了相关研究。由于受到体积和载荷能力的限制，目前已发射和在研的微纳卫星均未具备完整的姿轨控能力，仅具备有限的轨道机动能力。基于mems技术和微电子技术的mems微推进系统应运而生，成为微小卫星和微小卫星星座等微型航天器姿轨控技术的有力竞争者。

随着mems技术的进步，mems微推进器阵列芯片的微药室直径已经进入亚毫米尺度，有利于提高mems微推力器单元的集成度和微型化、轻量化。但是，随着微药室直径的降低，mems微推力单元能够提供的推力也在降低，在集成度的提高和微推力性能之间存在技术矛盾。

目前，mems微推力器阵列芯片的主流结构仍然是trw公司在20世纪90年代提出的“三明治”结构，即由mems微推力器单元由点火层、药室层和喷孔层构成。在传统的“三明治”结构中，改变mems微推力器单元技术指标需要对微推力器的设计参数和结构参数作出修改，研制周期长、成本高，不利于产品的批量生产和系列化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有推力增程模块的mems微推力器阵列芯片，解决mems微推力技术在集成度和微推力/微冲量等性能指标之间的矛盾。

实现本发明目的的技术方案为：一种具有推力增程模块的mems微推力器阵列芯片，包括由下至上依次设置的点火层、药室层和推力增程模块；

所述推力增程模块的上表面设置有外喷孔，推力增程模块的下表面设置有内喷孔，内喷孔和外喷孔之间设置有单晶硅薄膜，作为内外喷孔之间的隔膜；内喷孔内壁生长或者沉积高能纳米含能膜作为推力增程模块的推进剂。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明通过修改推力增程模块的孔径和高能纳米含能膜的微结构和膜厚等参数，可以方便的对mems微推力器阵列芯片的微推力和微冲量等性能进行修改，不必修改核心机的结构和工艺参数，有利于实现mems微推力器阵列芯片的批量生产和系列化，有利于增强mems微推力系统的工艺柔性和性能柔性；

(2)高能纳米含能膜具有能量密度高、燃速高、稳定燃烧的临界直径小、比冲大等优点，且含能膜与mems工艺兼容，可批量制备。

附图说明

图1是本发明中的推力增程模块的结构图。

图2(a)和图2(b)分别是具有喷孔层和没有喷孔层的mems微推力器阵列芯片结构图。

具体实施方式

结合图1，图2，一种具有推力增程模块的mems微推力器阵列芯片，包括由下至上依次设置的点火层、药室层和推力增程模块；

所述推力增程模块的上表面设置有外喷孔，推力增程模块的下表面设置有内喷孔，内喷孔和外喷孔之间设置有单晶硅薄膜，作为内外喷孔之间的隔膜；内喷孔内壁生长或者沉积高能纳米含能膜作为推力增程模块的推进剂。

所述高能纳米含能膜为多孔硅纳米含能膜、cuo纳米线/al含能膜、mg纳米线/聚四氟乙烯或者cuo/al可反应性多层膜。

点火层上的换能元、药室层的药室以及推力增程模块的内喷孔、外喷孔位置在垂直方向对应。点火层、药室层和推力增程模块之间通过键合连接。

进一步的，药室层和推力增程模块之间还设置有喷孔层。点火层上的换能元、药室层的药室、喷孔层的内外喷孔以及推力增程模块的内喷孔、外喷孔位置在垂直方向对应；所述点火层、药室层、喷孔层和推力增程模块之间通过键合连接。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种具有推力增程模块的mems微推力器阵列芯片，包括由下至上依次设置的点火层、药室层和推力增程模块；

如图1所示，所述推力增程模块的上表面2-1设置有外喷孔2-5，推力增程模块的下表面2-2设置有内喷孔2-4，内喷孔2-4和外喷孔2-5之间设置有单晶硅薄膜2-6，作为内外喷孔之间的隔膜；内喷孔内壁生长或者沉积高能纳米含能膜2-3作为推力增程模块的推进剂。高能纳米含能膜包括但不限于新型多孔硅纳米含能膜、cuo纳米线/al含能膜、mg纳米线/聚四氟乙烯、cuo/al可反应性多层膜以及其他新型可集成型纳米含能膜；高能纳米含能膜采用化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、电化学腐蚀工艺或者原电池腐蚀工艺等图形化的mems工艺方法制备。高能纳米含能膜的能量密度大于4kj/g，燃速高，稳定燃速的临界直径小，可达到微米量级。

如图2(a)和图2(b)所示，推力增程模块2与核心机模块1在结构上键合成一体发挥作用，起到调整核心机微推力和微冲量的作用，是核心机的性能倍增器。核心机模块有两种方案，一种是仅包括点火层和药室层，另一种是包括点火层、药室层和喷孔层。

具有推力增程模块的mems微推力器阵列芯片的工艺步骤如下：

步骤1、对厚度≥500μm的双面抛光p型单晶硅晶圆进行清洗和干燥处理；

步骤2、对单晶硅晶圆的2-1面进行光刻和刻蚀盲孔，制备外喷孔阵列2-5；

步骤3、对单晶硅晶圆的2-2面进行光刻和刻蚀盲孔，制备内喷孔阵列2-4；

步骤4、采用图形化的mems工艺，在2-2面的内喷孔阵列内壁生长或者沉积三维结构的高能纳米含能膜2-3；

步骤5，完成推力增程模块的制作后，将推力增程模块与核心机模块通过键合工艺结合，完成基于mems微推力器阵列的微推力系统的制作。

本发明在无需修改mems微推力器阵列核心机模块的基础，通过在核心机模块上加装不同推力性能的推力增程模块满足不同规格的微型航天器对推力性能的需求，有利于实现mems微推力器阵列芯片的批量化、低成本化、系列化和型谱化，将原本需要定制研发的产品变成货架产品。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种具有推力增程模块的MEMS微推力器阵列芯片，包括由下至上依次设置的点火层、药室层和推力增程模块；所述推力增程模块的上表面设置有外喷孔，推力增程模块的下表面设置有内喷孔，内喷孔和外喷孔之间设置有单晶硅薄膜，作为内外喷孔之间的隔膜；内喷孔内壁生长或者沉积高能纳米含能膜作为推力增程模块的推进剂。本发明在不改变核心机结构和性能参数的情况下，通过增加推力增程模块实现对MEMS微推力器阵列芯片关键技术指标的调控，有利于实现MEMS微推力器阵列芯片的批量化、低成本化、系列化和型谱化。

技术研发人员：王守旭;朱健;姜国庆;匡蕾;夏燕
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：2017.10.31
技术公布日：2018.04.13