专利名称：微型内燃机内置电阻点火器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微型内燃机微小空间内点火的燃烧特性点火元件试验装置，特别涉及一种微型内燃机内置电阻点火器及其制备方法。
背景技术：
目前，在微小空间内的点火，主要有电阻加热式点火和电火花放电式点火。其中，通过电阻加热点火通常是在微小的燃烧室内采用MEMS工艺制备出一段电阻，这些电阻丝均附着在硅基上或玻璃上，通过加热电阻点火。现普遍采用制备电阻点火器的方法有两种第一种方法是首先在硅基上用深干法刻蚀加工出深槽，然后在深槽内生长氧化物绝缘层，再在绝缘层上制备多晶硅作为电阻[参见Xin Zhang，Amit Mehra等，Sensorsand Actuators A 103(2003)253-262]；第二种方法是在玻璃基体上蒸镀金属，再用浮脱工艺加工出电阻的形状[参见K.L.Zhang a，S.K.Chou等，Sensors and Actuators A 122(2005)113-123]。采用第一种方法制备工艺复杂，需要多步刻蚀，深层干法刻蚀，对刻蚀工艺以及设备的要求较高，并且采用多晶硅作为电阻传热慢；第二种方法虽直接将电阻制备在了微燃烧室的上盖上，但仅适用于固体燃料而不适用于气体燃料。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于微电子加工技术的微型内燃机内置电阻点火器及其制备方法，通过采用普通的电子薄膜制备工艺及刻蚀工艺在硅基上制作既满足微小空间尺寸要求又满足微流道中可燃气体点火要求的微型内燃机内置电阻点火器，具有加热可靠，传热快，绝缘性好，结构简单且制备容易等特点。
为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现一种微型内燃机内置电阻点火器，包括双面沉积有绝缘层的硅基片，在硅基片的背面和正面设有与微燃烧室的腔体相对应的图形，硅基片的背面还设有与微燃烧室的腔体相对应的腔体，使硅基片形成梁式结构，在硅基片正面，与梁式结构即背面腔体的中心对应处设有两端分别通过导线和接线座连接的金属电阻片。
上述微型内燃机内置电阻点火器的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行(1)根据微型内燃机的燃烧室的大小对硅基片进行正确划片，将划片后的硅基片按顺序用去离子水，无水乙醇，去离子水进行超声清洗；(2)然后在硅基片双面沉积绝缘层；(3)再在硅基片背面和正面分别涂光刻胶、光刻，刻蚀出窗口；(4)然后在硅基片正面涂光刻胶，光刻，沉积金属，剥离，形成金属电阻片、导线和接线座图形；(5)再刻蚀硅基片的背面，通过控制刻蚀时间形成硅梁结构和腔体。
本发明的有益效果是采用普通的薄膜制备工艺及湿法刻蚀工艺在硅基片上制作出既满足微小空间尺寸要求又满足微流道中可燃气体点火要求的微型内燃机内置式点火器，从而实现微型内燃机及微小空间点火及燃烧特性试验各类装置的可微型化；与微型燃烧室封接时，微型内燃机内置电阻点火器正对应于可燃气体入口处，电阻片充分外露，传热迅速。制备工艺简单，可以实现批量化生产；同时可以实现电阻片的形状和尺寸精度的控制，从而有利于对点火能量的精确计算与控制，有利于实验结果和理论计算结果的比较。
图1是本发明的微型内燃机内置电阻点火器结构图；图2是本发明制备方法步骤图；图3是电阻点火器在微燃烧室内装备图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明如图1所示为一微型内燃机内置电阻点火器结构图，包括硅基片1、导线2、金属电阻片4、接线座5及腔体3。本实施例中微型内燃机的燃烧室的截面形状采用正方形或圆形，其边长或直径取2mm，金属电阻片的宽度取40μm，由于微型内燃机内置电阻点火器的形状与尺寸大小与微燃烧室进口部分腔体的形状和尺寸设计相对应，因此腔体3截面形状也采用正方形或圆形。电阻片4沉积在硅基片1的梁式结构上，其形状与硅基片1的梁式结构相对应。
上述微型内燃机内置电阻点火器制备方法参见图2，包括下列步骤(1)对硅基片的正常清洗工艺根据微型内燃机的燃烧室的大小对硅基片进行正确划片，将划片后的硅基片按顺序用去离子水，无水乙醇，去离子水进行超声清洗。
(2)在硅基片双向沉积绝缘层采用热氧化的方法可以制备氧化硅薄膜，也可以在硅基片上用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积氧化硅、氮化硅和碳化硅薄膜。
如图2中a所示，生长绝缘层，绝缘层为非金属陶瓷膜层，绝电、绝热，本实施例中采用氮化硅作为材料，在双面抛光的硅机片上，用LPCVD在双面生长低应力氮化硅，氮化硅厚度为2μm。
(3)通过刻蚀绝缘层薄膜形成硅基片背面的燃烧室腔体图形如图2中b所示，在硅基片背面涂正性光刻胶BP218，胶厚7μm，曝光80秒，显影120秒；用RIE刻蚀机刻蚀氮化硅，刻蚀出腔体的背面窗口，刻蚀气体为SF6气体，流量60sccm，刻蚀时间20分钟。
(4)通过刻蚀绝缘层薄膜形成硅基片正面的燃烧室腔体图形如图2中c所示，在硅基片正面涂正性光刻胶BP218，胶厚7μm，曝光80秒，显影120秒；用RIE刻蚀机刻蚀氮化硅，刻蚀出腔体的正面窗口，刻蚀气体为SF6气体，流量60sccm，刻蚀时间20分钟。
(5)在正面的绝缘层上制备电阻片、导线和接线座，金属电阻层选用熔点超过1000℃的贵金属，本实例中选用金属电阻片材料选用金薄膜，连接导线对外接线座部分也采用金薄膜。在蒸发沉积金薄膜之前，可先蒸发一层金属铬薄膜作为缓冲层。
如图2中d所示，在硅基片正面涂反转光刻胶AZ5214，胶厚2μm；正面对准曝光，前曝时间6秒，沉积熔点超过1000℃的贵金属金，热板在120℃下烘2分钟，泛曝20秒。电子束蒸发金属铬和金，厚度约为100nm。用丙酮超声，乙醇超声，水超声剥离、清洗，形成正面电阻片、导线和接线座图形。
(6)刻蚀多余的硅以形成腔体如图2中e所示，用30％KOH溶液，刻蚀硅基片背面已经形成的燃烧室腔体，使硅基片形成一条整梁结构，刻蚀速率1μm/分钟。
在刻蚀过程中根据刻蚀速率通过控制刻蚀时间控制刻蚀硅的深度从而形成硅梁结构。
刻蚀硅采用湿法刻蚀和干法刻蚀均可。
结合图3，将内置电阻点火器7与微燃烧室8的其他部分采用微封装工艺连接。通常微燃烧室8是由多层硅结构经键合构成的，内置电阻点火器7设计在微燃烧室的下腔体6，是在其中的一层硅片上制备的，硅基片的梁形状结构(以下简称硅梁结构)，起到支撑作用；硅梁结构是在刻蚀硅基底的过程中形成的，因此将内置电阻点火器7与微燃烧室8的其他部分采用微封装工艺连接在一起即可。电阻片加热点火具有很多优点采用微电子工艺制备简单；形状和尺寸控制精确；金属薄膜的面电阻率远远大于宏观结构中的金属电阻率，因而在较短的长度上可容易地获得十几KΩ电阻；在外界提供较小的功率(如3～4W)情况下，产生足够的热量使环境温度迅速升高，达到点火的目的，非常适用于微内燃机及微小空间点火和燃烧特性试验装置等研究领域。
权利要求
1.一种微型内燃机内置电阻点火器，包括双面沉积有绝缘层的硅基片(1)，其特征在于，所述的硅基片(1)的背面和正面有与微燃烧室的腔体相对应的图形，硅基片(1)的背面设有与微燃烧室的腔体相对应的腔体(3)，使硅基片(1)形成梁式结构，在硅基片(1)正面，与梁式结构即腔体(3)的中心对应处设有两端分别通过导线(2)和接线座(5)连接的金属电阻片(4)。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下步骤进行(1)根据微型内燃机的燃烧室的大小对硅基片进行正确划片，将划片后的硅基片按顺序用去离子水，无水乙醇，去离子水进行超声清洗；(2)然后在硅基片双面沉积绝缘层；(3)再在硅基片背面和正面分别涂光刻胶、光刻，刻蚀出窗口；(4)然后在硅基片正面涂光刻胶，光刻，沉积金属，剥离，形成金属电阻片、导线和接线座图形；(5)再刻蚀硅基片的背面，通过控制刻蚀时间形成硅梁结构和腔体。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的绝缘层为非金属陶瓷膜层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述的非金属陶瓷膜层为低应力氮化硅。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的沉积金属选用熔点超过1000℃的贵金属。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的贵金属为金。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的刻蚀硅基片的方法为湿法刻蚀。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的刻蚀硅基片的方法为干法刻蚀。
全文摘要
本发明公开了一种微型内燃机内置电阻点火器及其制备方法。首先，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在硅基体上沉积一层氮化硅薄膜作为绝缘层；接着采用微电子工艺在硅基上刻蚀出微燃烧室腔体的一部分，在刻蚀过程中从硅片的背面制作出一段硅梁作为支撑；然后采用蒸镀工艺沉积上一层金薄膜作为金属电阻片、导线和接线座；最后采用微封装工艺与微燃烧室的其它部分封装在一起。
文档编号H01T13/00GK101017960SQ20071001737
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月6日 优先权日2007年2月6日
发明者蒋庄德, 任泰安, 张长富 申请人:西安交通大学