專利名稱：微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型內(nèi)燃機(jī)和微小空間點(diǎn)火和燃燒特性試驗(yàn)裝置點(diǎn)火元件，特別涉及一種微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器及其制備方法。
背景技術(shù)：
微型內(nèi)燃機(jī)是近幾年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一，微型內(nèi)燃機(jī)，具有體積小、能量密度高、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分看好。目前，在微小空間內(nèi)的點(diǎn)火，主要有電阻加熱時(shí)點(diǎn)火和電火花放電點(diǎn)火。在電阻加熱點(diǎn)火中，通常是在微小的燃燒室內(nèi)采用MEMS工藝制備出一段片形電阻片，這些電阻片可以在硅基體上采用深層多步干法刻蝕加工工藝制備[參見Xin Zhang，Amit Mehra等，Sensors and Actuators A 103(2003)253-262]；也可以是在玻璃基體上蒸鍍金屬，用浮脫工藝加工出電阻絲的形狀[參見K.L.Zhang a，S.K.Chou等，Sensors and Actuators A 122(2005)113-123]。點(diǎn)火花放電點(diǎn)火電極制備，現(xiàn)有的方法是在光敏玻璃上通過(guò)刻蝕、熱處理等工藝制作出微燃燒室的腔體形狀，在光敏玻璃上沉積金屬Cr/Cu作為緩沖層，再在上面沉積金屬Ni，做保護(hù)層，最后在HF酸溶液中去掉多余的玻璃、金屬Cr/Cu，留下金屬Ni作為點(diǎn)火花電極。該方法的不足之處是沒(méi)有采用硅基體作為微燃燒室材料，電極端部為尖狀，盡管可以使兩端的加載電壓減小，但卻大大地減小了電容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，提供一種基于微電子加工技術(shù)的微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器及其制備方法，所制備的微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器具有放電迅速，點(diǎn)火方便，絕緣性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備容易等特點(diǎn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器，包括雙面沉積有絕緣層的硅基片1，在硅基片1的背面和正面設(shè)有與微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置燃燒室的腔體相對(duì)應(yīng)的圖形，背面還設(shè)有與微燃燒室的腔體相對(duì)應(yīng)的空心腔體3，使硅基片1形成兩個(gè)端面對(duì)齊的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在硅基片1的正面，與懸臂梁結(jié)構(gòu)即空心腔體3的中心對(duì)應(yīng)處設(shè)有兩端分別通過(guò)導(dǎo)線2和接線座5連接的金屬平板電容器4。
一種微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器的制備方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行(1)將硅基片按順序用去離子水，無(wú)水乙醇，去離子水進(jìn)行超聲清洗；(2)然后在硅基片雙面沉積絕緣層；(3)再在硅基片背面和正面分別涂光刻膠、光刻，刻蝕出腐蝕窗口；(4)然后在硅基片正面涂光刻膠，光刻，沉積金屬，剝離，形成金屬平板電容器、導(dǎo)線和接線座圖形；(5)再刻蝕硅基片的背面，通過(guò)控制刻蝕時(shí)間形成硅梁結(jié)構(gòu)和腔體。
(6)最后在電鍍液中進(jìn)行電鍍即可。
本發(fā)明的有益效果是采用微電子薄膜制備工藝及普通的濕法刻蝕工藝在硅基上制作既滿足微小空間尺寸要求又滿足微流道中可燃?xì)怏w點(diǎn)火要求的微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容式點(diǎn)火器，從而實(shí)現(xiàn)微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置及微小空間點(diǎn)火及燃燒特性試驗(yàn)各類裝置的可微型化；微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器正對(duì)應(yīng)于可燃?xì)怏w入口處，點(diǎn)火迅速，易于控制。由于本發(fā)明方法是基于微電子工業(yè)的薄膜制備工藝進(jìn)行微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器的制備，因此，可以實(shí)現(xiàn)其批量化生產(chǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電極的形狀和尺寸精度的控制，從而有利于對(duì)點(diǎn)火能量的精確計(jì)算與控制，并且有利于提高點(diǎn)火測(cè)量結(jié)果的一致性。


圖1是本發(fā)明的微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明制備方法步驟圖；圖3是微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器在微燃燒室內(nèi)裝備圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，為一微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)圖。包括硅基片1、導(dǎo)線2、腔體3、金屬平板電容器4和接線座5。本實(shí)施例中微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置的燃燒室的截面形狀采用正方形或圓形，其邊長(zhǎng)或直徑取2mm，金屬電阻片的寬度取40μm，由于微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置電阻點(diǎn)火器的形狀與尺寸大小與微燃燒室進(jìn)口部分腔體的形狀和尺寸設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，因此腔體3截面形狀也采用正方形或圓形。電阻片4沉積在硅基片1的懸臂梁結(jié)構(gòu)上，其形狀與硅基片1的懸臂梁結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。
上述微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器制備方法參見圖2，包括下列步驟
(1)對(duì)硅基片的正常清洗工藝根據(jù)微型內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的大小對(duì)硅基片進(jìn)行正確劃片，將劃片后的硅基片按順序用去離子水，無(wú)水乙醇，去離子水進(jìn)行超聲清洗。
(2)在硅基片雙面沉積絕緣層采用熱氧化的方法可以制備氧化硅薄膜，也可以在硅基片上用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝沉積氧化硅、氮化硅和碳化硅薄膜。
如圖2中a所示，生長(zhǎng)絕緣層，絕緣層為非金屬陶瓷膜層，絕電、絕熱，本實(shí)施例中采用氮化硅作為材料，在雙面拋光的硅機(jī)片上，用LPCVD在雙面生長(zhǎng)低應(yīng)力氮化硅，氮化硅厚度為2μm。
(3)通過(guò)刻蝕絕緣層薄膜形成硅基片背面的燃燒室腔體圖形如圖2中b所示，在硅基片背面涂正性光刻膠BP218，膠厚7μm，曝光80秒，顯影120秒；用RIE刻蝕機(jī)刻蝕氮化硅，刻蝕出腔體的背面窗口，刻蝕氣體為SF6氣體，流量60sccm，刻蝕時(shí)間20分鐘。
(4)通過(guò)刻蝕絕緣層薄膜形成硅基片正面的燃燒室腔體圖形如圖2中c所示，在硅基片正面涂正性光刻膠BP218，膠厚7μm，曝光80秒，顯影120秒；用RIE刻蝕機(jī)刻蝕氮化硅，刻蝕出腔體的正面窗口，刻蝕氣體為SF6氣體，流量60sccm，刻蝕時(shí)間20分鐘。
(5)在正面的絕緣層上制備金屬平板電容器、導(dǎo)線和接線座，金屬平板電容器選用熔點(diǎn)超過(guò)1000℃的貴金屬，如金、鉑、鎳等，用濺射或蒸鍍方法獲得，導(dǎo)線和接線座材料選擇導(dǎo)電性好的金屬。上述實(shí)施例中所述金屬平板電容器材料選用金薄膜，連接導(dǎo)線對(duì)外接線座部分也采用金薄膜。本實(shí)例中金屬平板電容器材料選用金薄膜，連接導(dǎo)線對(duì)外接線座部分也采用金薄膜，在蒸發(fā)沉積金薄膜之前，可先蒸發(fā)一層金屬鉻薄膜作為緩沖層。
如圖2中d所示，在硅基片正面涂反轉(zhuǎn)光刻膠AZ5214，膠厚2μm；正面對(duì)準(zhǔn)曝光，前曝時(shí)間6秒，再將熱板在120℃下烘2分鐘，泛曝20秒，然后在背面腔體對(duì)應(yīng)的梁上，硅基片的正面，沉積熔點(diǎn)超過(guò)1000℃的貴金屬金，厚度約為100nm，電子束蒸發(fā)金屬鉻和金，用丙酮超聲，乙醇超聲，水超聲剝離、清洗，形成正面金屬平板電容器、導(dǎo)線和接線座圖形。
(6)刻蝕多余的硅以形成腔體如圖2中e所示，用30％KOH溶液，刻蝕硅基片的背面形成的燃燒室腔體，根據(jù)刻蝕速率(約1μm/分鐘)通過(guò)控制濕法刻蝕時(shí)間使硅基片上形成兩個(gè)端面對(duì)齊的懸臂梁結(jié)構(gòu)，兩個(gè)懸臂梁端面之間有一定的距離。
在刻蝕過(guò)程中根據(jù)刻蝕速率通過(guò)控制刻蝕時(shí)間控制刻蝕硅的深度從而形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。
刻蝕硅采用濕法刻蝕和干法刻蝕均可。
(7)在氰化鉀100～110克/升，金25克/升的電鍍液中電鍍金。
由于蒸發(fā)或?yàn)R射獲得的金屬薄膜厚度較小，為了使平板電容的極間端平面有一定的厚度，需要在電鍍液中進(jìn)行電鍍。電鍍溫度50℃±2℃，電流密度6～10mA/cm2；電鍍時(shí)間根據(jù)8分鐘約5μm厚，13分鐘約8μm厚的速率來(lái)掌握。
結(jié)合圖3說(shuō)明。通常，微燃燒室8是由多層硅結(jié)構(gòu)經(jīng)鍵合構(gòu)成的，微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器7設(shè)計(jì)在微燃燒室的下腔體6，是在其中的一層硅基片上制備的，微燃燒室8的截面形狀采用正方形或圓形。所以該硅基片上腔體的形狀和尺寸與微燃燒室的形狀和尺寸設(shè)計(jì)相適應(yīng)。硅微梁結(jié)構(gòu)，起到支撐作用；硅梁結(jié)構(gòu)是在刻蝕硅基片的過(guò)程中形成的，因此在制備時(shí)，可根據(jù)微燃燒室的尺寸和形狀要求制備相應(yīng)的微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器，然后與微燃燒室的其他部分采用微封裝工藝連接在一起即可。
微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器具有很多優(yōu)點(diǎn)采用微電子工藝制備簡(jiǎn)單；形狀和尺寸控制精確，端面整齊，極間距離均勻；點(diǎn)火迅速，控制方便在外界提供較小的功率情況下，產(chǎn)生足夠的點(diǎn)火能量達(dá)到點(diǎn)火的目的，非常適用于微內(nèi)燃機(jī)及微小空間點(diǎn)火和燃燒特性試驗(yàn)裝置等研究領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器，包括雙面沉積有絕緣層的硅基片(1)，其特征在于，所述的硅基片(1)背面和正面設(shè)有與微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置燃燒室的腔體相對(duì)應(yīng)的圖形，硅基片(1)的背面設(shè)有與微燃燒室的腔體相對(duì)應(yīng)的空心腔體(3)，使硅基片(1)形成兩個(gè)端面對(duì)齊的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在硅基片(1)正面，與懸臂梁結(jié)構(gòu)即空心腔體(3)的中心對(duì)應(yīng)處設(shè)有兩端分別通過(guò)導(dǎo)線(2)和接線座(5)連接的金屬平板電容器(4)。
2.權(quán)利要求1所述的一種微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器的制備方法，其特征在于按照以下步驟制備(1)根據(jù)微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置的燃燒室的大小對(duì)硅基片進(jìn)行正確劃片，將劃片后的硅基片按順序用去離子水，無(wú)水乙醇，去離子水進(jìn)行超聲清洗；(2)然后在硅基片雙面沉積絕緣層；(3)再在硅基片背面和正面分別涂光刻膠、光刻，刻蝕出窗口；(4)然后在硅基片正面涂光刻膠，光刻，沉積金屬，剝離，形成金屬平板電容器、導(dǎo)線和接線座圖形；(5)再刻蝕硅基片背面的窗口，通過(guò)控制刻蝕時(shí)間形成硅的斷梁結(jié)構(gòu)和腔體。(6)最后將硅基片在電鍍液中進(jìn)行電鍍即可。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的絕緣層為非金屬陶瓷膜層。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的非金屬陶瓷膜層為氮化硅層。
5.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的沉積金屬為熔點(diǎn)超過(guò)1000℃的貴金屬。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的熔點(diǎn)超過(guò)1000℃的貴金屬為金。
7.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的刻蝕硅基片的方法為濕法刻蝕。
8.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的刻蝕硅基片的方法為干法刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型內(nèi)燃機(jī)內(nèi)置平板電容點(diǎn)火器及其制備方法。首先，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在硅基體上沉積一層氮化硅薄膜作為絕緣層；接著采用微電子工藝在硅基上刻蝕出微燃燒室腔體的一部分，在刻蝕過(guò)程中從硅片的背面制作出兩個(gè)端面對(duì)齊的懸臂梁作為支撐；然后采用蒸鍍工藝，在懸臂梁上沉積上一層金薄膜作為金屬平板電容器、導(dǎo)線和接線座；再在電鍍液中進(jìn)行電鍍和去離子水清洗；最后采用微封裝工藝與微燃燒室的其它部分封裝在一起。
文檔編號(hào)H01T13/00GK101017961SQ20071001737
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者蔣莊德, 任泰安, 張長(zhǎng)富 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)