有孔曲面电极及其加工方法技术

本发明专利技术用一种新的加工方法来提高曲面电极上的孔眼位置精度。在该方法中，形成曲面电极的变形步骤在形成光致抗蚀剂图模的处理步骤之前，因此不存在变形处理步骤在空间位置上改变光致抗蚀剂图模的问题。对于使用本方法加工的曲面电极的离子推进器，所述位置精度的提高可以改善其性能，延长其使用寿命。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及航天器推进系统，尤其涉及离子推进器。自载推进系统可为航天器的许多机动动作提供便利。在卫星上，例如，所述机动动作包括轨道提升(例如，从近地轨道提升到同步轨道)、泊位维持(例如，矫正轨道交角、漂移和偏心率)和姿态控制(例如，修正卫星在其横滚、纵摇角和侧滑轴方面的姿态误差)。推进系统的推进器施加于航天器的推力用式(1)F=m·ve=w·gve=w·Isp----(1)]]>表示为推进器的质量比流量和喷出速率的积。式(1)还表明，质量比流量可以代之以重量比流量与重力加速度之比，而喷出速率与重力加速度之比可以用比冲量Isp来表示，后者正是推进器的性能系数。因此式(1)可以改写为式(2)Isp=Fw·----(2)]]>该式表明，比冲量是推力与重量比流量之比。航天器要获得一个速度增量ΔV，其推进器储备的燃料就需减少一定质量。这样，在航天器的初质量Mi(在机动动作之前)及其终质量Mf(机动动作之后)之间就有一个差值。该质量差是推进器比冲量Isp的函数，该函数表示为下述“火箭公式”Mf=Mie-(ΔVgIsp)----(3)]]>其中，ΔV的单位为米/秒，Isp的单位为秒，重力加速度g的单位为米/秒2。式(3)表明，燃料消耗的效果，是使得航天器的终质量Mf随着ΔV的增加而呈指数率减少，而这种减少可以通过增大比冲量Isp而呈指数率地予以补偿。因此，比冲量是推进器的燃料效率的一个很重要的衡量尺度。一般的比冲量值，对于一元燃料(例如肼)推进器为230秒，对于固体燃料推进器为290秒，对于二元燃料(例如液氢和液氧)推进器为445秒，对于电弧喷射推进器则为500秒。与此形成鲜明对照的是，已开发出的离子推进器的比冲量超过2500秒。离子推进器的高比冲量可有利于减少卫星的初始质量，增加有效载荷，并延长在轨使用期限。初始质量的减少将降低航天器的初始发射成本，而有效载荷的增加和使用寿命的延长则可以增加航天器带来的收益。离子推进器的关键部件是其离子光学系统，该系统由多个密排的电极组成，用来从一个等离子体源引出离子束。在典型的三电极系统中，所述电极分别称为屏栅极、加速栅极和减速栅极。所述每一个栅极都具有若干孔眼，三个栅极共同形成一个孔眼组阵列，其中每一个孔眼组由三个栅极各出一个孔眼构成。加在所述栅极上的电压使得每一个孔眼组从所述等离子体源引出离子，并将后者喷射出去形成细离子束。所有的细离子束共同汇合成一个离子束，该离子束被加速，最后从所述离子光学系统喷出。所述离子束的动量对离子推进器，从而对推进器所配属的装置(例如航天器)产生一个反作用力。为了加强离子束的推力，延长推进器的使用期限，每一孔眼组必须精确准直并予以维持。某一离子推进器的性能是其离子流喷射情况的函数，而离子流喷射情况又是细离子束中心对准精度，从而是孔眼组准直精度的函数。如果孔眼组未对准而导致细离子束与某电极交会，从该电极上溅蚀掉电极材料而造成电极损耗，推进器的使用期限就会缩短。如果被溅蚀掉的材料淀积到敏感表面(例如太阳能电池上)的话，就会进一步缩短航天器的使用期限。针对温度变化的准直维持能力一般通过下述方式得以增强，即，使各电极成为球面形，以减弱温度导致的栅极间的相对移动。例如，直径为典型的13厘米的离子推进器中的各电极分别由厚度在0.25-0.50毫米范围内、曲率半径约为50厘米的钼片构成。这种典型推进器的电极共形成3145个孔眼组。孔眼组准直精度是各电极上的孔眼的位置精度的函数。在示于附图说明图1A到图1F的通常的电极加工方法中已经发现，所述位置精度局限于约125微米。这种方法以一种圆形的钼片20为材料。由于该钼片非常薄，图1A到图1E各图将钼片在椭圆22内的部分放大，并紧挨着示于钼片20的上方，用以阐释所述方法的细节。在图1A中，先将钼片20涂覆一层负性光致抗蚀剂24，形成敷料电极26。在图1B中，在所述光致抗蚀剂24上覆盖一个蔽光罩28(例如一个曝光模板)，形成电极组合件30。所述蔽光罩如此设计，使其盖住孔眼部分32，而不盖住钼片20的网壁部分。下一步，用辐射线36均匀照射电极组合件30，使得光致抗蚀剂未被蔽光罩28盖住的部分38接受照射。然后，在负性光致抗蚀剂的情况下，未暴露的部分就可以被溶掉，形成图1C中的经处理过的钼片40，其中，光致抗蚀剂只有38部分留在钼片的网壁部分34上。然后，将经处理过的钼片40在图1C中的形状变形，形成示于图1D中的经处理过的球面电极44(图1C中的力箭头例示了变形方法)。因此，图1D中椭圆22中的结构的放大图就显示出一定的曲率半径。在图1D中使用一种化学蚀刻剂46将孔眼部分32的钼片腐蚀掉，从而形成示于图1E的蚀刻球面电极50中的由网壁部分32隔开的孔眼48。最后一步，将光致抗蚀剂的38部分去除，形成图1F中的有孔曲面电极，该电极具有一个由网壁34隔开的孔眼48的阵列54。已经发现，图1C和图1D中的变形处理会拉伸钼片20，从而不可预见并不可控制地改变图1D中光致抗蚀剂的38部分的位置。因此，图1E中的孔眼48的位置精度受到限制，如前所述，仅限于约130微米，从而导致用图1A到图1F所示的传统方法加工的电极降低了离子光学系统的孔眼组准直精度。本专利技术的目的在于提高任何用离子光学系统形成和加速离子束的系统的性能和使用寿命。这样的系统包括离子推进器、离子束注入系统和中性离子束加速装置。所述提高性能和使用寿命的目的是通过提高多栅极离子光学系统的曲面电极中的孔眼位置精度而实现的。而所述的位置精度的改善则是通过一种加工方法实现的。该加工方法中，形成曲面电极的变形步骤在形成光致抗蚀剂图模的处理步骤之前，因此不存在变形处理步骤在空间位置上改变光致抗蚀剂图模的问题。曲面电极上的孔眼是用受到所述光致抗蚀剂图模的空间控制的蚀刻方法形成的。因为变形处理没有机会改变光致抗蚀剂图模，也就不会降低孔眼的位置精度。曲面电极上的光致抗蚀剂图模最好用激光束刻成。该方法的一种实施例是综合运用横截面为环面形的激光束和负性光致抗蚀剂，而另一种实施例则是综合运用圆形激光束和正性光致抗蚀剂。本专利技术的离子光学系统的孔眼组中，各孔眼在50微米的范围之内(例如，可近到约25微米)共轴设置。本专利技术的创新特征逐一列于所附的权利要求之中。在阅读下文的说明时，参照附图将有利于对本专利技术的最佳理解。图1A到图1F图示了加工离子推进器的有孔曲面电极的传统方法的各步骤；图2A到图2H图示了本专利技术的用来加工有孔曲面电极的方法的各步骤；图3是沿图2H中的3-3面的视图，图示了图2H中的有孔曲面电极的孔眼阵列的四分之一；图4是类似于图2D中的放大部分的一个视图，其中用正性光致抗蚀剂取代了负性光致抗蚀剂；图5是类似于图2E的一幅视图，其中，以圆形激光束取代了环面形激光束；图6是一个离子推进器的正视图，该推进器采用本专利技术的方法加工其有孔曲面电极，从而提高了其性能。图2A到图2G图示了本专利技术的用来加工有孔曲面电极的一种方法。该加工方法实现了提高孔眼位置精度的目的，因为该方法的变形步骤在形成精确定位的光致抗蚀剂图模的处理步骤之前，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加工有孔曲面电极的方法，包括下列步骤：制备一个金属曲面部件（６４）；用光致抗蚀剂（６６）覆盖所述曲面部件上的网壁部分（８０）；蚀刻所述曲面部件，在所述网壁部分之间形成孔眼（９４）；和去除所述光致抗蚀剂。

【技术特征摘要】
US 1997-4-11 833,7421.一种加工有孔曲面电极的方法，包括下列步骤制备一个金属曲面部件(64)；用光致抗蚀剂(66)覆盖所述曲面部件上的网壁部分(80)；蚀刻所述曲面部件，在所述网壁部分之间形成孔眼(94)；和去除所述光致抗蚀剂。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖步骤包括下列步骤用一种负性光致抗蚀剂覆盖所述曲面部件；照射所述光致抗蚀剂的所述网壁部分；和去除未被照射的光致抗蚀剂。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖步骤包括下列步骤用一种正性光致抗蚀剂覆盖所述曲面部件；照射所述光致抗蚀剂的位于所述网壁部分之间的孔眼部分；和去除被照射过的光致抗蚀剂。4.一种加工有孔曲面电极的方法，包括下列步骤用光致抗蚀剂(66)覆盖一金属平面部件(60)；使所述平面部件变形为曲面部件(70)；去除所述曲面部件上除网壁部分(80)之外的所有所述光致抗蚀剂；和蚀刻所述曲面部件，在所述网壁部分之间形成孔眼(94)。5.如权利要求4所述的方法，其中，所述曲面部件为球面形。6.如权利要求4所述的方法，其中，所述覆盖步骤包括用一种负性光致抗蚀剂覆盖所述平面部件的步骤，所述去除步骤包括下列步骤仅照射所述光致抗蚀剂的所述网壁部分；和去除未被照射的光致抗蚀剂。7.如权利要求4所述的方法，其中，所述覆盖步骤包括用一种正性光致...

【专利技术属性】
技术研发人员：约汉R比迪，
申请(专利权)人：休斯电子公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]