原子氧环境对石英晶体微量天平性能影响的分析

《原子氧环境对石英晶体微量天平性能影响的分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航天器环境工程第27卷第6期690SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING2010年l2月原子氧环境对石英晶体微量天平性能影响的分析院小雪，臧卫国，易忠，刘向鹏(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：随着高可靠、长寿命航天器的发展，对在轨污染检测的要求也越来越高。石英晶体微量天平是分子污染检测的重要工具，为了分析了解原子氧对石英晶体微量天平的影响，文章用理论分析和试验的方法对石英晶片在1×1020atom／cmz注量的原子氧辐照条件下的性能变化进行了研究。试验证明，石英晶体微量天平在总注量10

2、20atom／cm2量级的原子氧辐照后，其振荡频率和等效阻容感发生了一定变化，但仍具备污染传感能力和频率输出能力，其功能不受影响．关键词：石英晶片；原子氧；频率中图分类号：V416．5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)06-0690-03DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．06．0040概述原子氧环境【l】是指低地球轨道(通常认为200---700km高度)上以原子态氧存在的残余气体环境。在这个轨道高度上，原子氧在残余大气中占主要成分。大气成分、密度、温度随太阳活动周期、地磁

3、场变化、高度、当地时间、季节变化而变化121。原予氧具有高化学活性，其氧化作用远大于分子氧。另外，5．3eV的碰撞动能，其作用相当于4．8×104K的高温。这种罕见的高温氧化、高速碰撞对材料剥蚀作用的结果预料是非常严重的。石英晶体微量天平【3】是在航天器研制过程中对分子污染进行检测和量化的主要设备，也是进行有效污染控制的重要环节。随着高可靠、长寿命航天器的发展，随着在轨污染检测项目的进行，对石英晶体微量天平的可靠性提出了越来越高的要求。石英晶片作为石英晶体微量天平的重要部分，其性能决定了石英晶体微量天平的性能。本文通过理论分析

4、及原子氧对石英晶片的影响试验来评估原子氧辐照对石英晶体微量天平性能影响。1试验准备1．1石英晶片的结构及参数石英晶片靠两个弹簧固定在安装电路板上，其晶片电极也依靠弹簧引入到安装电路板上，安装电路板上将电极端引入到焊接端口，外形如图l所示。图1石英晶片及底座外形图Fig．1Thequartzwaferandholder安装电路板有两个安装孔用于将晶片组件固定在法兰上。晶片底座如图2所示。支架采用陶瓷材料。萋宝暑0C／／AIY／／／／,／／／／AIV／／／／嚣j一4掣1．西2∞．图2晶片底座Fig．2Theholderofthew

5、afer晶片的基本参数要求是：采用AT切割，切角收稿日期：2009．11．20；修回日期：2010-08．15基金项目：航天科技基金资助项目作者简介：院小雪(1980一)，女，硕士学位，主要从事航天器污染检测与控制研究。E-mail：yuanxiaoxue@yahoo．ca。第6期院小雪等：原子氧环境对石英晶体微量天平性能影响的分析35。18”；直径为lo％05IIlTI，误差范围为0～．O．05mill；工作在基频方式，振荡频率为10MHz；晶片的电极为金质电极，电极直径5mm，金膜与石英片之间镀铬。1．2试验设备及试验条件

6、试验在AOBISEE原子氧设备中进行。试验根据效应等效的原理，利用微波ECR离子源与中性化板组成来模拟原子氧束流环境，束流密度采用KaptonH膜质量损失法标定，由束流密度和试验束流总注量计算试验暴露时间。根据某型号卫星的运行轨道高度，提出试验要求如下：1)原子氧总注量大于lx1020atorn／cm2；2)通量密度为1015atorn／(cm2．s。1)量级；3)真空度为10之Pa量级。试验前将59#和62#晶片安装在原子氧试验靶台上。2原子氧对晶片的影响分析2．1原子氧主要特性原子氧对材料的剥蚀相当严重，这是因为：一方面原

7、子氧具有很强的氧化性，可与材料直接发生化学反应；另一方面由于航天器以8km／s的速度飞行时，其表面原子氧束流密度可达1012～10Matom／(cm2．sd)。在撞击速度下，原子氧的平均撞击能为4"5eV，这一能量足以使许多材料的化学键断裂并发生氧化。在有机材料的情况下，氧化产物通常为挥发性物质，所以原子氧环境效应会使材料的质量损失，同时使表面光学性质改变，使材料的热学性能和力学能发生退化，从而影响航天器的使用寿命。2．2原子氧对晶片基底材料的影响石英晶片的基底是石英材料【4l(主要成分是二氧化硅)，对原子氧侵蚀有很强的阻止能

8、力。2．3原子氧对晶片电极的影响晶片电极的材料主要是金，原子氧对其影响不大。2．4原子氧对晶片连接弹簧的影响晶片连接弹簧的材料主要足铜，同时在晶片连接弹簧处用银膏粘结剂。原子氧可对晶片连接弹簧氧化生成氧化铜和氧化亚铜，并使得银膏粘结剂生成黑色的氧化银[5】。3试验结果及分析3