一種可重複使用的原子氧探頭及探測系統的製作方法

2023-09-17 06:11:10

專利名稱：一種可重複使用的原子氧探頭及探測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可重複使用的原子氧探頭，屬於氣體探測領域。
背景技術：
在開展低地球軌道原子氧環境地面模擬方法開展研究工作時，需要 對地面原子氧模擬設備產生的原子氧的束流強度和通量進行測量，同時 也需要在衛星上搭載儀器設備對低地球軌道環境中的原子氧束流強度和 通量進行實時探測。
現在通常做法是採用薄膜與原子氧發生反應，導致質量減少或電阻 率增大、原子氧與金屬發生反應，釋放熱量和原子氧與導電金屬膜反應， 導致膜層質量增加等方法來推算出原子氧的束流強度和通量。
常見的幾種探測方法主要有聚醯亞胺薄膜質損法，納米銀膜測電導 率變化法和碳膜質損法等。這些方法具有一個共同的缺點不可以重複 使用，完成一次探測就必須對探頭材料進行更換。

發明內容
本發明的目的是提供一種可以重複使用的原子氧探頭及探測系統， 解決了常規方法不能重複探測的缺點。
本發明方法中的探頭材料為氧化鋅薄膜，薄膜的載體為藍寶石單晶
片，大小為10X10mm;在氧化鋅薄膜表面鍍制金屬電極，電極尺寸為2 X 10mm，電極間距為6mm。
探頭薄膜及電極製備方法如下-
採用脈衝雷射沉積方法在藍寶石單晶片上鍍制出具有高度C軸擇優 取向的氧化鋅薄膜。其具體製備過程如下將藍寶石單晶片用丙酮、酒 精、去離子水依次超聲清洗後，裝在試樣架上送入脈衝雷射薄膜沉積系 統的真空室。待真空室的真空度達到3Xl(^Pa時，開啟加熱器，對單晶 片進行加熱至60(^C;打開KrF雷射器，使雷射入射到氧化鋅耙，產生的 氧化鋅等離子體沉積在藍寶石單晶片上，形成C軸擇優取向的氧化鋅薄膜，薄膜膜厚約為200nm。
金屬電極同樣採用脈衝雷射沉積方法室溫下鍍制後在真空室中 6000C下退火10分鐘，其膜厚約為100nm。
採用本探頭的測試平臺由半導體加熱及溫控單元、探頭和電信號獲 取單元三部分組成。半導體加熱及溫控單元由半導體加熱器、熱偶、溫 度顯示單元和可調節直流電壓源組成；電信號獲取單元由直流穩壓電源 和電流表和電阻組成。
將製備於藍寶石基底上，鍍制有金屬電極的氧化鋅半導體薄膜作為 探頭，其上，通過導線與直流電源和電流表相連接；探頭安裝於半導體 加熱器上，側面裝有熱電偶，用來測量和控制探頭溫度。原子氧作用於 探頭後，通過測量氧化鋅薄膜電阻變化可以得出原子氧束流通量變化， 從而達到探測的目的。通過加熱器加熱，可以使半導體薄膜表面吸附的 原子氧脫附，使其電阻值恢復到初始值，從而達到重複使用的目的。本 發明對原子氧具有良好的響應特性，通過加熱，探頭具有穩定的重複使 用特性，可用於地面原子氧探測和低地球衛星軌道環境中的原子氧探測。
本發明方法採用的測試系統的連接關係為
探頭及溫度控制單元處於地面原子氧模擬試驗系統的真空室中，電 信號獲取單元處於真空室外部。
由氧化鋅薄膜2和加熱器4構成的探頭放置於原子氧模擬實驗裝置 真空室9中；探頭薄膜2上鍍制金屬電極1，通過導線10與直流穩壓電 源6和電流表7連接；採用熱電偶3對探頭溫度進行測量，加熱器4通 過調節與其連接的直流電源8的電壓控制加熱溫度。
本發明的工作原理為.-
將探頭放置於原子氧模擬實驗設備真空室中，通過加熱器對氧化鋅 薄膜行加熱，使其吸附的氣體脫附；待薄膜的電阻值穩定後將溫度降至 40QC，探測過程中維持該溫度；打開原子氧，當原子氧作用於氧化鋅薄 膜表面後，導致氧化鋅薄膜載流子濃度降低，使薄膜電阻變大，通過電 流變化值計算出薄膜電導率的變化，進一步可計算出作用於氧化鋅薄膜 的原子氧束流強度和通量；關閉原子氧，通過加熱器再次對氧化鋅薄膜 加熱，使其恢復至初時狀態，從而達到重複測量的目的。本發明的優點為採用氧化鋅半導體薄膜作為探頭材料，實現了同 一探頭可對原子氧束流強度和通量進行重複測量，具有測量精度高，成 本低和方法簡單等優點。


圖l一本發明測試系統工作示意圖； 圖中(a)測試系統示意圖、(b)測試過程示意圖； l一金屬電極、2—氧化鋅薄膜、3—熱電偶、4一加熱器、5—溫度顯示、 6—直流穩壓電源、7—電流表、8—可調節直流電源、9一真空室、10— 導線。
具體實施例方式
下面結合附圖及實例對本發明作進一步詳細說明。 實施例
本發明由金屬電極1、氧化鋅薄膜2、熱電偶3、加熱器4、溫度顯 示5、直流穩壓電源6、電流表7、可調節直流電源8、真空室9、導線 IO組成。
通過加熱器4對探頭薄膜2進行加熱至100DC，保持十分鐘，使其表 面吸附氣體充分脫附；待薄膜電流穩定後溫度降至40QC，打開原子氧， 原子氧與氧化鋅薄膜作用後，薄膜電流發生變化，直至電流達到穩定值 後關閉原子氧，通過計算薄膜電導率的變化可計算出作用於薄膜表面的 原子氧束流強度及通量，此過程為一個測試循環。再次加熱器升溫至 100QC，使其薄膜電阻值恢復至初始值，重複上述步驟，進行下一輪測試。
本實例中採用1.52 X 1015 atom/cm2. s的束流強度(採用Kapton薄膜 質量損失法標定)，共進行了兩輪測試。兩輪測試中，第一次測試前氧化 鋅薄膜的電阻初始值為4.587kQ，第一輪測試結束後經加熱其電阻值恢 復至4.586 kQ，經原子氧作用25分鐘後，兩輪測試中薄膜最終電阻值 均穩定在5.51kQ。說明本探頭具有良好的重複特性。由下面公式-formula see original document page 6
、T // 其中，
F:原子氧束流強度(cm—Y1)
a:被電離數目和半導體探測器表面粒子總數的比率； Y:原子氧在氧化鋅表面的散射係數，常數；
表面電子遷移率(cmW1); b:氧化鋅薄膜的寬度； 1:電極間的距離；
氧化鋅薄膜厚度； gS:氧化鋅薄膜電導率
計算出兩次測試的原子氧的束流強度分別為1.49X1015 atom/cm2.s 和1.51X1015 atom/cm2.s，相應的束流通量分別為2.235 X 1019 atom/cm2 和2.265 X 1019 atom/cm2。
利用本發明原理設計的探頭具有測試簡單，測試周期短，可以對原 子氧進行重複測試等優點。通過實驗表明，最大可測量的原子氧通量可 達10 X 1020 Atom/cm2 。
權利要求
1. 一種可重複使用的原子氧探頭及探測系統，由半導體加熱及溫控單元、探頭和電信號獲取單元三部分組成；半導體加熱及溫控單元由半導體加熱器(4)、熱偶、溫度顯示單元和可調節直流電壓源組成；探頭由鍍制於藍寶石基底上的氧化鋅半導體薄膜、金屬電極組成；電信號獲取單元由直流穩壓電源、電流表和電阻組成，其特徵在於由氧化鋅薄膜(2)和加熱器(4)構成的探頭放置於原子氧模擬實驗裝置真空室(9)中；探頭薄膜(2)上鍍制金屬電極(1)，通過導線(10)與直流穩壓電源(6)和電流表(7)連接；採用熱電偶(3)對探頭溫度進行測量，加熱器(4)通過調節與其連接的直流電源(8)的電壓控制加熱溫度。在工作溫度下，通過測量薄膜電流變化信號得出薄膜的電阻率變化，計算出作用在薄膜表面的原子氧束流強度和通量。
2. 根據權利要求1所述的探頭，其特徵在於探頭用氧化鋅半導體薄 膜材料採用脈衝雷射沉積方法製備；金屬電極採用脈衝雷射沉積方法制 備。
3. 根據權利要求1所述的一種可重複使用的原子氧探測用探頭，其 特徵在於探頭及溫度控制單元處於地面原子氧模擬試驗系統的真空室 中，電信號獲取單元處於真空室外部；通過加熱器加熱，可以使半導體 薄膜表面吸附的原子氧脫附，使其電阻值恢復到初始值，從而達到重複 使用的目的。
全文摘要
本發明公開了一種可重複使用的原子氧探頭及探測系統，屬於氣體探測領域。本發明採用製備於藍寶石基底上的氧化鋅半導體薄膜作為探頭，其上鍍制有金屬電極，通過導線與直流電源和電流表相連接；探頭安裝於半導體加熱器上，側面裝有熱電偶，用來測量和控制探頭溫度。原子氧作用於探頭後，通過測量氧化鋅薄膜電阻變化可以得出原子氧束流通量變化，從而達到探測的目的。通過加熱器加熱，可以使半導體薄膜表面吸附的原子氧脫附，使其電阻值恢復到初始值，從而達到重複使用的目的。本發明對原子氧具有良好的響應特性，通過加熱，探頭具有穩定的重複使用特性，可用於地面原子氧探測和低地球衛星軌道環境中的原子氧探測。
文檔編號G01N27/30GK101470090SQ20071030460
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者馮展祖, 李中華, 楊生勝, 王雲飛, 王敬宜, 鄭闊海, 陳學康 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所