石英晶體微量天平性能測試系統的製作方法
2023-04-24 00:14:31 4
專利名稱：石英晶體微量天平性能測試系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於分子汙染檢測測試技術領域，具體來說，涉及一種石英晶體微量天平性能測試系統。
背景技術：
石英晶體微量天平(Quartz Crystal Microbalances，QCM)，又稱真空超微天平， 是分子汙染監測的主要儀器之一。汙染分子沉積在諧振石英晶片的表面上，導致其諧振頻率發生變化，石英晶體微量天平利用石英晶體表面沉積質量變化而導致的振蕩頻率變化探測汙染物沉積質量。因此，對於分子汙染檢測試驗來說，其關鍵在於獲得準確穩定的QCM輸出頻率。ASTM 專門於 2004 年發布了《Standard Practice for QCM measurement of spacecraft molecular contamination in space)),QCM^ifeif^illJ 試、安裝及使用方法。其中規定，QCM在使用前必須經過性能測試試驗，包括晶片頻溫曲線測試及匹配、差頻溫度曲線測試、重複性測試、頻率長期漂移測試等多項考核內容。達到這些測試所規定指標的天平才能用於試驗，保證數據的有效性。目前仍沒有能夠滿足上述條件的測試系統。
發明內容
本發明的目的在於提供一種石英晶體微量天平性能測試系統，該系統滿足了石英晶體微量天平性能測試方面的需要。本發明的石英晶體微量天平性能測試系統，包括真空抽氣系統、復壓系統、測量控制系統和真空室，其中，真空室內設置有冷屏，冷屏的底部與晶片試驗裝置和QCM探頭試驗裝置相配合，冷屏和真空室外與其管路連接的液氮儲罐構成低溫系統，建立試驗所需低溫環境，同時提供晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置的機械安裝接口，以支撐晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置，並負責提供兩個裝置到冷屏的熱傳導；真空室與真空抽氣系統、復壓系統真空連接，真空抽氣系統為真空室建立試驗所需的真空環境；試驗裝置電連接有測量控制系統以進行溫度和頻率的測量。其中，真空抽氣系統包括主要由分子泵構成的高真空抽氣系統，主要由機械泵構成的預抽真空系統，真空規和真空計構成的真空測量系統。其中，測量控制系統由溫度測量控制系統和頻率測量系統組成。溫度控制系統應為數字式，控溫範圍-190 100°C。頻率測量系統測量範圍應> 20MHz。其中，冷屏為不鏽鋼的圓筒夾心式結構。進一步地，冷屏外壁均勻纏繞加熱帶以將試驗結束後冷屏吸附的水除去。本測試系統解決了石英晶體微量天平性能測試方面的需要。首先，它提供了一個清潔無油的真空環境，保證QCM不會發生由於汙染而導致的頻率改變。其次，它能夠進行 QCM及其關鍵部件-晶片的多項性能測試，包括溫頻曲線、頻率重複性、頻率穩定性等；第三，它能夠對已經應用的天平進行高溫老練，提高可靠性；第四，已經應用較長時間的天平， 其表面沉積有大量的汙染物，導致其測量範圍變小，性能降低，通過該設備進行烘烤，可擴大天平測試範圍，提高性能。
圖1為本發明的石英晶體微量天平性能測試系統的結構示意圖。圖2為QCM探頭的溫頻曲線。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的石英晶體微量天平性能測試系統進行詳細說明。本發明的石英晶體微量天平性能測試系統，包括真空抽氣系統、復壓系統、測量控制系統和真空室，其中，真空室內設置有冷屏，冷屏的底部與晶片試驗裝置和QCM探頭試驗裝置相配合，冷屏和真空室外與其管路連接的液氮儲罐構成低溫系統，建立試驗所需低溫環境，同時提供晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置的機械安裝接口，以支撐晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置，並負責提供兩個裝置到冷屏的熱傳導；真空室與真空抽氣系統、復壓系統真空連接，真空抽氣系統為真空室建立試驗所需的真空環境；試驗裝置電連接有測量控制系統以進行溫度和頻率的測量。由於復壓系統、低溫系統、溫度及頻率測量控制系統具有通用性，因此不再贅述。此處僅對真空抽氣系統、低溫系統中的冷屏設計、QCM探頭試驗裝置、晶片試驗裝置的設計進行介紹。具體來說，本發明中的冷屏應採用圓筒夾心式結構，材料應為不鏽鋼。冷屏的底部應與晶片試驗裝置和QCM探頭試驗裝置配合。冷屏應採用下進上出的形式，以增加製冷效率，並且可以使氮氣更好的排出。為在試驗結束後把冷屏吸附的水加熱烘走，冷屏應具有加熱功能，可採用在冷屏外壁均勻纏繞加熱帶的方式實現。本發明中的真空抽氣系統是該石英晶體微量天平性能測試系統的核心系統之一。 真空抽氣系統應為潔淨無油抽氣系統。可採用分子泵作為主泵，機械泵作為前級泵的抽氣方式。本發明中的QCM探頭試驗裝置提供了 QCM探頭安裝板和低溫散熱平臺，並提供相關的測量線纜連接埠。QCM探頭安裝板應設計至少3個探頭安裝孔。天平探頭通過螺釘固定於探頭安裝孔上。測量線纜連接埠位置應合理設計以方便操作。本發明中的晶片測試裝置是公知的結構，其由晶片安裝板、溫控裝置、鉬電阻、電路組件組成。晶片溫控裝置包括溫控法蘭、加熱片和溫控蓋板，晶片安裝板整體呈倒置的η 形，溫控法蘭是一個突臺法蘭，扣在晶片安裝板上，形成一個放置被測晶片的空間，溫控法蘭的上部設置有圓形的加熱片，加熱片的上部設置有圓形的溫控蓋板，加熱片和溫控蓋板的直徑與突臺的內徑相同，突臺外的圓形底板上均布有數個與冷屏的安裝孔。晶片試驗裝置採用冷屏降溫、加熱片升溫的方式構成的，S卩，溫控法蘭上表面的外圈與冷屏熱接觸，構成散熱通道，在溫控法蘭上表面的中心安裝加熱片，提供熱源。本發明的石英晶體微量天平性能測試系統的典型測量結果如圖2所示。儘管上文對本發明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是， 我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作
4用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.石英晶體微量天平性能測試系統，包括真空抽氣系統、復壓系統、測量控制系統和真空室，其中，真空室內設置有冷屏，冷屏的底部與晶片試驗裝置和QCM探頭試驗裝置相配合，冷屏和真空室外的與冷屏管路連接的液氮儲罐構成低溫系統，建立試驗所需低溫環境， 同時提供晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置的機械安裝接口，以支撐晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置，並負責提供兩個裝置到冷屏的熱傳導；真空室與真空抽氣系統、復壓系統真空連接，真空抽氣系統為真空室建立試驗所需的真空環境；試驗裝置電連接有測量控制系統以進行溫度和頻率的測量。
2.如權利要求1所述的測試系統，其中，真空抽氣系統包括主要由分子泵構成的高真空抽氣系統，主要由機械泵構成的預抽真空系統，真空規和真空計構成的真空測量系統。
3.如權利要求1所述的測試系統，其中，測量控制系統由溫度測量控制系統和頻率測量系統組成。
4.如權利要求3所述的測試系統，其中，溫度控制系統應為數字式，控溫範圍-190 100°C。
5.如權利要求3所述的測試系統，其中，頻率測量系統測量範圍應>20MHz。
6.如權利要求1所述的測試系統，其中，冷屏為不鏽鋼的圓筒夾心式結構。
7.如權利要求1所述的測試系統，其中，冷屏外壁均勻纏繞加熱帶以將試驗結束後冷屏吸附的水除去。
全文摘要
本發明公開了一種石英晶體微量天平性能測試系統，包括真空抽氣系統、復壓系統、測量控制系統和真空室，其中，真空室內設置有冷屏，冷屏的底部與晶片試驗裝置和QCM探頭試驗裝置相配合，以支撐晶片試驗裝置和天平探頭試驗裝置，並負責提供兩個裝置到冷屏的熱傳導；真空室與真空抽氣系統、復壓系統真空連接，真空抽氣系統為真空室建立試驗所需的真空環境；試驗裝置電連接有測量控制系統以進行溫度和頻率的測量。本測試系統提供了一個清潔無油的真空環境，保證QCM不會發生由於汙染而導致的頻率改變；能夠進行QCM及其關鍵部件-晶片的多項性能測試，並能夠對已經應用的天平進行高溫老練，提高可靠性。
文檔編號G01G23/01GK102455211SQ20101051268
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者於錢, 易忠, 楊東升, 焦子龍, 臧衛國, 院小雪 申請人:北京衛星環境工程研究所