院小雪，臧衛(wèi)國，易 忠，劉向鵬

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 概述

原子氧環(huán)境[1]是指低地球軌道（通常認(rèn)為200～700 km高度）上以原子態(tài)氧存在的殘余氣體環(huán)境。在這個(gè)軌道高度上，原子氧在殘余大氣中占主要成分。大氣成分、密度、溫度隨太陽活動(dòng)周期、地磁場(chǎng)變化、高度、當(dāng)?shù)貢r(shí)間、季節(jié)變化而變化[2]。原子氧具有高化學(xué)活性，其氧化作用遠(yuǎn)大于分子氧。另外，5.3 eV的碰撞動(dòng)能，其作用相當(dāng)于4.8× 104K的高溫。這種罕見的高溫氧化、高速碰撞對(duì)材料剝蝕作用的結(jié)果預(yù)料是非常嚴(yán)重的。

石英晶體微量天平[3]是在航天器研制過程中對(duì)分子污染進(jìn)行檢測(cè)和量化的主要設(shè)備，也是進(jìn)行有效污染控制的重要環(huán)節(jié)。隨著高可靠、長壽命航天器的發(fā)展，隨著在軌污染檢測(cè)項(xiàng)目的進(jìn)行，對(duì)石英晶體微量天平的可靠性提出了越來越高的要求。石英晶片作為石英晶體微量天平的重要部分，其性能決定了石英晶體微量天平的性能。本文通過理論分析及原子氧對(duì)石英晶片的影響試驗(yàn)來評(píng)估原子氧輻照對(duì)石英晶體微量天平性能影響。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 石英晶片的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

石英晶片靠兩個(gè)彈簧固定在安裝電路板上，其晶片電極也依靠彈簧引入到安裝電路板上，安裝電路板上將電極端引入到焊接端口，外形如圖1所示。

圖1 石英晶片及底座外形圖Fig. 1 The quartz wafer and holder

安裝電路板有兩個(gè)安裝孔用于將晶片組件固定在法蘭上。晶片底座如圖2所示。支架采用陶瓷材料。

圖2 晶片底座Fig. 2 The holder of the wafer

晶片的基本參數(shù)要求是：采用 AT切割，切角35o18"；直徑為mm，誤差范圍為 0 -0.05 mm；工作在基頻方式，振蕩頻率為10 MHz；晶片的電極為金質(zhì)電極，電極直徑5 mm，金膜與石英片之間鍍鉻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在AOBISEE原子氧設(shè)備中進(jìn)行。試驗(yàn)根據(jù)效應(yīng)等效的原理，利用微波ECR離子源與中性化板組成來模擬原子氧束流環(huán)境，束流密度采用Kapton H膜質(zhì)量損失法標(biāo)定，由束流密度和試驗(yàn)束流總注量計(jì)算試驗(yàn)暴露時(shí)間。

根據(jù)某型號(hào)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道高度，提出試驗(yàn)要求如下：

1）原子氧總注量大于1×1020atom/cm2；

2）通量密度為1015atom/(cm2·s-1)量級(jí)；

3）真空度為10-2Pa量級(jí)。

試驗(yàn)前將59#和62#晶片安裝在原子氧試驗(yàn)靶臺(tái)上。

2 原子氧對(duì)晶片的影響分析

2.1 原子氧主要特性

原子氧對(duì)材料的剝蝕相當(dāng)嚴(yán)重，這是因?yàn)椋阂环矫嬖友蹙哂泻軓?qiáng)的氧化性，可與材料直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；另一方面由于航天器以8 km/s的速度飛行時(shí)，其表面原子氧束流密度可達(dá) 10121016atom/(cm2·s-1）。在撞擊速度下，原子氧的平均撞擊能為4～5 eV，這一能量足以使許多材料的化學(xué)鍵斷裂并發(fā)生氧化。在有機(jī)材料的情況下，氧化產(chǎn)物通常為揮發(fā)性物質(zhì)，所以原子氧環(huán)境效應(yīng)會(huì)使材料的質(zhì)量損失，同時(shí)使表面光學(xué)性質(zhì)改變，使材料的熱學(xué)性能和力學(xué)能發(fā)生退化，從而影響航天器的使用壽命。

2.2 原子氧對(duì)晶片基底材料的影響

石英晶片的基底是石英材料[4]（主要成分是二氧化硅），對(duì)原子氧侵蝕有很強(qiáng)的阻止能力。

2.3 原子氧對(duì)晶片電極的影響

晶片電極的材料主要是金，原子氧對(duì)其影響不大。

2.4 原子氧對(duì)晶片連接彈簧的影響

晶片連接彈簧的材料主要是銅，同時(shí)在晶片連接彈簧處用銀膏粘結(jié)劑。原子氧可對(duì)晶片連接彈簧氧化生成氧化銅和氧化亞銅，并使得銀膏粘結(jié)劑生成黑色的氧化銀[5]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 目視結(jié)果

目視觀察晶片，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的59#和62#晶片連接彈簧有黑色物質(zhì)。

3.1.2 性能測(cè)試結(jié)果

石英晶片的其他參數(shù)經(jīng)過測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

原子氧試驗(yàn)晶片為59#，62#，參考晶片為45#。

表1 石英晶片參數(shù)試驗(yàn)前后對(duì)照表Table 1 Quartz wafer parameters before and after the test

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 頻率變化

沒有經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的 45#晶片頻率變化為-66 Hz，經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的 59#和 62#晶片頻率變化分別為7 112 Hz和-419 Hz。

晶片頻率增加表示表面質(zhì)量減少，晶片頻率減少表示表面質(zhì)量增加。質(zhì)量變化與頻率變化的關(guān)系為m=δ·(ff-fi)，式中：m為污染物的質(zhì)量，mg/m2；δ為因子，1.1×10-9mg/(m2·Hz)；ff為石英晶體微量天平最終頻率，Hz；fi為石英晶體微量天平初始頻率，Hz。

沒有經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的 45#晶片頻率減小，其質(zhì)量增加值為 7.26×10-8g/cm2；經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的59#晶片頻率增加，其質(zhì)量減少值為7.82×10-6g/cm2；經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的62#晶片頻率減小，其質(zhì)量增加值為4.61×10-7g/cm2。

目視觀察晶片，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過原子氧試驗(yàn) 59#和62#晶片連接彈簧有黑色物質(zhì)，分析是來自粘接劑中的銀氧化造成。

分析如下：

1）原子氧會(huì)造成晶片與彈簧連接處銀膏氧化，產(chǎn)生的物質(zhì)中可能有一部分會(huì)沉積在晶片表面，造成晶片輸出頻率減少；

2）原子氧會(huì)造成晶片與彈簧連接處銀膏氧化而產(chǎn)生過多的熱量，使晶片表面升溫，金電極材料揮發(fā)，晶片變薄，造成輸出頻率增加；

3）經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的晶片對(duì)污染傳感和頻率輸出的功能沒有影響。

3.2.2 等效阻容感變化

與沒有經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的45#晶片的相關(guān)參數(shù)相比，經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的62#晶片的等效電阻、等效電容和等效電感沒有較大的異常。經(jīng)過原子氧試驗(yàn)的59#晶片的等效電容也沒有較大的異常；但是其晶片的等效電阻和等效電感特別是等效電阻有較大的增加。這表明晶片表面金電極的減少影響了對(duì)晶片的電壓施加作用。

分析如下：

1）原子氧試驗(yàn)一般不會(huì)造成晶片等效電阻、等效電容和等效電感的較大變化，只有當(dāng)晶片與彈簧連接處的銀膏過熱造成晶片表面金電極材料揮發(fā)，電極作用減弱，才會(huì)使等效電阻和等效電感發(fā)生較大的變化；

2）由于是將總注量1020atom/cm2量級(jí)的原子氧輻照在6 h內(nèi)加速完成，使晶片與彈簧連接處的氧化產(chǎn)熱較大。而在實(shí)際的飛行階段，不存在如此大的注量，因此不可能造成連接處過熱，以及晶片等效電阻、電容和電感的較大變化；

3）即使發(fā)生 59#晶片那樣的等效電阻、等效電感的變化，也不影響晶片的污染傳感能力和頻率輸出能力。

4 結(jié)束語

綜上所述，石英晶體微量天平在總注量1020atom/cm2量級(jí)的原子氧輻照后，振蕩頻率和等效阻容感發(fā)生了一定變化，但仍具備污染傳感能力和頻率輸出能力，其基本功能不受影響。

（

）

[1] 李濤, 姜利祥, 馮偉泉, 等. The effects of space atomic oxygen erosion on epoxy ans silicone adhesives in LEO spacecraft[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(3): 222-224

[2] Banks B A, Rutledge S K, Brady J A. The NASA atomic oxygen effects test program, N89-12589[R]: 51-65

[3] 韓大煒, 孫麗琳. QCM用于檢測(cè)航天器表面污染的技術(shù)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2006, 23(6): 333-336

[4] Reddy M R. Review effect of Low Earth Orbit atomic oxygen on spacecraft materials[J]. Journal of Materials Science, 1995, 30: 281-307

[5] Singh B. Laboratory simulation of low earth orbital atomic oxygen interaction with spacecraft surface, AIAA85-0477[R]