專利名稱：一種可重復(fù)使用的原子氧探頭及探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可重復(fù)使用的原子氧探頭，屬于氣體探測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在開展低地球軌道原子氧環(huán)境地面模擬方法開展研究工作時(shí)，需要 對地面原子氧模擬設(shè)備產(chǎn)生的原子氧的束流強(qiáng)度和通量進(jìn)行測量，同時(shí) 也需要在衛(wèi)星上搭載儀器設(shè)備對低地球軌道環(huán)境中的原子氧束流強(qiáng)度和 通量進(jìn)行實(shí)時(shí)探測。
現(xiàn)在通常做法是采用薄膜與原子氧發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致質(zhì)量減少或電阻 率增大、原子氧與金屬發(fā)生反應(yīng)，釋放熱量和原子氧與導(dǎo)電金屬膜反應(yīng)， 導(dǎo)致膜層質(zhì)量增加等方法來推算出原子氧的束流強(qiáng)度和通量。
常見的幾種探測方法主要有聚酰亞胺薄膜質(zhì)損法，納米銀膜測電導(dǎo) 率變化法和碳膜質(zhì)損法等。這些方法具有一個(gè)共同的缺點(diǎn)不可以重復(fù) 使用，完成一次探測就必須對探頭材料進(jìn)行更換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以重復(fù)使用的原子氧探頭及探測系統(tǒng)， 解決了常規(guī)方法不能重復(fù)探測的缺點(diǎn)。
本發(fā)明方法中的探頭材料為氧化鋅薄膜，薄膜的載體為藍(lán)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。
探頭薄膜及電極制備方法如下-
采用脈沖激光沉積方法在藍(lán)寶石單晶片上鍍制出具有高度C軸擇優(yōu) 取向的氧化鋅薄膜。其具體制備過程如下將藍(lán)寶石單晶片用丙酮、酒 精、去離子水依次超聲清洗后，裝在試樣架上送入脈沖激光薄膜沉積系 統(tǒng)的真空室。待真空室的真空度達(dá)到3Xl(^Pa時(shí)，開啟加熱器，對單晶 片進(jìn)行加熱至60(^C;打開KrF激光器，使激光入射到氧化鋅耙，產(chǎn)生的 氧化鋅等離子體沉積在藍(lán)寶石單晶片上，形成C軸擇優(yōu)取向的氧化鋅薄膜，薄膜膜厚約為200nm。
金屬電極同樣采用脈沖激光沉積方法室溫下鍍制后在真空室中 6000C下退火10分鐘，其膜厚約為100nm。
采用本探頭的測試平臺由半導(dǎo)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(dǎo)體加熱及溫控單元由半導(dǎo)體加熱器、熱偶、溫 度顯示單元和可調(diào)節(jié)直流電壓源組成；電信號獲取單元由直流穩(wěn)壓電源 和電流表和電阻組成。
將制備于藍(lán)寶石基底上，鍍制有金屬電極的氧化鋅半導(dǎo)體薄膜作為 探頭，其上，通過導(dǎo)線與直流電源和電流表相連接；探頭安裝于半導(dǎo)體 加熱器上，側(cè)面裝有熱電偶，用來測量和控制探頭溫度。原子氧作用于 探頭后，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(dá)到探測的目的。通過加熱器加熱，可以使半導(dǎo)體薄膜表面吸附的 原子氧脫附，使其電阻值恢復(fù)到初始值，從而達(dá)到重復(fù)使用的目的。本 發(fā)明對原子氧具有良好的響應(yīng)特性，通過加熱，探頭具有穩(wěn)定的重復(fù)使 用特性，可用于地面原子氧探測和低地球衛(wèi)星軌道環(huán)境中的原子氧探測。
本發(fā)明方法采用的測試系統(tǒng)的連接關(guān)系為
探頭及溫度控制單元處于地面原子氧模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的真空室中，電 信號獲取單元處于真空室外部。
由氧化鋅薄膜2和加熱器4構(gòu)成的探頭放置于原子氧模擬實(shí)驗(yàn)裝置 真空室9中；探頭薄膜2上鍍制金屬電極1，通過導(dǎo)線10與直流穩(wěn)壓電 源6和電流表7連接；采用熱電偶3對探頭溫度進(jìn)行測量，加熱器4通 過調(diào)節(jié)與其連接的直流電源8的電壓控制加熱溫度。
本發(fā)明的工作原理為.-
將探頭放置于原子氧模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)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(wěn)定后將溫度降至 40QC，探測過程中維持該溫度；打開原子氧，當(dāng)原子氧作用于氧化鋅薄 膜表面后，導(dǎo)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(jì)算出薄膜電導(dǎo)率的變化，進(jìn)一步可計(jì)算出作用于氧化鋅薄膜 的原子氧束流強(qiáng)度和通量；關(guān)閉原子氧，通過加熱器再次對氧化鋅薄膜 加熱，使其恢復(fù)至初時(shí)狀態(tài)，從而達(dá)到重復(fù)測量的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為采用氧化鋅半導(dǎo)體薄膜作為探頭材料，實(shí)現(xiàn)了同 一探頭可對原子氧束流強(qiáng)度和通量進(jìn)行重復(fù)測量，具有測量精度高，成 本低和方法簡單等優(yōu)點(diǎn)。


圖l一本發(fā)明測試系統(tǒng)工作示意圖； 圖中(a)測試系統(tǒng)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(wěn)壓電源、7—電流表、8—可調(diào)節(jié)直流電源、9一真空室、10— 導(dǎo)線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 實(shí)施例
本發(fā)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(wěn)壓電源6、電流表7、可調(diào)節(jié)直流電源8、真空室9、導(dǎo)線 IO組成。
通過加熱器4對探頭薄膜2進(jìn)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(wěn)定后溫度降至40QC，打開原子氧， 原子氧與氧化鋅薄膜作用后，薄膜電流發(fā)生變化，直至電流達(dá)到穩(wěn)定值 后關(guān)閉原子氧，通過計(jì)算薄膜電導(dǎo)率的變化可計(jì)算出作用于薄膜表面的 原子氧束流強(qiáng)度及通量，此過程為一個(gè)測試循環(huán)。再次加熱器升溫至 100QC，使其薄膜電阻值恢復(fù)至初始值，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一輪測試。
本實(shí)例中采用1.52 X 1015 atom/cm2. s的束流強(qiáng)度(采用Kapton薄膜 質(zhì)量損失法標(biāo)定)，共進(jìn)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(jié)束后經(jīng)加熱其電阻值恢 復(fù)至4.586 kQ，經(jīng)原子氧作用25分鐘后，兩輪測試中薄膜最終電阻值 均穩(wěn)定在5.51kQ。說明本探頭具有良好的重復(fù)特性。由下面公式-<formula>formula see original document page 6</formula>
、T // 其中，
F:原子氧束流強(qiáng)度(cm—Y1)
a:被電離數(shù)目和半導(dǎo)體探測器表面粒子總數(shù)的比率； Y:原子氧在氧化鋅表面的散射系數(shù)，常數(shù)；
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(dǎo)率
計(jì)算出兩次測試的原子氧的束流強(qiáng)度分別為1.49X1015 atom/cm2.s 和1.51X1015 atom/cm2.s，相應(yīng)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(fā)明原理設(shè)計(jì)的探頭具有測試簡單，測試周期短，可以對原 子氧進(jìn)行重復(fù)測試等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)表明，最大可測量的原子氧通量可 達(dá)10 X 1020 Atom/cm2 。
權(quán)利要求
1. 一種可重復(fù)使用的原子氧探頭及探測系統(tǒng)，由半導(dǎo)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(dǎo)體加熱及溫控單元由半導(dǎo)體加熱器(4)、熱偶、溫度顯示單元和可調(diào)節(jié)直流電壓源組成；探頭由鍍制于藍(lán)寶石基底上的氧化鋅半導(dǎo)體薄膜、金屬電極組成；電信號獲取單元由直流穩(wěn)壓電源、電流表和電阻組成，其特征在于由氧化鋅薄膜(2)和加熱器(4)構(gòu)成的探頭放置于原子氧模擬實(shí)驗(yàn)裝置真空室(9)中；探頭薄膜(2)上鍍制金屬電極(1)，通過導(dǎo)線(10)與直流穩(wěn)壓電源(6)和電流表(7)連接；采用熱電偶(3)對探頭溫度進(jìn)行測量，加熱器(4)通過調(diào)節(jié)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(jì)算出作用在薄膜表面的原子氧束流強(qiáng)度和通量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于探頭用氧化鋅半導(dǎo)體薄 膜材料采用脈沖激光沉積方法制備；金屬電極采用脈沖激光沉積方法制 備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重復(fù)使用的原子氧探測用探頭，其 特征在于探頭及溫度控制單元處于地面原子氧模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的真空室 中，電信號獲取單元處于真空室外部；通過加熱器加熱，可以使半導(dǎo)體 薄膜表面吸附的原子氧脫附，使其電阻值恢復(fù)到初始值，從而達(dá)到重復(fù) 使用的目的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可重復(fù)使用的原子氧探頭及探測系統(tǒng)，屬于氣體探測領(lǐng)域。本發(fā)明采用制備于藍(lán)寶石基底上的氧化鋅半導(dǎo)體薄膜作為探頭，其上鍍制有金屬電極，通過導(dǎo)線與直流電源和電流表相連接；探頭安裝于半導(dǎo)體加熱器上，側(cè)面裝有熱電偶，用來測量和控制探頭溫度。原子氧作用于探頭后，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(dá)到探測的目的。通過加熱器加熱，可以使半導(dǎo)體薄膜表面吸附的原子氧脫附，使其電阻值恢復(fù)到初始值，從而達(dá)到重復(fù)使用的目的。本發(fā)明對原子氧具有良好的響應(yīng)特性，通過加熱，探頭具有穩(wěn)定的重復(fù)使用特性，可用于地面原子氧探測和低地球衛(wèi)星軌道環(huán)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(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者馮展祖, 李中華, 楊生勝, 王云飛, 王敬宜, 鄭闊海, 陳學(xué)康 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所