原子氧環境對石英晶體微量天平性能影響的分析

院小雪，臧衛國，易 忠，劉向鵬

（北京衛星環境工程研究所，北京100094）

0 概述

原子氧環境[1]是指低地球軌道（通常認為200～700 km高度）上以原子態氧存在的殘余氣體環境。在這個軌道高度上，原子氧在殘余大氣中占主要成分。大氣成分、密度、溫度隨太陽活動周期、地磁場變化、高度、當地時間、季節變化而變化[2]。原子氧具有高化學活性，其氧化作用遠大于分子氧。另外，5.3 eV的碰撞動能，其作用相當于4.8× 104K的高溫。這種罕見的高溫氧化、高速碰撞對材料剝蝕作用的結果預料是非常嚴重的。

石英晶體微量天平[3]是在航天器研制過程中對分子污染進行檢測和量化的主要設備，也是進行有效污染控制的重要環節。隨著高可靠、長壽命航天器的發展，隨著在軌污染檢測項目的進行，對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石英晶片的影響試驗來評估原子氧輻照對石英晶體微量天平性能影響。

1 試驗準備

1.1 石英晶片的結構及參數

石英晶片靠兩個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；晶片的電極為金質電極，電極直徑5 mm，金膜與石英片之間鍍鉻。

1.2 試驗設備及試驗條件

試驗在AOBISEE原子氧設備中進行。試驗根據效應等效的原理，利用微波ECR離子源與中性化板組成來模擬原子氧束流環境，束流密度采用Kapton H膜質量損失法標定，由束流密度和試驗束流總注量計算試驗暴露時間。

根據某型號衛星的運行軌道高度，提出試驗要求如下：

1）原子氧總注量大于1×1020atom/cm2；

2）通量密度為1015atom/(cm2·s-1)量級；

3）真空度為10-2Pa量級。

試驗前將59#和62#晶片安裝在原子氧試驗靶臺上。

2 原子氧對晶片的影響分析

2.1 原子氧主要特性

原子氧對材料的剝蝕相當嚴重，這是因為：一方面原子氧具有很強的氧化性，可與材料直接發生化學反應；另一方面由于航天器以8 km/s的速度飛行時，其表面原子氧束流密度可達 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鍵斷裂并發生氧化。在有機材料的情況下，氧化產物通常為揮發性物質，所以原子氧環境效應會使材料的質量損失，同時使表面光學性質改變，使材料的熱學性能和力學能發生退化，從而影響航天器的使用壽命。

2.2 原子氧對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），對原子氧侵蝕有很強的阻止能力。

2.3 原子氧對晶片電極的影響

晶片電極的材料主要是金，原子氧對其影響不大。

2.4 原子氧對晶片連接彈簧的影響

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

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

3.1.1 目視結果

目視觀察晶片，發現經過原子氧試驗的59#和62#晶片連接彈簧有黑色物質。

3.1.2 性能測試結果

石英晶片的其他參數經過測試，結果如表1所示。

原子氧試驗晶片為59#，62#，參考晶片為45#。

表1 石英晶片參數試驗前后對照表Table 1 Quartz wafer parameters before and after the test

3.2 結果分析

3.2.1 頻率變化

沒有經過原子氧試驗的 45#晶片頻率變化為-66 Hz，經過原子氧試驗的 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量減少，晶片頻率減少表示表面質量增加。質量變化與頻率變化的關系為m=δ·(ff-fi)，式中：m為污染物的質量，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。

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

目視觀察晶片，發現經過原子氧試驗 59#和62#晶片連接彈簧有黑色物質，分析是來自粘接劑中的銀氧化造成。

分析如下：

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

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

3）經過原子氧試驗的晶片對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

與沒有經過原子氧試驗的45#晶片的相關參數相比，經過原子氧試驗的62#晶片的等效電阻、等效電容和等效電感沒有較大的異常。經過原子氧試驗的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晶片的電壓施加作用。

分析如下：

1）原子氧試驗一般不會造成晶片等效電阻、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，電極作用減弱，才會使等效電阻和等效電感發生較大的變化；

2）由于是將總注量1020atom/cm2量級的原子氧輻照在6 h內加速完成，使晶片與彈簧連接處的氧化產熱較大。而在實際的飛行階段，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 結束語

綜上所述，石英晶體微量天平在總注量1020atom/cm2量級的原子氧輻照后，振蕩頻率和等效阻容感發生了一定變化，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。

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[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用于檢測航天器表面污染的技術研究[J]. 航天器環境工程, 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]