探測微小空間碎片的MOS電容傳感器設計研究

何正文 張明磊 向宏文 吳中祥 王金延

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2 北京大學微電子研究所，北京 100871）

1 引言

航天活動對人類生活方式產生重要影響，人類對宇宙空間的認識也越來越深入，但與此同時人類在地球空間制造的空間垃圾（即空間碎片）也在不斷地增加。空間碎片對在軌航天器安全運行構成威脅，其中微小空間碎片（μm 量級）由于其數量眾多、空間密度大，與航天器碰撞的頻率非常高，其累積效應也會對航天器表面材料和器件的性能產生影響［1］。由于微小空間碎片無法從地面進行探測和觀測［2］，開展在軌探測微小空間碎片是獲取在軌數據、深入了解微小空間碎片環境的唯一手段。

空間微小碎片在軌探測方法可分為被動探測和主動探測。被動探測方法是通過回收航天器表面材料，分析空間碎片撞擊材料的表面狀況，以獲得空間碎片在軌信息；主動探測方法是在航天器外表面安裝探測器，探測器將空間碎片撞擊過程的力、熱和電磁效應轉化為可測量的電信號，以獲得撞擊事件的時間、位置以及空間碎片的質量、速度等信息。采用MOS電容傳感器（以下簡稱傳感器）的微小空間碎片（μm 量級）探測技術，由于其設計簡單、占用資源少，已應用到“長期暴露設施”（LDEF）、“微流星體技術衛星”（MTS）及“國際空間站”（ISS）上，獲得了一批探測數據［3］?！靶行请H微塵試驗”（IDE）中的MOS電容型探測器［4］，由459個傳感器組成，分別安裝在六個面上，各面向不同的方向，每個傳感器直徑為50mm，整個探測區域大約為1m2?！霸谲壩⒘餍求w與空間碎片計數器”（Orbiting Meteoroid and Debris Counter，OMDC）［5］在航天器表面上共安裝了54個傳感器，傳感器為38mm×76mm的長方形，厚度為0．3mm，所能測量的最小碎片直徑為0．5μm，OMDC在軌運行了95 天，共記錄了75 個碰撞事件，其中35個有準確的碰撞時間，撞擊事件均勻地分布在整個軌道空間。

20世紀90年代開始利用MOS電容傳感器進行在軌微小碎片和微流星體通量的測量，此技術經多次空間飛行，日趨成熟。本文以載人航天器典型低地球軌道上的微小空間碎片為測量對象，開展了在軌探測微小碎片的MOS電容傳感器原理樣片設計，并對其初步進行了地面高速撞擊試驗，以驗證其設計的可行性。

2 低地球軌道微小空間碎片環境

空間碎片的尺寸可跨越7個數量級，空間碎片的通量隨其尺寸增大急劇降低，在高度為400km的圓軌道上，直徑10μm 以上的空間碎片通量可達到每年103m-2的量級，而直徑1m 以上的空間碎片通量降到每年10-7m-2的量級。

利用由歐洲航天局支持的空間系統研究所（Institute of Aerospace Systems，ILR）開發的MASTER2005模型（ESA’s Meteoroid and Space Debris Terrestial Envionment Reference Model）分析低地球軌道（高度400km，傾角42°）上微小空間碎片（含微流星體）環境，其中設定空間碎片的平均密度為2．8g／cm3；低地球軌道上3年的空間碎片積分通量及隨碎片尺寸的變化見圖1，結果表明，對于直徑分布為1～1000μm 空間碎片的在軌積分通量為每年4．31×103m-2。

圖1 微小空間碎片積分通量及其隨碎片直徑的變化Fig．1 Flux with diameter of micro debris

3 MOS電容傳感器的原理

該型傳感器具有結構簡單、不易受環境影響等優點，適合于作為在軌微小碎片撞擊計數測量的傳感器。

傳感器測量微小空間碎片原理如圖2所示，傳感器在電路上等效為一個電容；上下表面為鋁電極，中間SiO2層（氧化層）為電介質層，襯底為Si材料；在電容兩極加適當電壓后，在超高速微小空間碎片（1～100μm）的撞擊時，會產生微米到幾十微米量級的深坑，同時會導致電容兩極瞬間短路，將電容兩極上的電荷中和，產生放電電流，在分壓電阻上產生μs量級寬度的放電電壓脈沖信號；隨后電容兩極快速恢復開路狀態，直流電源通過充電電阻對傳感器充電，在分壓電阻上產生充電電壓脈沖信號，充電電壓脈沖信號寬度由充電電阻和電容組成電路的RC常數決定，一般為ms量級。因此利用加直流電壓的傳感器，通過測量其充電電壓脈沖信號就可記錄撞擊事件，從而獲得超高速微小碎片的通量［6］。

圖2 MOS電容傳感器被撞擊測量原理Fig．2 Principle diagram of MOS capacitor sensor

為分析傳感器靈敏度，采用超高速撞擊方程［7］進行超高速粒子撞擊深度分析，有

式中：p為靶上的撞擊坑深度（cm）；d為入射高速粒子直徑（cm）；BH為靶材料布氏硬度；ρp為靶材料密度（g／cm3）；ρt為入射粒子材料密度（g／cm3）；Vn為相對于靶的入射粒子速度（km／s）；C為靶材料聲速（km／s）。

當高速入射粒子微粒穿透傳感器的氧化層（SiO2），加直流電壓的傳感器上才會發生放電和充電過程，進而測量到撞擊事件；即氧化層（SiO2）厚度與傳感器所測量空間微小碎片的靈敏度相關，利用式（1）計算高速微粒在傳感器撞擊坑深度，其結果見圖3；對于入射鋁粒子直徑為1μm、速度大于4．5km／s時，可以穿透1．0μm 厚度的硅氧化層；對于入射粒子直徑為2μm，其速度大于2．0km／s時，可以穿透1．21μm 厚度的硅氧化層。

圖3 不同速度和直徑的超高速鋁微粒撞擊傳感器的撞擊坑深度Fig．3 Depth of impact hole on MOS capacitor sensor by aluminum hypervelocity particles

傳感器的靈敏度除與氧化層厚度相關外，還與電極的材料和厚度、所加偏壓相關，參考圖3中的數據，對其主要參數要求如下：

選定氧化層厚度為1μm，可測量到速度大于4．5km／s、直徑大于1μm 的微小空間碎片粒子撞擊。

電極厚度遠小于氧化層厚度，以降低電極對微小空間碎片阻擋的影響，電極選用鋁材料，厚度不大于0．1μm。

考慮空間輻射環境對傳感器漏電流以及氧化層介電強度的影響［8］，氧化層（SiO2）施加電場要遠小于介電強度（5×106V／cm）［9］，對于1μm 厚度氧化層（SiO2），傳感器施加60V 電壓。

撞擊后通過1 MΩ 電阻的充電電流按指數規律減小，平均為10μA 量級，要求漏電流要低于充電電流的10%。

綜上分析，對于測量1 ～100μm 的微小空間碎片所使用的傳感器的技術指標確定為：

（1）氧化層（SiO2）厚度1．0μm；

（2）柵金屬電極材料及厚度0．1μm（鋁）；

（3）漏電流小于10nA／cm2；

（4）擊穿電壓大于120V；

（5）傳感器直徑大于50mm。

在軌微小空間碎片測量中，大于100μm 尺寸空間碎片撞擊到直徑為厘米量級傳感器的平均概率低于10-3次／年（400km 高度圓軌道），因此可忽略大尺寸空間碎片撞擊對傳感器的影響；而微小空間碎片撞擊傳感器形成直徑10μm 量級的撞擊坑，相對于直徑厘米量級的傳感器而言，其電容值的變化極小，對傳感器電性能及輸出電壓脈沖信號的影響可忽略。

4 MOS電容傳感器原理樣片研制

原理樣片結構設計見圖4，它由一個硅片基底、鍍鋁的表面電極（陽極）、鍍鋁的底層電極（陰極）和固定硅片的印制電路板組成。

圖4 MOS電容傳感器結構示意圖Fig．4 Structure diagram of MOS capacitor sensor

樣片材料為P型硅片，電阻率為0．01 Wcm，單面拋光，研制采用適應性改進的微電子器件生產工藝，工藝過程如下：

（1）硅片清洗：濕法清洗（RCA），電離水清洗再烘干；

（2）硅片雙面熱氧化形成電容的電介質：熱氧化采用“干-濕-干”氧化；

（3）去掉沒有拋光一面的部分氧化層，正電極與硅片形成歐姆接觸；

（4）鋁材料通過化學氣相（CVD）沉積在硅片表面，氣化頂部和底部的金屬形成電容的兩個電極；

（5）硅片在200 ℃溫度下的氮氣中封裝。

原理樣片通過環氧樹脂將傳感器敏感區硅片固定在印制電路板上，其兩個電極采用銀漿和壓焊絲固定在電路板上并用環氧膠固定。

研制的MOS 電容傳感器原理樣片如圖5 所示。直徑為50mm，其測量靈敏面積為1962mm2，厚度為300μm，氧化層厚度為1．0μm，電極為0．1μm厚的鋁質材料；經測試原理樣片漏電流為5．0nA／cm2，擊穿電壓為250V，達到設計指標。

傳感器的等效電容可近似為平板電容：

式中：ε0為真空電常數，8．854×10-12F／m；εr為氧化層（SiO2）相對介電常數，取3．9；S為平板面積（m2）；dt為電容極板間距（m）。C計算值為66．7nF，實際測量值為65nF。

圖5 原理樣片Fig．5 Photo of MOS capacitor sensor

傳感器工作時所加電壓為60V，微小空間碎片撞擊后由于1 MΩ 充電電阻限流作用（見圖2），流過傳感器的電流最大值約為60μA，并按指數規律下降，充電的時間常數為66．7ms，單個傳感器的靜態功耗不大于0．01 W。

根據空間碎片的在軌積分通量分析結果，在高度400km 的載人航天器軌道上的微小碎片的積分通量為每年4．311×103m-2，單個原理樣片預計可測量到的微小碎片數量為每年8．46個。

5 MOS電容傳感器地面高速撞擊試驗

初步開展地面高速撞擊試驗的目的是：通過地面高速粒子模擬空間微小碎片撞擊原理樣片，測量傳感器輸出的充電電壓脈沖信號，對傳感器在軌測量微小空間碎片的功能進行驗證。

哈爾濱工業大學建成的粉塵靜電加速器（圖6），能將1～10μm 的鋁粉塵加速至1～15km／s［9］，加速器產生的高速微小鋁粉塵，撞擊到加直流電壓的原理樣片上，同時用存儲示波器實時記錄傳感器的輸出充電電壓脈沖信號，即可記錄撞擊事件。

圖6 粉塵靜電加速器及超高速撞擊靶室Fig．6 Scheme of electrostatic accelerator and its impacting room

試驗中采用7．5μm 鋁粉塵，鋁粉塵的典型形貌見圖7［9］。撞擊試驗原理見圖8，直流電源通過充電電阻（1 MΩ）為傳感器施加-60V 的電壓，加速器產生的高速鋁粉塵撞擊到靶室中的原理樣片時，原理樣片的充電電流在測量電阻上產生電壓脈沖信號，由示波器記錄，測量電壓脈沖信號。

圖7 鋁粉塵粒子的形貌圖（標稱直徑為7．5μm）Fig．7 Morphology of the aluminum microparticles

圖8 地面高速粒子撞擊試驗原理圖Fig．8 Schematic of hypervelocity impacting MOS capacitor sensor

高速鋁粉塵撞擊原理樣片時，傳感器輸出的充電電壓脈沖信號見圖9，上升線為原理樣片被高速鋁粉塵擊穿時瞬間的信號，下降線為直流電源通過充電電阻對原理樣片充電的信號波形，脈沖信號半寬度約為60ms，幅度為4．5V。

圖9 撞擊后傳感器放大輸出信號（時間為100ms／格，幅度為1．0V／格）Fig．9 Output signal diagram of MOS capacitor sensor after impacting

傳感器輸出電壓信號幅度與傳感器所加電壓相關，隨著所加電壓的降低，其輸出信號幅度降低，但其信號的寬度不變，輸出信號幅度隨所加電壓的變化可以用線性關系表示，如圖10所示。

試驗中，原理樣片放置在真空度優于10-1Pa的真空環境中，對測試設備和測試電纜進行屏蔽，減小了粉塵靜電加速器運行過程中對測試設備的干擾。

通過高速鋁粉塵撞擊模擬試驗，獲得了有效的電路參數，包括傳感器偏置電壓，傳感器輸出脈沖寬度、幅度，驗證了傳感器測量微小空間碎片撞擊事件的原理和可行性，也為微小空間碎片探測器的電信號處理電路設計提供了依據。

圖10 傳感器輸出電壓信號幅度與傳感器所加電壓關系Fig．10 Signal amplitude vs detector bias voltage for 1μm dielectric（SiO2）thickness

6 結束語

本文開展了基于MOS電容傳感器的微小空間碎片在軌探測技術研究，研制了原理樣片，達到的技術指標為：測量面積為1962mm2；氧化層（SiO2）厚度為1．0μm；柵金屬電極厚度為0．1μm（鋁）；硅片厚度不小于300μm；漏電流5nA／cm2；擊穿電壓250V。

結合國內航天工程對微小空間碎片在軌探測的需求，對MOS電容傳感器設計進行了分析說明，以國內現有的條件，初步開展了地面高速鋁粉塵撞擊模擬試驗，獲得了高速撞擊時原理樣片產生的電壓脈沖信號，驗證了利用MOS電容傳感器開展在軌微小空間碎片撞擊測量的可行性。

MOS電容型微小碎片探測器的關鍵部件是傳感器，在原理樣片研制的基礎上，后續工作還須開展探測器的工程設計，包括采用多個傳感器組成的陣列探頭設計，以提高可測量微小碎片數量；進行探測器的空間環境防護設計，避免在軌因空間環境影響產生的測量錯誤；進行熱設計和抗力學設計，確保傳感器在軌功能、性能正常，以及進一步開展地面標定試驗方案研究，提高在軌數據有效性等；為MOS電容型探測器在載人飛船等低軌航天器上的應用奠定基礎。

（References）

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