院小雪，臧卫国，易 忠，刘向鹏

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

0 概述

原子氧环境[1]是指低地球轨道（通常认为200～700 km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。在这个轨道高度上，原子氧在残余大气中占主要成分。大气成分、密度、温度随太阳活动周期、地磁场变化、高度、当地时间、季节变化而变化[2]。原子氧具有高化学活性，其氧化作用远大于分子氧。另外，5.3 eV的碰撞动能，其作用相当于4.8× 104K的高温。这种罕见的高温氧化、高速碰撞对材料剥蚀作用的结果预料是非常严重的。

石英晶体微量天平[3]是在航天器研制过程中对分子污染进行检测和量化的主要设备，也是进行有效污染控制的重要环节。随着高可靠、长寿命航天器的发展，随着在轨污染检测项目的进行，对石英晶体微量天平的可靠性提出了越来越高的要求。石英晶片作为石英晶体微量天平的重要部分，其性能决定了石英晶体微量天平的性能。本文通过理论分析及原子氧对石英晶片的影响试验来评估原子氧辐照对石英晶体微量天平性能影响。

1 试验准备

1.1 石英晶片的结构及参数

石英晶片靠两个弹簧固定在安装电路板上，其晶片电极也依靠弹簧引入到安装电路板上，安装电路板上将电极端引入到焊接端口，外形如图1所示。

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

安装电路板有两个安装孔用于将晶片组件固定在法兰上。晶片底座如图2所示。支架采用陶瓷材料。

图2 晶片底座Fig. 2 The holder of the wafer

晶片的基本参数要求是：采用 AT切割，切角35º18"；直径为mm，误差范围为 0 -0.05 mm；工作在基频方式，振荡频率为10 MHz；晶片的电极为金质电极，电极直径5 mm，金膜与石英片之间镀铬。

1.2 试验设备及试验条件

试验在AOBISEE原子氧设备中进行。试验根据效应等效的原理，利用微波ECR离子源与中性化板组成来模拟原子氧束流环境，束流密度采用Kapton H膜质量损失法标定，由束流密度和试验束流总注量计算试验暴露时间。

根据某型号卫星的运行轨道高度，提出试验要求如下：

1）原子氧总注量大于1×1020atom/cm2；

2）通量密度为1015atom/(cm2·s-1)量级；

3）真空度为10-2Pa量级。

试验前将59#和62#晶片安装在原子氧试验靶台上。

2 原子氧对晶片的影响分析

2.1 原子氧主要特性

原子氧对材料的剥蚀相当严重，这是因为：一方面原子氧具有很强的氧化性，可与材料直接发生化学反应；另一方面由于航天器以8 km/s的速度飞行时，其表面原子氧束流密度可达 10121016atom/(cm2·s-1）。在撞击速度下，原子氧的平均撞击能为4～5 eV，这一能量足以使许多材料的化学键断裂并发生氧化。在有机材料的情况下，氧化产物通常为挥发性物质，所以原子氧环境效应会使材料的质量损失，同时使表面光学性质改变，使材料的热学性能和力学能发生退化，从而影响航天器的使用寿命。

2.2 原子氧对晶片基底材料的影响

石英晶片的基底是石英材料[4]（主要成分是二氧化硅），对原子氧侵蚀有很强的阻止能力。

2.3 原子氧对晶片电极的影响

晶片电极的材料主要是金，原子氧对其影响不大。

2.4 原子氧对晶片连接弹簧的影响

晶片连接弹簧的材料主要是铜，同时在晶片连接弹簧处用银膏粘结剂。原子氧可对晶片连接弹簧氧化生成氧化铜和氧化亚铜，并使得银膏粘结剂生成黑色的氧化银[5]。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

3.1.1 目视结果

目视观察晶片，发现经过原子氧试验的59#和62#晶片连接弹簧有黑色物质。

3.1.2 性能测试结果

石英晶片的其他参数经过测试，结果如表1所示。

原子氧试验晶片为59#，62#，参考晶片为45#。

表1 石英晶片参数试验前后对照表Table 1 Quartz wafer parameters before and after the test

3.2 结果分析

3.2.1 频率变化

没有经过原子氧试验的 45#晶片频率变化为-66 Hz，经过原子氧试验的 59#和 62#晶片频率变化分别为7 112 Hz和-419 Hz。

晶片频率增加表示表面质量减少，晶片频率减少表示表面质量增加。质量变化与频率变化的关系为m=δ·(ff-fi)，式中：m为污染物的质量，mg/m2；δ为因子，1.1×10-9mg/(m2·Hz)；ff为石英晶体微量天平最终频率，Hz；fi为石英晶体微量天平初始频率，Hz。

没有经过原子氧试验的 45#晶片频率减小，其质量增加值为 7.26×10-8g/cm2；经过原子氧试验的59#晶片频率增加，其质量减少值为7.82×10-6g/cm2；经过原子氧试验的62#晶片频率减小，其质量增加值为4.61×10-7g/cm2。

目视观察晶片，发现经过原子氧试验 59#和62#晶片连接弹簧有黑色物质，分析是来自粘接剂中的银氧化造成。

分析如下：

1）原子氧会造成晶片与弹簧连接处银膏氧化，产生的物质中可能有一部分会沉积在晶片表面，造成晶片输出频率减少；

2）原子氧会造成晶片与弹簧连接处银膏氧化而产生过多的热量，使晶片表面升温，金电极材料挥发，晶片变薄，造成输出频率增加；

3）经过原子氧试验的晶片对污染传感和频率输出的功能没有影响。

3.2.2 等效阻容感变化

与没有经过原子氧试验的45#晶片的相关参数相比，经过原子氧试验的62#晶片的等效电阻、等效电容和等效电感没有较大的异常。经过原子氧试验的59#晶片的等效电容也没有较大的异常；但是其晶片的等效电阻和等效电感特别是等效电阻有较大的增加。这表明晶片表面金电极的减少影响了对晶片的电压施加作用。

分析如下：

1）原子氧试验一般不会造成晶片等效电阻、等效电容和等效电感的较大变化，只有当晶片与弹簧连接处的银膏过热造成晶片表面金电极材料挥发，电极作用减弱，才会使等效电阻和等效电感发生较大的变化；

2）由于是将总注量1020atom/cm2量级的原子氧辐照在6 h内加速完成，使晶片与弹簧连接处的氧化产热较大。而在实际的飞行阶段，不存在如此大的注量，因此不可能造成连接处过热，以及晶片等效电阻、电容和电感的较大变化；

3）即使发生 59#晶片那样的等效电阻、等效电感的变化，也不影响晶片的污染传感能力和频率输出能力。

4 结束语

综上所述，石英晶体微量天平在总注量1020atom/cm2量级的原子氧辐照后，振荡频率和等效阻容感发生了一定变化，但仍具备污染传感能力和频率输出能力，其基本功能不受影响。

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[1] 李涛, 姜利祥, 冯伟泉, 等. The effects of space atomic oxygen erosion on epoxy ans silicone adhesives in LEO spacecraft[J]. 航天器环境工程, 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] 韩大炜, 孙丽琳. QCM用于检测航天器表面污染的技术研究[J]. 航天器环境工程, 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]