专利名称：一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法
技术领域：
本专利涉及一种石墨型原子氧密度传感器的制备方法。传感器可用于地面模拟设
备和低地球轨道环境中的原子氧密度探测，属于气体探测领域。
背景技术：
在200km-700km的低地球轨道，原子氧是残余大气的主要成分，其密度在109 1()Satoms/ci^左右。密度虽然不是很大，但是由于航天器的高速飞行(7. 8km/s)，单位时间 内撞击到航天器单位表面积上的原子氧数量则达到1013 10 toms/cm2 's，数量是相当惊 人的。 原子氧是非常强的氧化剂，化学性质极活泼，可使航天器表面材料的机械、光学性 能、电学性能等发生改变，从而影响材料的使用寿命，是低轨道航天器表面材料性能退化的 主要因素之一。航天器表面材料在空间原子氧环境中的使用性能和寿命不仅与材料本身的 原子氧剥蚀率有关，还与航天器在轨遭遇的原子氧密度有关。而空间原子氧密度，只有掌握 了空间原子氧的分布、变化规律及对航天器表面材料产生的效应后，才能准确地预估航天 器表面材料的使用寿命。因此，需要对空间原子氧进行探测。研制快速、准确的原子氧探测 器是获取空间原子氧密度的主要方法。而原子氧传感器是探测器的核心部件，决定着探测 器的性能和寿命。 原子氧传感器主要有石墨、银、锇、氧化锌等类型。其中，银与原子氧反应形成固态 疏松的氧化银，对原子氧与内层银膜的继续反应有阻碍作用，探头电阻率的变化呈非线性， 探测误差较大；锇与原子氧反应率低，时间分辨率差；氧化锌传感器在原子氧环境中需要 再生，结构复杂，功耗大。与上述原子氧传感器相比，石墨原子氧传感器具有结构相对简单、 反应速度快、线性好、能够连续探测的特点。
发明内容
本发明的目的是为了克服其它原子氧密度传感结构复杂、反应速度慢、不能连续 测量的缺点，提出一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法，用于连续探测地面模拟设备 和空间环境中的原子氧密度。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 本发明的一种石墨型原子氧密度传感器，包括底座、绝缘垫、陶瓷片、石墨膜、盖 板、引线、金电极组成；其连接关系为绝缘垫放置在底座之内，陶瓷基片上放置绝缘垫之 上；陶瓷基片上沉积石墨膜和电极，石墨膜与电极相连；引线与电极相连，最后，将盖板与 底座用螺丝拧紧，组成石墨型原子氧密度探测器。 本发明的一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法为首先在陶瓷基片上制备两 对同样尺寸的金电极，然后在金电极中间制备石墨膜，形成两条同样尺寸的石墨膜电阻，使 其中一个石墨膜电阻暴露于原子氧中，另一个石墨膜电阻不暴露原子氧中，作为参考电阻； 在盖板和绝缘垫上开一条尺寸与石墨膜尺寸相同的通孔；陶瓷基片置于底座上，导线与金电极紧密相连，然后盖上绝缘垫和盖板，并用螺丝将盖板与底座拧紧，即为石墨型原子氧密 度传感器； 所述的陶瓷基片由96%以上的氧化铝陶瓷制成； 当传感器暴露于原子氧中时，原子氧剥蚀石墨膜，使石墨膜电阻增加；通过测量单 位时间内石墨电阻的变化，计算作用在石墨膜上原子氧密度大小，即可探测原子氧密度。
上述方案的原理是利用原子氧对石墨材料的氧化作用，使石墨氧化生成CO或 (A气体挥发掉，石墨膜的厚度变薄，导致石墨电阻值增加；通过测量石墨增加的电阻值，可 以计算石墨被原子氧氧化的体积；由于同一种石墨膜原子氧剥蚀率是一个固定值，因此，可
以计算出剥蚀石墨膜经受的原子氧通量及密度。
有益效果 本发明与现有技术相比的优点在于本发明采用石墨膜作为原子氧敏感薄膜，与 银膜传感器、锇膜传感器和氧化锌传感器相比，具有响应速度快、电阻变化与原子氧作用时 间的线性好、寿命长、制作简便等优点，能够连续对原子氧密度进行测量。
图1-本发明的石墨传感器组装图；
图2-电极与引线；
图3-石墨膜；
图4-盖板；
图5-用本发明石墨传感器 度曲线； 图6-用本发明石墨传感器 时间的关系曲线； 图中1-底座、2-绝缘垫、3
测得的同轴源微波原子氧地面模拟设备中的原子氧密 测得的同轴源微波原子氧地面模拟设备原子氧通量与 _陶瓷片、4_石墨膜、5_盖板、6_引线、7_金电极。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。 如图l所示，为本发明的一种石墨型原子氧密度传感器，它由底座1、绝缘垫2、陶 瓷基片3、石墨膜4、盖板5、引线6和金电极7组成。其中，绝缘垫2放置在底座1之内，陶 瓷基片3上放置绝缘垫2之上；陶瓷基片3上沉积石墨膜4和电极7，石墨膜4与电极7相 连；引线6与电极7相连，最后，将盖板5与底座1用螺丝拧紧，组成石墨型原子氧密度探测 器。 本发明的的制备方法为首先在陶瓷基片3上溅射沉积两对同样尺寸的金电极7， 然后在金电极中间印刷石墨膜4，形成两条同样尺寸的石墨膜电阻；在盖板5和绝缘垫2上 开一条尺寸与石墨膜尺寸相同的通孔；将陶瓷基片3放入底座上1，引线6与金电极7紧密 相连，然后盖上绝缘垫和盖板，并用螺丝将盖板与底座拧紧。 石墨型原子氧密度传感器的功能是探测空间原子氧密度。将石墨型原子氧密度传 感器置于空间原子氧环境或者地面原子氧设备中，石墨膜与原子氧产生氧化作用，使石墨 膜的电阻发生改变。通过测量石墨膜的电阻变化，推算出单位时间内与石墨作用的原子氧数量，从而达到测量原子氧密度的。从而为预估材料在原子氧环境中的使用寿命提供依据。
如图5、图6，将该原子氧传感器放入同轴源微波原子氧地面模拟设备中，测得了 原子氧密度和通量。在试验过程中，由于保持放电参数不变，因此，原子氧的密度没有变化， 传感器稳定工作后，测得的原子氧密度是一条直线，而累计通量随着时间的增加而线性增 加，说明该传感器工作正常、性能良好。
权利要求
一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法，包括底座(1)、绝缘垫(2)、陶瓷基片(3)、石墨膜(4)、盖板(5)、引线(6)和金电极(7)，其特征在于首先在陶瓷基片上制备两对同样尺寸的金电极，然后在金电极中间制备石墨膜，形成两条同样尺寸的石墨膜电阻，使其中一个石墨膜电阻暴露于原子氧中，另一个石墨膜电阻不暴露原子氧中，作为参考电阻；在盖板和绝缘垫上开一条尺寸与石墨膜尺寸相同的通孔；陶瓷基片置于底座上，导线与金电极紧密相连，然后盖上绝缘垫和盖板，并用螺丝将盖板与底座拧紧，即为石墨型原子氧密度传感器；所述的陶瓷基片由96％以上的氧化铝陶瓷制成；当传感器暴露于原子氧中时，原子氧剥蚀石墨膜，使石墨膜电阻增加；通过测量单位时间内石墨电阻的变化，计算作用在石墨膜上原子氧密度大小，即可探测原子氧密度。
全文摘要
本发明涉及一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法，属于气体探测技术领域。首先在氧化铝陶瓷基片上制备两对同样尺寸的金电极，然后在金电极中间制备石墨膜，形成两条同样尺寸的石墨膜电阻；在盖板和绝缘垫上开一条尺寸与石墨膜尺寸相同的通孔；陶瓷基片置于底座上，导线与金电极紧密相连，然后盖上绝缘垫和盖板，并用螺丝将盖板与底座拧紧，组成原子氧密度传感器。当传感器暴露于原子氧中时，原子氧剥蚀石墨膜，使石墨膜电阻增加。通过测量单位时间内石墨电阻的变化，计算作用在石墨膜上原子氧密度大小，达到探测原子氧密度的目的。本发明对原子氧具有良好的连续响应特性，可用于地面模拟设备原子氧密度和空间环境中的原子氧密度探测。
文档编号G01N27/12GK101710092SQ20091023575
公开日2010年5月19日 申请日期2009年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者李中华, 赵琳, 郑阔海 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所