专利名称：石英晶体微量天平性能测试系统的制作方法
技术领域：
本发明属于分子污染检测测试技术领域，具体来说，涉及一种石英晶体微量天平性能测试系统。
背景技术：
石英晶体微量天平(Quartz Crystal Microbalances，QCM)，又称真空超微天平， 是分子污染监测的主要仪器之一。污染分子沉积在谐振石英晶片的表面上，导致其谐振频率发生变化，石英晶体微量天平利用石英晶体表面沉积质量变化而导致的振荡频率变化探测污染物沉积质量。因此，对于分子污染检测试验来说，其关键在于获得准确稳定的QCM输出频率。ASTM 专门于 2004 年发布了《Standard Practice for QCM measurement of spacecraft molecular contamination in space)),QCM^ifeif^illJ 试、安装及使用方法。其中规定，QCM在使用前必须经过性能测试试验，包括晶片频温曲线测试及匹配、差频温度曲线测试、重复性测试、频率长期漂移测试等多项考核内容。达到这些测试所规定指标的天平才能用于试验，保证数据的有效性。目前仍没有能够满足上述条件的测试系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石英晶体微量天平性能测试系统，该系统满足了石英晶体微量天平性能测试方面的需要。本发明的石英晶体微量天平性能测试系统，包括真空抽气系统、复压系统、测量控制系统和真空室，其中，真空室内设置有冷屏，冷屏的底部与晶片试验装置和QCM探头试验装置相配合，冷屏和真空室外与其管路连接的液氮储罐构成低温系统，建立试验所需低温环境，同时提供晶片试验装置和天平探头试验装置的机械安装接口，以支撑晶片试验装置和天平探头试验装置，并负责提供两个装置到冷屏的热传导；真空室与真空抽气系统、复压系统真空连接，真空抽气系统为真空室建立试验所需的真空环境；试验装置电连接有测量控制系统以进行温度和频率的测量。其中，真空抽气系统包括主要由分子泵构成的高真空抽气系统，主要由机械泵构成的预抽真空系统，真空规和真空计构成的真空测量系统。其中，测量控制系统由温度测量控制系统和频率测量系统组成。温度控制系统应为数字式，控温范围-190 100°C。频率测量系统测量范围应> 20MHz。其中，冷屏为不锈钢的圆筒夹心式结构。进一步地，冷屏外壁均勻缠绕加热带以将试验结束后冷屏吸附的水除去。本测试系统解决了石英晶体微量天平性能测试方面的需要。首先，它提供了一个清洁无油的真空环境，保证QCM不会发生由于污染而导致的频率改变。其次，它能够进行 QCM及其关键部件-晶片的多项性能测试，包括温频曲线、频率重复性、频率稳定性等；第三，它能够对已经应用的天平进行高温老练，提高可靠性；第四，已经应用较长时间的天平， 其表面沉积有大量的污染物，导致其测量范围变小，性能降低，通过该设备进行烘烤，可扩大天平测试范围，提高性能。
图1为本发明的石英晶体微量天平性能测试系统的结构示意图。图2为QCM探头的温频曲线。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的石英晶体微量天平性能测试系统进行详细说明。本发明的石英晶体微量天平性能测试系统，包括真空抽气系统、复压系统、测量控制系统和真空室，其中，真空室内设置有冷屏，冷屏的底部与晶片试验装置和QCM探头试验装置相配合，冷屏和真空室外与其管路连接的液氮储罐构成低温系统，建立试验所需低温环境，同时提供晶片试验装置和天平探头试验装置的机械安装接口，以支撑晶片试验装置和天平探头试验装置，并负责提供两个装置到冷屏的热传导；真空室与真空抽气系统、复压系统真空连接，真空抽气系统为真空室建立试验所需的真空环境；试验装置电连接有测量控制系统以进行温度和频率的测量。由于复压系统、低温系统、温度及频率测量控制系统具有通用性，因此不再赘述。此处仅对真空抽气系统、低温系统中的冷屏设计、QCM探头试验装置、晶片试验装置的设计进行介绍。具体来说，本发明中的冷屏应采用圆筒夹心式结构，材料应为不锈钢。冷屏的底部应与晶片试验装置和QCM探头试验装置配合。冷屏应采用下进上出的形式，以增加制冷效率，并且可以使氮气更好的排出。为在试验结束后把冷屏吸附的水加热烘走，冷屏应具有加热功能，可采用在冷屏外壁均勻缠绕加热带的方式实现。本发明中的真空抽气系统是该石英晶体微量天平性能测试系统的核心系统之一。 真空抽气系统应为洁净无油抽气系统。可采用分子泵作为主泵，机械泵作为前级泵的抽气方式。本发明中的QCM探头试验装置提供了 QCM探头安装板和低温散热平台，并提供相关的测量线缆连接端口。QCM探头安装板应设计至少3个探头安装孔。天平探头通过螺钉固定于探头安装孔上。测量线缆连接端口位置应合理设计以方便操作。本发明中的晶片测试装置是公知的结构，其由晶片安装板、温控装置、钼电阻、电路组件组成。晶片温控装置包括温控法兰、加热片和温控盖板，晶片安装板整体呈倒置的η 形，温控法兰是一个突台法兰，扣在晶片安装板上，形成一个放置被测晶片的空间，温控法兰的上部设置有圆形的加热片，加热片的上部设置有圆形的温控盖板，加热片和温控盖板的直径与突台的内径相同，突台外的圆形底板上均布有数个与冷屏的安装孔。晶片试验装置采用冷屏降温、加热片升温的方式构成的，S卩，温控法兰上表面的外圈与冷屏热接触，构成散热通道，在温控法兰上表面的中心安装加热片，提供热源。本发明的石英晶体微量天平性能测试系统的典型测量结果如图2所示。尽管上文对本发明的具体实施方式
给予了详细描述和说明，但是应该指明的是， 我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作
4用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.石英晶体微量天平性能测试系统，包括真空抽气系统、复压系统、测量控制系统和真空室，其中，真空室内设置有冷屏，冷屏的底部与晶片试验装置和QCM探头试验装置相配合，冷屏和真空室外的与冷屏管路连接的液氮储罐构成低温系统，建立试验所需低温环境， 同时提供晶片试验装置和天平探头试验装置的机械安装接口，以支撑晶片试验装置和天平探头试验装置，并负责提供两个装置到冷屏的热传导；真空室与真空抽气系统、复压系统真空连接，真空抽气系统为真空室建立试验所需的真空环境；试验装置电连接有测量控制系统以进行温度和频率的测量。
2.如权利要求1所述的测试系统，其中，真空抽气系统包括主要由分子泵构成的高真空抽气系统，主要由机械泵构成的预抽真空系统，真空规和真空计构成的真空测量系统。
3.如权利要求1所述的测试系统，其中，测量控制系统由温度测量控制系统和频率测量系统组成。
4.如权利要求3所述的测试系统，其中，温度控制系统应为数字式，控温范围-190 100°C。
5.如权利要求3所述的测试系统，其中，频率测量系统测量范围应>20MHz。
6.如权利要求1所述的测试系统，其中，冷屏为不锈钢的圆筒夹心式结构。
7.如权利要求1所述的测试系统，其中，冷屏外壁均勻缠绕加热带以将试验结束后冷屏吸附的水除去。
全文摘要
本发明公开了一种石英晶体微量天平性能测试系统，包括真空抽气系统、复压系统、测量控制系统和真空室，其中，真空室内设置有冷屏，冷屏的底部与晶片试验装置和QCM探头试验装置相配合，以支撑晶片试验装置和天平探头试验装置，并负责提供两个装置到冷屏的热传导；真空室与真空抽气系统、复压系统真空连接，真空抽气系统为真空室建立试验所需的真空环境；试验装置电连接有测量控制系统以进行温度和频率的测量。本测试系统提供了一个清洁无油的真空环境，保证QCM不会发生由于污染而导致的频率改变；能够进行QCM及其关键部件-晶片的多项性能测试，并能够对已经应用的天平进行高温老练，提高可靠性。
文档编号G01G23/01GK102455211SQ20101051268
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者于钱, 易忠, 杨东升, 焦子龙, 臧卫国, 院小雪 申请人:北京卫星环境工程研究所