探測微小空間碎片的MOS電容傳感器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)部，北京 100094）（2 北京大學(xué)微電子研究所，北京 100871）

1 引言

航天活動對人類生活方式產(chǎn)生重要影響，人類對宇宙空間的認(rèn)識也越來越深入，但與此同時(shí)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(yùn)行構(gòu)成威脅，其中微小空間碎片（μm 量級）由于其數(shù)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(yīng)也會對航天器表面材料和器件的性能產(chǎn)生影響［1］。由于微小空間碎片無法從地面進(jìn)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(shù)據(jù)、深入了解微小空間碎片環(huán)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(yīng)轉(zhuǎn)化為可測量的電信號，以獲得撞擊事件的時(shí)間、位置以及空間碎片的質(zhì)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(shù)，由于其設(shè)計(jì)簡單、占用資源少，已應(yīng)用到“長期暴露設(shè)施”（LDEF）、“微流星體技術(shù)衛(wèi)星”（MTS）及“國際空間站”（ISS）上，獲得了一批探測數(shù)據(jù)［3］?！靶行请H微塵試驗(yàn)”（IDE）中的MOS電容型探測器［4］，由459個(gè)傳感器組成，分別安裝在六個(gè)面上，各面向不同的方向，每個(gè)傳感器直徑為50mm，整個(gè)探測區(qū)域大約為1m2。“在軌微流星體與空間碎片計(jì)數(shù)器”（Orbiting Meteoroid and Debris Counter，OMDC）［5］在航天器表面上共安裝了54個(gè)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(yùn)行了95 天，共記錄了75 個(gè)碰撞事件，其中35個(gè)有準(zhǔn)確的碰撞時(shí)間，撞擊事件均勻地分布在整個(gè)軌道空間。

20世紀(jì)90年代開始利用MOS電容傳感器進(jìn)行在軌微小碎片和微流星體通量的測量，此技術(shù)經(jīng)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(shè)計(jì)，并對其初步進(jìn)行了地面高速撞擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的可行性。

2 低地球軌道微小空間碎片環(huán)境

空間碎片的尺寸可跨越7個(gè)數(shù)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(dá)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(tǒng)研究所（Institute of Aerospace Systems，ILR）開發(fā)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(huán)境，其中設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)簡單、不易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，適合于作為在軌微小碎片撞擊計(jì)數(shù)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(gè)電容；上下表面為鋁電極，中間SiO2層（氧化層）為電介質(zhì)層，襯底為Si材料；在電容兩極加適當(dāng)電壓后，在超高速微小空間碎片（1～100μm）的撞擊時(shí)，會產(chǎn)生微米到幾十微米量級的深坑，同時(shí)會導(dǎo)致電容兩極瞬間短路，將電容兩極上的電荷中和，產(chǎn)生放電電流，在分壓電阻上產(chǎn)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(fù)開路狀態(tài)，直流電源通過充電電阻對傳感器充電，在分壓電阻上產(chǎn)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(shù)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(jìn)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(dāng)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(fā)生放電和充電過程，進(jìn)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(guān)，利用式（1）計(jì)算高速微粒在傳感器撞擊坑深度，其結(jié)果見圖3；對于入射鋁粒子直徑為1μm、速度大于4．5km／s時(shí)，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(shí)，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(guān)外，還與電極的材料和厚度、所加偏壓相關(guān)，參考圖3中的數(shù)據(jù)，對其主要參數(shù)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(yuǎn)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(huán)境對傳感器漏電流以及氧化層介電強(qiáng)度的影響［8］，氧化層（SiO2）施加電場要遠(yuǎn)小于介電強(qiáng)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(shù)規(guī)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(shù)指標(biāo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4，它由一個(gè)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(jié)構(gòu)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(yīng)性改進(jìn)的微電子器件生產(chǎn)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(zhì)：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(xué)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(gè)電極；

（5）硅片在200 ℃溫度下的氮?dú)庵蟹庋b。

原理樣片通過環(huán)氧樹脂將傳感器敏感區(qū)硅片固定在印制電路板上，其兩個(gè)電極采用銀漿和壓焊絲固定在電路板上并用環(huán)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(zhì)材料；經(jīng)測試原理樣片漏電流為5．0nA／cm2，擊穿電壓為250V，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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(shù)，8．854×10-12F／m；εr為氧化層（SiO2）相對介電常數(shù)，取3．9；S為平板面積（m2）；dt為電容極板間距（m）。C計(jì)算值為66．7nF，實(shí)際測量值為65nF。

圖5 原理樣片F(xiàn)ig．5 Photo of MOS capacitor sensor

傳感器工作時(shí)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(shù)規(guī)律下降，充電的時(shí)間常數(shù)為66．7ms，單個(gè)傳感器的靜態(tài)功耗不大于0．01 W。

根據(jù)空間碎片的在軌積分通量分析結(jié)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(gè)原理樣片預(yù)計(jì)可測量到的微小碎片數(shù)量為每年8．46個(gè)。

5 MOS電容傳感器地面高速撞擊試驗(yàn)

初步開展地面高速撞擊試驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(chǎn)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(shí)用存儲示波器實(shí)時(shí)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(yàn)中采用7．5μm 鋁粉塵，鋁粉塵的典型形貌見圖7［9］。撞擊試驗(yàn)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(chǎn)生的高速鋁粉塵撞擊到靶室中的原理樣片時(shí)，原理樣片的充電電流在測量電阻上產(chǎn)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(biāo)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(yàn)原理圖Fig．8 Schematic of hypervelocity impacting MOS capacitor sensor

高速鋁粉塵撞擊原理樣片時(shí)，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(shí)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(shí)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(guān)，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(guān)系表示，如圖10所示。

試驗(yàn)中，原理樣片放置在真空度優(yōu)于10-1Pa的真空環(huán)境中，對測試設(shè)備和測試電纜進(jìn)行屏蔽，減小了粉塵靜電加速器運(yùn)行過程中對測試設(shè)備的干擾。

通過高速鋁粉塵撞擊模擬試驗(yàn)，獲得了有效的電路參數(shù)，包括傳感器偏置電壓，傳感器輸出脈沖寬度、幅度，驗(yàn)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(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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

6 結(jié)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(shù)研究，研制了原理樣片，達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)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(jié)合國內(nèi)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(shè)計(jì)進(jìn)行了分析說明，以國內(nèi)現(xiàn)有的條件，初步開展了地面高速鋁粉塵撞擊模擬試驗(yàn)，獲得了高速撞擊時(shí)原理樣片產(chǎn)生的電壓脈沖信號，驗(yàn)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(guān)鍵部件是傳感器，在原理樣片研制的基礎(chǔ)上，后續(xù)工作還須開展探測器的工程設(shè)計(jì)，包括采用多個(gè)傳感器組成的陣列探頭設(shè)計(jì)，以提高可測量微小碎片數(shù)量；進(jìn)行探測器的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，避免在軌因空間環(huán)境影響產(chǎn)生的測量錯(cuò)誤；進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和抗力學(xué)設(shè)計(jì)，確保傳感器在軌功能、性能正常，以及進(jìn)一步開展地面標(biāo)定試驗(yàn)方案研究，提高在軌數(shù)據(jù)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（References）

［1］Simon G．Long term microparticle flux variability，NASA CP-3194［R］．Washington D．C．：NASA，1993

［2］都亨，張文祥，龐寶君，等．空間碎片［M］．北京：中國宇航出版社，2007

Du Hen，Zhang Wenxiang，Pang Baojun，et al．Space debris［M］．Beijing：China Astronautics Press，2007（in Chinese）

［3］Alby F，Otrio G，Durin C．Space based observations of orbital debris［C］／／51st International Astronautical Congress．Paris：IAF，2000：104-112

［4］Oliver J P，Singer S F．LDEF interplanetary dust experiment（IDE）results，NASA CP-3275［R］．Washington D．C．：NASA，1995

［5］Kassel P C，Wortmanf J J．Metal-oxide-silicon capacitor detectors for measuring micrometeoroid and space-debris flux［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，1995，32（4）：712-719

［6］Kassel P C．Characteristics of capacitor-type micrometeoroid flux detections when impacted with simulated micrometeoroids，NASA TN D-7359［R］．Washington D．C．：NASA，1995

［7］Hayashida KB and Robinson J H．Single wall penetration equations，NASA TM-103565［R］．Washington D．C．：NASA，1991

［8］Monteith L K，Donovan R P，Simons M．The influence of space radiation upon the MOS micrometeoroid capacitor detector，NASA CR-11892［R］．Washington D．C．：NASA，1971

［9］董尚利，劉海，呂鋼，等．光學(xué)器件的空間粉塵高速撞擊效應(yīng)研究［J］．航天器環(huán)境工程，2006，23（4）：205-209

Dong Shangli，Liu Hai，Lu Gang，et al．Investigation of effects of hypervelocity impact of space dust on optical components［J］．Spacecraft Environment Engineering，2006，23（4）：205-209（in Chinese）