MOS電容型微小空間碎片探測(cè)器探頭研究

郝志華，向宏文，蔡震波，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)

MOS電容型微小空間碎片探測(cè)器探頭研究

郝志華1，向宏文1，蔡震波1，王金延2

(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)

MOS電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已被成功用于微小空間碎片在軌探測(cè)，但國(guó)內(nèi)開展的相關(guān)研究還較少。文章在對(duì)MOS電容傳感器探測(cè)微小空間碎片原理及過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于ADS軟件建立了傳感器電路模型，確定了影響傳感器探測(cè)性能的關(guān)鍵參數(shù)，完成了傳感器的設(shè)計(jì)及研制，進(jìn)而研制了陣列式探頭。最后對(duì)陣列式探頭成功開展了地面高速微粒撞擊試驗(yàn)，探頭在經(jīng)過了數(shù)十次高速微粒撞擊后，仍能對(duì)高速撞擊事件進(jìn)行測(cè)量，初步驗(yàn)證了使用該探頭開展在軌微小空間碎片探測(cè)是可行的。

微小空間碎片；MOS電容傳感器；陣列式探頭

0 引言

微小空間碎片數(shù)量眾多，與航天器碰撞的頻率高，雖然這種碰撞不會(huì)對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)造成直接影響或?yàn)?zāi)難性故障，但其累積效應(yīng)可能會(huì)對(duì)航天器表面材料和部（組）件的性能產(chǎn)生影響[1]。微小空間碎片體積小（直徑＜100 μm），無法在地面直接探測(cè)[2]，因此在軌探測(cè)成為掌握微小空間碎片環(huán)境的重要手段。其在軌探測(cè)方法包括無源探測(cè)和有源探測(cè)[3-5]。無源探測(cè)是通過分析回收的航天器表面材料的撞擊信息獲得微小空間碎片的信息。有源探測(cè)是在航天器表面搭載探測(cè)器，將微小空間碎片撞擊探測(cè)器過程中產(chǎn)生的力、熱等效應(yīng)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)來獲得微小空間碎片信息。在眾多有源探測(cè)器中，MOS電容型探測(cè)器（以下稱探測(cè)器）具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外于 20世紀(jì)90年代就開始相關(guān)研究，并成功搭載到“長(zhǎng)期暴露裝置（LDEF）[6]”和“微流星科技衛(wèi)星（MTS）[7]”等航天器上，獲得了有效探測(cè)數(shù)據(jù)[8-9]。而我國(guó)是首次開展該探測(cè)器的研制，其研究成果可供相關(guān)研究人員和航天器設(shè)計(jì)師參考。

本文基于MOS電容傳感器（以下稱傳感器）的探測(cè)原理，使用ADS軟件建立傳感器電路模型并確定影響傳感器探測(cè)性能的關(guān)鍵參數(shù)；然后對(duì)傳感器和探頭進(jìn)行設(shè)計(jì)及研制；最后對(duì)陣列式探頭開展地面高速微粒撞擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證將其用于在軌微小空間碎片探測(cè)的可行性。

1 探測(cè)原理及過程分析

1.1 探測(cè)原理

探測(cè)器主要由陣列式探頭和電控機(jī)箱 2部分組成。陣列式探頭由4個(gè)探頭單元組成，每個(gè)探頭單元包含4個(gè)傳感器。傳感器的探測(cè)原理如圖1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為電介質(zhì)層，襯底為硅材料；在電容兩極施加偏壓，兩極將存儲(chǔ)大量電荷；高速微小碎片撞擊后會(huì)形成撞擊坑，同時(shí)導(dǎo)致電容兩極瞬間短路，將電容兩極上的存儲(chǔ)電荷中和，產(chǎn)生放電電流；隨后電容兩極快速恢復(fù)開路狀態(tài)[3]，直流電源重新對(duì)傳感器充電。因此利用加直流電源的傳感器，通過測(cè)量其充電電壓脈沖信號(hào)即可完成對(duì)撞擊事件的測(cè)量。

1.2 測(cè)量過程分析

微小空間碎片撞擊引發(fā)的傳感器放電時(shí)間短（μs量級(jí)）[10]，且涉及等離子體，放電機(jī)理復(fù)雜，而傳感器放電后的充電過程時(shí)間較長(zhǎng)（ms量級(jí)），測(cè)量相對(duì)容易。傳感器測(cè)量過程如圖2所示。

1）微小空間碎片撞擊傳感器的瞬間（t=0 s）：傳感器處于偏壓充電狀態(tài)；微小空間碎片撞擊傳感器時(shí)，會(huì)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱，導(dǎo)致撞擊區(qū)鋁電極及其下 SiO2氣化生成等離子體，如圖 2(a)所示；此時(shí)等離子體內(nèi)充滿可移動(dòng)電荷，會(huì)引起處于偏壓狀態(tài)的傳感器放電。

2）傳感器放電過程：撞擊后的短暫時(shí)間內(nèi)（μs量級(jí)），由于撞擊形成的等離子體充滿大量可移動(dòng)的電荷，在傳感器所加偏壓的作用下，正負(fù)電荷會(huì)向相反方向移動(dòng)形成放電，傳感器兩極電荷量會(huì)持續(xù)減少，電壓相應(yīng)降低，這段時(shí)間內(nèi)傳感器以放電過程為主，如圖2(b)所示；隨著傳感器的持續(xù)放電，撞擊生成的等離子體電荷耗盡，放電電流也逐漸消失，放電結(jié)束。

3）傳感器充電過程：從放電結(jié)束直至 ms量級(jí)的時(shí)間段內(nèi)，在偏壓作用下，傳感器重新處于充電狀態(tài)，如圖2(c)所示。

2 仿真分析與參數(shù)確定

2.1 傳感器充放電仿真分析

為確定影響傳感器探測(cè)性能的關(guān)鍵參數(shù)，獲取傳感器充放電電壓信號(hào)特征參數(shù)，本文借助 ADS軟件對(duì)傳感器充放電過程進(jìn)行了仿真分析，仿真電路如圖3(a)所示。為模擬高速微小空間碎片撞擊引起的放電效果，在傳感器兩端并聯(lián)一脈沖電流源。脈沖電流源快速放電時(shí)，傳感器兩端電荷快速下降，模擬等離子體放電引起傳感器兩端電荷下降。從文獻(xiàn)[10]可知：放電過程包括放電電流快速增加過程和隨后指數(shù)衰減過程。在ADS仿真工程文件中，為模擬復(fù)雜等離子放電，選用雙指數(shù)變化的電壓源來控制電流源，ADS仿真電路結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。通過該仿真電路，可以定量分析不同參數(shù)傳感器和不同電學(xué)條件對(duì)充放電電壓的影響。以下就對(duì)傳感器放電充電的過程進(jìn)行仿真分析。

1）放電電流的變化。用雙曲線脈沖電流源模擬微小空間碎片撞擊時(shí)等離子產(chǎn)生及放電過程，該過程包含：①放電電流快速上升過程，對(duì)應(yīng)等離子體產(chǎn)生及在高電場(chǎng)作用下快速向傳感器兩極移動(dòng)所形成的電流；②放電電流下降過程，對(duì)應(yīng)等離子體電荷被電極收集和部分正負(fù)電荷復(fù)合后，放電電流逐漸下降。2個(gè)過程的特征時(shí)間都是 μs量級(jí)，分析時(shí)分別采用2 μs和10 μs。模擬撞擊事件發(fā)生的脈沖電流開始時(shí)間設(shè)定為100 ms位置，模擬撞擊事件放電過程的瞬態(tài)電流峰值可達(dá)到mA量級(jí)，如圖4(a)所示。

2）總充放電電流的變化?？偝浞烹婋娏髦苯訉?duì)應(yīng)串聯(lián)電阻上的電流，其隨時(shí)間變化情況如圖4(b)所示?？梢钥闯?，隨著撞擊事件的發(fā)生，總電流快速增加后緩慢下降，上升時(shí)間為100 μs，而下降特征時(shí)間約為20 ms，2個(gè)過程時(shí)間長(zhǎng)度相差很大。結(jié)合圖4(a)中放電電流變化情況，充電電流在撞擊后0.1 ms處（圖4(b)之m3處），而此時(shí)放電電流基本為0。隨后的充電電流變化也符合電容/電阻串聯(lián)電路的瞬態(tài)充電變化規(guī)律，相對(duì)于放電電流的峰值而言，充電電流的峰值明顯低3個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于串聯(lián)大電阻導(dǎo)致充電過程緩慢。

3）串聯(lián)電阻上電壓的變化。串聯(lián)電阻上電壓完全正比于總充放電電流大小，因此該電壓變化與充電電流變化相同。實(shí)際探測(cè)電路采集的信號(hào)就是該電阻上的電壓信號(hào)。由圖 4(c)可以看出該瞬態(tài)電壓變化特征時(shí)間為100 ms左右，相對(duì)于放電過程，對(duì)該過程的電學(xué)信號(hào)采集相對(duì)容易，工程上也容易實(shí)現(xiàn)。

4）傳感器上電荷的變化。由圖4(d)可以看出，傳感器上電荷在放電過程中出現(xiàn)了一段快速下降過程，與總充放電電流的峰值電流出現(xiàn)時(shí)間一致，基本在0.1 ms處電荷達(dá)到最小值（4.542×10-7C），可知傳感器放電的電荷量為8.958×10-7C。這與放電電流總的電荷量8.969×10-7C基本吻合，差值是由于即使在等離子體快速放電過程中依然存在充電電流，導(dǎo)致電容損失電荷略小于放電電荷量。由于該放電過程非常短，故充電電流引起的電荷差可忽略。從圖中還可以看出，電荷下降非?？欤?.1 ms），而上升過程基本是指數(shù)變化，調(diào)整時(shí)間為20 ms左右，這與充電電流變化一致，也符合電容/電阻串聯(lián)電路的瞬態(tài)充電變化規(guī)律。

綜上可知：1）傳感器電容大小對(duì)探測(cè)性能起關(guān)鍵作用，而面積和氧化層厚度是決定傳感器電容大小的關(guān)鍵參數(shù)；2）傳感器充電電壓（探測(cè)電路采集的信號(hào)）波形半峰寬對(duì)應(yīng)的特征時(shí)間為10-2s量級(jí)。

2.2 傳感器指標(biāo)的確定

基于文獻(xiàn)[3]，結(jié)合國(guó)外已發(fā)表的傳感器高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果[10-11]，確定傳感器氧化層（SiO2）的厚度為(0.5±0.05) μm。傳感器的鋁電極為微小空間碎片直接撞擊的靈敏區(qū)，對(duì)碎片有阻擋作用，會(huì)影響探測(cè)敏感度，借鑒國(guó)外相關(guān)研究[6,8]，確定鋁電極的厚度為(0.1±0.01) μm。傳感器襯底材料電阻率越低，等離子體電荷收集速度越快，即探測(cè)敏感度也就越高，確定襯底材料選用電阻率為0.01 ?·cm、摻雜濃度約為1×1019cm-3的P型硅片。傳感器所加偏壓要小于 SiO2臨界電場(chǎng)，確定擊穿電壓要大于100 V。傳感器實(shí)際工作時(shí)所測(cè)量的是放電后充電電流的大小，為避免傳感器漏電流影響探測(cè)結(jié)果，確定漏電流密度應(yīng)小于20 nA/cm2。

3 傳感器的研制

3.1 傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上確定的傳感器參數(shù)，開展研制工作。最終設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖 5(a)所示，其外形尺寸為25 mm×25 mm，靈敏區(qū)直徑為20 mm。傳感器制作的主要工藝流程：1）備片；2）常規(guī)清洗；3）生長(zhǎng)SiO2介質(zhì)層；4）光刻形成底電極引出孔；5）濕法腐蝕SiO2介質(zhì)層；6）常規(guī)去膠；7）常規(guī)清洗；8）物理氣相淀積濺射鋁；9）光刻形成厚鋁亞焊點(diǎn)；10）濕法腐蝕鋁；11）發(fā)煙硝酸去膠；12）硫酸常溫清洗；13）物理氣相淀積濺射鋁；14）光刻形成頂電極；15）濕法腐蝕鋁；16）發(fā)煙硝酸去膠；17）硫酸常溫清洗；18）合金；19）劃片。最終制備出的傳感器如圖5(b)所示。

3.2 傳感器性能測(cè)試

采用HP4145B對(duì)傳感器的漏電流進(jìn)行測(cè)試。為避免氧化層陷阱對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，采用正反掃描電壓模式，測(cè)試電壓范圍分別為0～50 V（黑色）和0～-50 V（紅色）。圖6(a)中的漏電流為包含噪聲信號(hào)的最大漏電流2.73 nA，傳感器面積為3.14 cm2，換算出最大漏電流密度為0.87 nA/cm2。

采用安捷倫B1505A器件分析儀和高壓測(cè)試平臺(tái)對(duì)傳感器的擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，傳感器在 150 V電壓下，漏電流仍然保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)漏電流增大的趨勢(shì)。因此傳感器實(shí)際的擊穿電壓大于150 V，如圖6(b)所示。

4 陣列式探頭研制與試驗(yàn)

4.1 探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳感器在探測(cè)微小空間碎片時(shí)，一次撞擊就可能導(dǎo)致其碎裂或短路而永久失效，因此，設(shè)計(jì)并研制了由多片小面積傳感器構(gòu)成的陣列式探頭（如圖7所示）。與單片大面積傳感器探頭相比，陣列式探頭的可靠性更高，工程適用性更好。另外小面積傳感器還具有成品率高、力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)。陣列式探頭重約0.8 kg，尺寸為170 mm×220 mm×110 mm，靈敏區(qū)總面積為1256 mm2；由4個(gè)探頭單元組成，每個(gè)探頭單元包含4個(gè)相同傳感器。

4.2 高速微粒撞擊試驗(yàn)

采用高速微粒模擬微小空間碎片撞擊探測(cè)器陣列式探頭，測(cè)量探頭輸出的脈沖信號(hào)，驗(yàn)證探頭在軌測(cè)量微小空間碎片的功能。試驗(yàn)原理如圖8所示，直流電源通過充電電阻為探頭施加偏壓，加速器產(chǎn)生的高速微粒撞擊到靶室中的探測(cè)器探頭，探頭放電后的充電電流會(huì)在測(cè)量電阻上產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)，通過示波器記錄和測(cè)量電壓脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)撞擊事件的測(cè)量。

采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)的粉塵靜電加速器[12]分別對(duì)尺寸為1、7.5和10 μm的鋁粉加速，在2.5～12.8 km/s速度范圍內(nèi)成功開展了高速微粒撞擊試驗(yàn)，圖9為探頭輸出的典型電壓脈沖信號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：探頭所加偏壓低于-30 V時(shí)，無法測(cè)量高速微粒撞擊事件，這可能是因?yàn)榈推珘簩?dǎo)致傳感器電容充電電荷量太少。在所加偏壓為-60 V時(shí)，可測(cè)量碎片尺寸分別為1、7.5和10 μm，速度范圍為2.5～12.8 km/s的撞擊事件。探頭在經(jīng)過了數(shù)十次高速撞擊后，仍能對(duì)撞擊事件進(jìn)行測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)傳感器探測(cè)微小空間碎片原理及過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于ADS軟件建立了傳感器電路模型，確定了傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)并研制了傳感器及陣列式探頭。陣列式探頭的高速微粒撞擊試驗(yàn)結(jié)果表明將其用于在軌微小空間碎片探測(cè)是可行的。

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（編輯：馮露漪）

MOS capacitance probe for micro space debris detector

HAO Zhihua1, XIANG Hongwen1, CAI Zhenbo1, WANG Jinyan2
(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China;2. Institute of Microelectronics, Peking University, Beijing 100871, China)

Due to its advantages of simple structure, credibility and low-power consumption, the metal-oxide-silicon (MOS) capacitance type sensor is successfully used in foreign countries to detect the orbital micro-debris, but so far not in domestic studies. In this paper, the detection principle of the MOS capacitance sensor is introduced. A charging and discharging model for the orbital micro-debris impact MOS capacitance sensor is built. Then the simulation is carried out by using ADS software. The MOS capacitance sensor’s key parameter is confirmed and the structure and process design of MOS capacitance sensor is completed. Based on the sensor, an array probe is designed and fabricated. Finally, with the array probe, the ground high-speed particulate impact test is carried out. The array probe sensor has experienced dozens of high-speed impacts,without affecting its ability to measure the high-speed impact event, which verifies the feasibility of using the probe for the on-orbit space micro-debris detection.

micro space debris; MOS capacitance sensor; array probe

V423.6

：A

：1673-1379(2017)03-0306-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.014

郝志華（1981—），男，碩士學(xué)位，從事空間環(huán)境工程設(shè)計(jì)。E-mail：zhihuahao@hotmail.com。

2016-12-23；

2017-05-22

國(guó)家國(guó)防科工局空間碎片專項(xiàng)“十二五”預(yù)先研究項(xiàng)目

郝志華, 向宏文, 蔡震波, 等. MOS電容型微小空間碎片探測(cè)器探頭研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2017, 34(3)：306-311

HAO Z H, XIANG H W, CAI Z B, et al. MOS capacitance probe for micro space debris detector[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 306-311