[发明专利]一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器

说明书

技术领域

本发明涉及气体探测技术领域，具体涉及一种基于惠斯顿电桥的原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器，可以用于在轨监测航天器周围空间原子氧通量密度和积分通量。

背景技术

目前常采用电阻型原子氧传感器探头监测原子氧通量密度。传统的原子氧传感器探头包括基底、电极和敏感膜，利用溅射镀膜的方法在薄介质层(基底)上镀上一层非常薄的金属层作为电极，利用电弧放电沉积的方法将敏感膜镀制在基底上，且敏感膜与电极衔接。其原理是，原子氧与敏感膜作用后，改变了敏感膜的电阻值，可以利用原子氧积分通量F与敏感膜电阻R之间的关系(式(1))，通过测量敏感膜的电阻值，得到原子氧积分通量，原子氧积分通量对时间微分，即可得到原子氧通量密度。

其中，h₀为敏感膜的初始厚度，δ为原子氧对敏感膜的剥蚀率，与敏感膜的材料有关，R₀为敏感膜的初始电阻值，R为敏感膜的当前电阻值；

目前使用的敏感膜材料包括银膜、锇膜和碳膜。其中银膜与原子氧反应生成固态氧化物，阻碍原子氧与内层银膜继续反应，因此使用寿命短；锇膜与原子氧反应生成的四氧化锇有毒性，没有得到推广利用；碳膜与原子氧反应生成气态物质，被广泛采用作为原子氧敏感膜，但无论采用哪种材料的敏感膜探测原子氧积分通量，均仅考虑敏感膜厚度对阻值变化的影响，而没有考虑温度对阻值变化的影响，这是因为在地面环境中，均是在常温下进行测量，温度变化不大，可忽略温度对阻值变化的影响。但事实上，敏感膜电阻R变化不仅与敏感膜厚度改变有关，还与环境温度有关，对于在轨航天器而言，其身处的太空环境恶劣，温差变化极大，环境温度对敏感膜阻值的影响不可忽视，直接采用式(1)计算得到的原子氧积分通量误差较大，影响测量的准确性。为了排除环境温度的影响，目前一般采用对敏感膜控温，但这明显增加了传感器的质量和功耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于惠斯顿电桥的原子氧积分通量测量方法，能够消除温度对原子氧积分通量测量的影响，精确在轨监测航天器所处环境经受的原子氧积分通量。

本发明提供了一种原子氧积分通量测量方法，采用电阻型原子氧传感器测量原子氧积分通量，其中，所述原子氧传感器探头中，在基底上镀制两块一模一样的敏感膜，其中一块敏感膜作为待测元件，暴露于原子氧环境，与原子氧发生反应，另一块敏感膜上设置原子氧防护膜，作为参考元件，不与原子氧发生反应；在原子氧传感器电路板上设置两个阻值相同的定值电阻；电路板上的两个定值电阻以及探头上的待测元件、参考元件组成惠斯顿电桥；通过测量惠斯顿电桥的输出电压，得到原子氧积分通量。

进一步的，所述原子氧积分通量F为：

其中，h₀为敏感膜的初始厚度，δ为原子氧对敏感膜的剥蚀率，与敏感膜的材料有关，U为惠斯顿电桥的输入电压；U₀为惠斯顿电桥的输出电压。

进一步的，所述敏感膜为：银膜、锇膜或碳膜。

本发明还提供了一种电阻型原子氧传感器，包括探头和电路板，所述探头由基底、电极和敏感膜组成，所述探头中，在基底上设有两块一模一样的敏感膜，其中一块敏感膜暴露于原子氧环境，另一块敏感膜上设置原子氧防护膜，不与原子氧发生反应；所述电路板中，在电路板上设置两个相同阻值的定值电阻；电路板上的两个定值电阻以及探头上的两块敏感膜组成惠斯顿电桥。

进一步的，所述敏感膜为：银膜、锇膜或碳膜。

进一步的，所述基底材料为氧化铝陶瓷，所述电极材料为金，所述敏感膜为碳膜。

进一步的，所述氧化铝陶瓷基底厚度为1mm，所述金电级厚度为100nm，所述碳膜厚度为1.4μm。

有益效果：

本发明通过在同一个基底上制作两个完全相同的电极-敏感膜，其中一个作为测试电阻暴露于原子氧环境，另一个通过原子氧防护膜屏蔽原子氧的作用作为对比电阻，保证两个敏感膜的环境温度相同，将原子氧积分通量测量公式中的不变的初始电阻转变为随温度实时变化的电阻，排除温度对敏感膜电阻的影响；然后利用设计的惠斯顿电桥，将原子氧积分通量随阻值的变化转化为原子氧积分通量随惠斯顿电桥输出电压的变化，将电阻值测量转换成电压测量，测量方法更为简单、准确。

附图说明

图1为本发明探测器探头结构示意图。

图2为惠斯顿电桥组成示意图。