MOS電容型微小空間碎片探測器探頭研究

郝志華，向宏文，蔡震波，王金延

(1. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2. 北京大學 微電子研究所，北京 100871)

MOS電容型微小空間碎片探測器探頭研究

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計部，北京 100094；2. 北京大學 微電子研究所，北京 100871)

MOS電容傳感器具有結構簡單、可靠、功耗小等優點，在國外已被成功用于微小空間碎片在軌探測，但國內開展的相關研究還較少。文章在對MOS電容傳感器探測微小空間碎片原理及過程進行分析的基礎上，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性能的關鍵參數，完成了傳感器的設計及研制，進而研制了陣列式探頭。最后對陣列式探頭成功開展了地面高速微粒撞擊試驗，探頭在經過了數十次高速微粒撞擊后，仍能對高速撞擊事件進行測量，初步驗證了使用該探頭開展在軌微小空間碎片探測是可行的。

微小空間碎片；MOS電容傳感器；陣列式探頭

0 引言

微小空間碎片數量眾多，與航天器碰撞的頻率高，雖然這種碰撞不會對航天器的結構造成直接影響或災難性故障，但其累積效應可能會對航天器表面材料和部（組）件的性能產生影響[1]。微小空間碎片體積小（直徑＜100 μm），無法在地面直接探測[2]，因此在軌探測成為掌握微小空間碎片環境的重要手段。其在軌探測方法包括無源探測和有源探測[3-5]。無源探測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。有源探測是在航天器表面搭載探測器，將微小空間碎片撞擊探測器過程中產生的力、熱等效應轉化為可測量的電信號來獲得微小空間碎片信息。在眾多有源探測器中，MOS電容型探測器（以下稱探測器）具有設計簡單、可靠、占用資源少等優點，國外于 20世紀90年代就開始相關研究，并成功搭載到“長期暴露裝置（LDEF）[6]”和“微流星科技衛星（MTS）[7]”等航天器上，獲得了有效探測數據[8-9]。而我國是首次開展該探測器的研制，其研究成果可供相關研究人員和航天器設計師參考。

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

1 探測原理及過程分析

1.1 探測原理

探測器主要由陣列式探頭和電控機箱 2部分組成。陣列式探頭由4個探頭單元組成，每個探頭單元包含4個傳感器。傳感器的探測原理如圖1所示：傳感器在電路上等效為一個電容，上下表面為鋁電極，中間 SiO2為電介質層，襯底為硅材料；在電容兩極施加偏壓，兩極將存儲大量電荷；高速微小碎片撞擊后會形成撞擊坑，同時導致電容兩極瞬間短路，將電容兩極上的存儲電荷中和，產生放電電流；隨后電容兩極快速恢復開路狀態[3]，直流電源重新對傳感器充電。因此利用加直流電源的傳感器，通過測量其充電電壓脈沖信號即可完成對撞擊事件的測量。

1.2 測量過程分析

微小空間碎片撞擊引發的傳感器放電時間短（μs量級）[10]，且涉及等離子體，放電機理復雜，而傳感器放電后的充電過程時間較長（ms量級），測量相對容易。傳感器測量過程如圖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；微小空間碎片撞擊傳感器時，會將動能轉化為熱，導致撞擊區鋁電極及其下 SiO2氣化生成等離子體，如圖 2(a)所示；此時等離子體內充滿可移動電荷，會引起處于偏壓狀態的傳感器放電。

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

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

2 仿真分析與參數確定

2.1 傳感器充放電仿真分析

為確定影響傳感器探測性能的關鍵參數，獲取傳感器充放電電壓信號特征參數，本文借助 ADS軟件對傳感器充放電過程進行了仿真分析，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，在傳感器兩端并聯一脈沖電流源。脈沖電流源快速放電時，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[10]可知：放電過程包括放電電流快速增加過程和隨后指數衰減過程。在ADS仿真工程文件中，為模擬復雜等離子放電，選用雙指數變化的電壓源來控制電流源，ADS仿真電路結構如圖3(b)所示。通過該仿真電路，可以定量分析不同參數傳感器和不同電學條件對充放電電壓的影響。以下就對傳感器放電充電的過程進行仿真分析。

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等離子產生及放電過程，該過程包含：①放電電流快速上升過程，對應等離子體產生及在高電場作用下快速向傳感器兩極移動所形成的電流；②放電電流下降過程，對應等離子體電荷被電極收集和部分正負電荷復合后，放電電流逐漸下降。2個過程的特征時間都是 μs量級，分析時分別采用2 μs和10 μs。模擬撞擊事件發生的脈沖電流開始時間設定為100 ms位置，模擬撞擊事件放電過程的瞬態電流峰值可達到mA量級，如圖4(a)所示。

2）總充放電電流的變化。總充放電電流直接對應串聯電阻上的電流，其隨時間變化情況如圖4(b)所示。可以看出，隨著撞擊事件的發生，總電流快速增加后緩慢下降，上升時間為100 μs，而下降特征時間約為20 ms，2個過程時間長度相差很大。結合圖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/電阻串聯電路的瞬態充電變化規律，相對于放電電流的峰值而言，充電電流的峰值明顯低3個數量級，這是由于串聯大電阻導致充電過程緩慢。

3）串聯電阻上電壓的變化。串聯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。實際探測電路采集的信號就是該電阻上的電壓信號。由圖 4(c)可以看出該瞬態電壓變化特征時間為100 ms左右，相對于放電過程，對該過程的電學信號采集相對容易，工程上也容易實現。

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了一段快速下降過程，與總充放電電流的峰值電流出現時間一致，基本在0.1 ms處電荷達到最小值（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，電荷下降非常快（0.1 ms），而上升過程基本是指數變化，調整時間為20 ms左右，這與充電電流變化一致，也符合電容/電阻串聯電路的瞬態充電變化規律。

綜上可知：1）傳感器電容大小對探測性能起關鍵作用，而面積和氧化層厚度是決定傳感器電容大小的關鍵參數；2）傳感器充電電壓（探測電路采集的信號）波形半峰寬對應的特征時間為10-2s量級。

2.2 傳感器指標的確定

基于文獻[3]，結合國外已發表的傳感器高速撞擊試驗結果[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，對碎片有阻擋作用，會影響探測敏感度，借鑒國外相關研究[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，確定擊穿電壓要大于100 V。傳感器實際工作時所測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結果，確定漏電流密度應小于20 nA/cm2。

3 傳感器的研制

3.1 傳感器設計與實現

根據以上確定的傳感器參數，開展研制工作。最終設計的傳感器結構如圖 5(a)所示，其外形尺寸為25 mm×25 mm，靈敏區直徑為20 mm。傳感器制作的主要工藝流程：1）備片；2）常規清洗；3）生長SiO2介質層；4）光刻形成底電極引出孔；5）濕法腐蝕SiO2介質層；6）常規去膠；7）常規清洗；8）物理氣相淀積濺射鋁；9）光刻形成厚鋁亞焊點；10）濕法腐蝕鋁；11）發煙硝酸去膠；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 傳感器性能測試

采用HP4145B對傳感器的漏電流進行測試。為避免氧化層陷阱對測試結果的影響，采用正反掃描電壓模式，測試電壓范圍分別為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試平臺對傳感器的擊穿電壓進行測試。結果表明，傳感器在 150 V電壓下，漏電流仍然保持穩定，沒有出現漏電流增大的趨勢。因此傳感器實際的擊穿電壓大于150 V，如圖6(b)所示。

4 陣列式探頭研制與試驗

4.1 探頭的設計與實現

傳感器在探測微小空間碎片時，一次撞擊就可能導致其碎裂或短路而永久失效，因此，設計并研制了由多片小面積傳感器構成的陣列式探頭（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、力學性能好的優點。陣列式探頭重約0.8 kg，尺寸為170 mm×220 mm×110 mm，靈敏區總面積為1256 mm2；由4個探頭單元組成，每個探頭單元包含4個相同傳感器。

4.2 高速微粒撞擊試驗

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

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

試驗結果表明：探頭所加偏壓低于-30 V時，無法測量高速微粒撞擊事件，這可能是因為低偏壓導致傳感器電容充電電荷量太少。在所加偏壓為-60 V時，可測量碎片尺寸分別為1、7.5和10 μm，速度范圍為2.5～12.8 km/s的撞擊事件。探頭在經過了數十次高速撞擊后，仍能對撞擊事件進行測量。

5 結束語

本文在對傳感器探測微小空間碎片原理及過程進行分析的基礎上，基于ADS軟件建立了傳感器電路模型，確定了傳感器的關鍵參數，設計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結果表明將其用于在軌微小空間碎片探測是可行的。

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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，碩士學位，從事空間環境工程設計。E-mail：zhihuahao@hotmail.com。

2016-12-23；

2017-05-22

國家國防科工局空間碎片專項“十二五”預先研究項目

郝志華, 向宏文, 蔡震波, 等. MOS電容型微小空間碎片探測器探頭研究[J]. 航天器環境工程，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