CN107748185A - 一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器 - Google Patents

一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN107748185A
CN107748185A CN201710780829.1A CN201710780829A CN107748185A CN 107748185 A CN107748185 A CN 107748185A CN 201710780829 A CN201710780829 A CN 201710780829A CN 107748185 A CN107748185 A CN 107748185A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resistance
elemental oxygen
fluence
oxygen
sensitive membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710780829.1A
Other languages
English (en)
Inventor
杨生胜
石红
黄凡
黄一凡
薛玉雄
郭兴
苗育君
乔佳
王广毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Original Assignee
Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology filed Critical Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority to CN201710780829.1A priority Critical patent/CN107748185A/zh
Publication of CN107748185A publication Critical patent/CN107748185A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

本发明公开了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。使用本发明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，另一个通过封装结构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。

Description

一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器
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。
其中，1-1陶瓷基底，1-2金电极，1-3碳膜，1-4原子氧防护膜，2-1定值电阻R2，2-2对比电阻R0，2-3测量电阻R，2-4定值电阻R1。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
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，利用设计的惠斯顿电桥消除温度变化对碳膜原子氧传感器测量精度的影响。
本实施例以碳膜为例进行说明，但同样适用于银膜、锇膜等其他敏感膜。首先对原子氧传感器探头结构进行设计：选取1mm厚的氧化铝陶瓷作为基底，利用溅射的方法在基底上镀100nm厚的金属金，作为电极，利用电弧放电沉积方法镀制两个一模一样的1.4μm厚的碳膜，并且，在其中一个碳膜上设置原子氧防护膜，使其不与原子氧发生反应，作为参考元件R0；另一个碳膜暴露于原子氧环境，与原子氧发生反应，作为待测元件R；
然后，在原子氧传感器电路板上设置两个定值电阻R1、R2，且R1＝R2；电路板上的定值电阻R1、R2以及探头上的参考元件R0、待测元件R组成惠斯顿电桥。
如图2所示，电阻R1、R2、R0、R、R1依次串联，惠斯顿电桥的输入电压加载在由R0和R组成的串联电阻上，输出电压为由R和R1组成的串联电阻的电压。惠斯顿电桥中，R1、R2为定值电阻，R是待测元件，R0为补偿元件或者称为参考元件，R0阻值与被测元件R初始阻值相同且阻值随温度变化规律一致，唯一不同的是R0不受原子氧剥蚀。初始，电桥是平衡的，即U0＝0；当测试电阻R受原子氧剥蚀后，电阻值发生变化，导致电桥失去平衡，电压输出U0为
则：
假设碳膜最大耐原子氧通量Fmax，此数值可以在地面获得：
则F与U、U0的函数关系为
所以有
由此，可以通过测量惠斯顿电桥的输入电压U0和输出电压U，得到原子氧积分通量F，且由于测试电阻R和初始电阻R0都随温度实时变化，且变化规律一致，可以排除温度对敏感膜电阻的影响带来的测量误差。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一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，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的原子氧积分通量测量方法，其特征在于，所述原子氧积分通量F为：
<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>&amp;delta;</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>U</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>U</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>U</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>U</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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。
3.如权利要求1所述的原子氧积分通量测量方法，其特征在于，所述敏感膜为：银膜、锇膜或碳膜。
4.一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，其特征在于，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。
5.如权利要求4所述的电阻型原子氧传感器，其特征在于，所述敏感膜为：银膜、锇膜或碳膜。
6.如权利要求4所述的电阻型原子氧传感器，其特征在于，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。
7.如权利要求6所述的电阻型原子氧传感器，其特征在于，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。
CN201710780829.1A 2017-09-01 2017-09-01 一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器 Pending CN107748185A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710780829.1A CN107748185A (zh) 2017-09-01 2017-09-01 一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710780829.1A CN107748185A (zh) 2017-09-01 2017-09-01 一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107748185A true CN107748185A (zh) 2018-03-02

Family

ID=61254886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710780829.1A Pending CN107748185A (zh) 2017-09-01 2017-09-01 一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107748185A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109060894A (zh) * 2018-07-09 2018-12-21 兰州空间技术物理研究所 一种基于石墨烯材料的原子氧传感器及其制备方法
CN109781787A (zh) * 2019-01-15 2019-05-21 北京卫星环境工程研究所 聚合物与导电薄膜多层复合的原子氧探测装置及制造方法
CN112611788A (zh) * 2020-12-28 2021-04-06 山东大学 一种半导体硫化氢气体传感器

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5693038A (en) * 1979-12-27 1981-07-28 Nec Corp Semiconductor gas sensor
CN1484019A (zh) * 2002-09-18 2004-03-24 中国科学院大连化学物理研究所 一种在线微量氧含量测量方法及专用传感器
KR20090083125A (ko) * 2008-01-29 2009-08-03 (주)엠투엔 나노 소자 가스 센서를 이용하고 온도 보상이 가능한 가스측정 장치
CN101710092A (zh) * 2009-10-13 2010-05-19 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法
CN101710091A (zh) * 2009-10-13 2010-05-19 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种石墨型原子氧密度传感器
CN102455273A (zh) * 2010-10-28 2012-05-16 北京卫星环境工程研究所 原子氧通量密度的测量方法
CN102998342A (zh) * 2012-11-26 2013-03-27 中国人民解放军国防科学技术大学 银膜电阻型原子氧传感器、原子氧检测仪及其应用方法
CN104677952A (zh) * 2015-03-25 2015-06-03 海卓赛思（苏州）传感技术有限公司 一种高稳定性薄膜氢气传感器及其使用方法
CN106637110A (zh) * 2016-10-19 2017-05-10 中南大学 锇膜电阻型原子氧密度传感器芯片的制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5693038A (en) * 1979-12-27 1981-07-28 Nec Corp Semiconductor gas sensor
CN1484019A (zh) * 2002-09-18 2004-03-24 中国科学院大连化学物理研究所 一种在线微量氧含量测量方法及专用传感器
KR20090083125A (ko) * 2008-01-29 2009-08-03 (주)엠투엔 나노 소자 가스 센서를 이용하고 온도 보상이 가능한 가스측정 장치
CN101710092A (zh) * 2009-10-13 2010-05-19 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种石墨型原子氧密度传感器的设计方法
CN101710091A (zh) * 2009-10-13 2010-05-19 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种石墨型原子氧密度传感器
CN102455273A (zh) * 2010-10-28 2012-05-16 北京卫星环境工程研究所 原子氧通量密度的测量方法
CN102998342A (zh) * 2012-11-26 2013-03-27 中国人民解放军国防科学技术大学 银膜电阻型原子氧传感器、原子氧检测仪及其应用方法
CN104677952A (zh) * 2015-03-25 2015-06-03 海卓赛思（苏州）传感技术有限公司 一种高稳定性薄膜氢气传感器及其使用方法
CN106637110A (zh) * 2016-10-19 2017-05-10 中南大学 锇膜电阻型原子氧密度传感器芯片的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨繁荣等: "《大学物理实验（第3版）》", 31 January 2016, 西南交通大学出版社 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109060894A (zh) * 2018-07-09 2018-12-21 兰州空间技术物理研究所 一种基于石墨烯材料的原子氧传感器及其制备方法
CN109781787A (zh) * 2019-01-15 2019-05-21 北京卫星环境工程研究所 聚合物与导电薄膜多层复合的原子氧探测装置及制造方法
CN112611788A (zh) * 2020-12-28 2021-04-06 山东大学 一种半导体硫化氢气体传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4902138A (en) Measuring component concentration in a gas blend
US11408843B2 (en) Gas sensor
CN104677952A (zh) 一种高稳定性薄膜氢气传感器及其使用方法
CN107748185A (zh) 一种原子氧积分通量测量方法及原子氧传感器
JP6160667B2 (ja) 熱伝導式ガスセンサ
US11175190B2 (en) Device and method for the in-situ calibration of a thermometer
Islam et al. Relaxation oscillator-based active bridge circuit for linearly converting resistance to frequency of resistive sensor
US9772319B2 (en) Integrated metal oxide chemical sensor
US5451920A (en) Thick film hydrogen sensor
CN111413375B (zh) 一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器
Pisarkiewicz et al. Microsensor based on low temperature cofired ceramics and gas-sensitive thin film
US20070274868A1 (en) Combustible gas pellistor
CN105784183A (zh) 一种贴片式温度传感器及其制备工艺
JP2001221696A (ja) 感温感歪複合センサ
US3658479A (en) Device for measuring the pressure of a gas
CN204439589U (zh) 一种高稳定性薄膜氢气传感器
KR19980701596A (ko) 전기화학적 평면 금속/산화금속 전극(electrochemical planar metal/metal oxide electrode)
JP4988938B2 (ja) 感温感歪複合センサ
CN210626387U (zh) 薄膜桥压式氢气氛传感器
RU2546849C2 (ru) Полупроводниковый датчик кислорода
JP2001242114A (ja) 燃料電池用ガス検知装置用補償素子、気体熱伝導式ガス検知装置及び燃料電池用ガス供給装置
Arshak et al. Development of a novel thick-film strain gauge sensor system
JP2011145091A (ja) ガス検出装置
RU2761932C1 (ru) Способ измерения расхода текучей среды и устройство для его осуществления
WO2022209963A1 (ja) 歪抵抗膜および圧力センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180302

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication