CN108580440B - 月尘光电清除系统除尘电极及其制作方法 - Google Patents

Abstract

月尘光电清除系统除尘电极及其制作方法，属于月尘清除技术领域，本发明为解决现有月尘光电清除系统除尘效率低的问题。本发明所述除尘电极包括上层聚酰亚胺绝缘膜、下层聚酰亚胺绝缘膜和多个条形导体电极；多个条形导体电极等间距均匀设置在上层聚酰亚胺绝缘膜和下层聚酰亚胺绝缘膜之间，多个条形导体电极之间导通，上层聚酰亚胺绝缘膜上开有裸露一部分电极的圆孔。本发明用于月尘光电清除。

Description

月尘光电清除系统除尘电极及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种月尘光电清除系统的除尘电极，属于月尘清除技术领域。

背景技术

月尘粒度较细，极易带电，且具有粘性和研磨性，容易积累在敏感的电力部件(诸如光电阵列)和散热器的表面，降低其性能。利用经过极化的镧改性锆钛酸铅(PLZT)在紫外光(中心波长365nm)照射下的反常光生伏打效应所产生的光静电压，形成光静电场，清除月面探测器表面月尘的光电月尘清除系统可通过采集月面阳光进行供电，避免了由于消耗太阳能电池板电能及需增压设备等问题。在此光电月尘清除系统中除尘电极的设计尤为重要。目前该系统中除尘电极的设计为采用整片的导体电极。

采用整片导体作为除尘电极主要存在以下问题：

由于月尘粒子在光静电场的作用下发生极化，与除尘电极板带符号相反的电荷，当电场力克服重力及粒子与探测器表面间的粘附力作用时，粒子会被吸附到除尘电极上，但由于除尘电极为导体，月尘粒子会再次被极化而带上与除尘电极导体符号相同的电荷而被除尘电极板排斥又回到被除尘表面，这样月尘粒子会在除尘电极与被除尘表面间不断往复运动，使除尘效率很低。

采用整片式导体除尘电极，由于PLZT的极化尺寸有限，在一定光照条件下，每片PLZT所能形成的光静电场强度与除尘电极板的面积有关，除尘电极板面积越大，光静电场强度越小，因此当除尘电极板大于某一值时，会由于光静电场对月尘粒子产生的静电场力不足以克服重力和粘附力的作用而无法清除月尘。

对整片式导体除尘电极，实验结果证明即使采用多片PLZT并联供电也不能显著增大除尘电极的面积，因此除尘效率较低。

整片式平板状导体电极只能用于吸附平面探测器表面月尘，而无法用于吸附曲面探测器表面月尘。

发明内容

本发明目的是为了解决现有月尘光电清除系统除尘效率低的问题，提供了一种月尘光电清除系统除尘电极及其制作方法。

本发明所述月尘光电清除系统除尘电极，除尘电极包括上层聚酰亚胺绝缘膜、下层聚酰亚胺绝缘膜和多个条形导体电极；

多个条形导体电极等间距均匀设置在上层聚酰亚胺绝缘膜和下层聚酰亚胺绝缘膜之间，多个条形导体电极之间导通，上层聚酰亚胺绝缘膜上开有裸露一部分电极的圆孔。

本发明所述月尘光电清除系统除尘电极的制作方法，制作方法的具体过程为：

步骤1、下层聚酰亚胺绝缘膜选用镀铜聚酰亚胺薄膜；

步骤2、采用化学刻蚀方法在下层聚酰亚胺绝缘膜蚀刻出与条形导体电极匹配的形状；

步骤3、将条形导体电极布置在下层聚酰亚胺绝缘膜上；

步骤4、上层聚酰亚胺绝缘膜选用带胶的聚酰亚胺绝缘膜；

步骤5、将上层聚酰亚胺绝缘膜与下层聚酰亚胺绝缘膜贴合；

步骤6、在上层聚酰亚胺绝缘膜的一侧打一个能够裸露一部分条形导体电极的圆孔。

本发明的优点：本发明提出的月尘光电清除系统除尘电极及其制作方法，包括上下两层绝缘膜，中间为多片条形导通的导体电极构成的柔性除尘电极，利用了电场的边缘效应可以将每片PLZT驱动的除尘电极面积扩大2-3倍；为进一步增大除尘效率，提出了多片PLZT驱动的除尘电极构型方案。

附图说明

图1是本发明所述月尘光电清除系统除尘电极的结构示意图；

图2是有绝缘膜月尘粒子的起跳运动过程示意图；

图3是有绝缘膜月尘粒子的上升运动过程示意图；

图4是有绝缘膜月尘粒子的吸附运动过程示意图；

图5是无绝缘膜月尘粒子的起跳运动过程示意图；

图6是无绝缘膜月尘粒子的上升运动过程示意图；

图7是无绝缘膜月尘粒子的吸附运动过程示意图；

图8是无绝缘膜月尘粒子的回落运动过程示意图；

图9是除尘等效电学模型；

图10是图9的等效电路图。

图11是组合式极板构型原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述月尘光电清除系统除尘电极，除尘电极包括上层聚酰亚胺绝缘膜1、下层聚酰亚胺绝缘膜2和多个条形导体电极3；

多个条形导体电极3等间距均匀设置在上层聚酰亚胺绝缘膜1和下层聚酰亚胺绝缘膜2之间，多个条形导体电极3之间导通，上层聚酰亚胺绝缘膜1上开有裸露一部分电极的圆孔4。

本实施方式中，上层聚酰亚胺绝缘膜1和下层聚酰亚胺绝缘膜2均抗高温。

本实施方式中，通过圆孔4裸露的一部分导体电极与PLZT的一个电极表面用细导线连通。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，条形导体电极3为铜铂或铝铂电极。

本实施方式中，由于镧改性锆钛酸铅PLZT产生的光电压的特点是电压高但电流小(nA级别)，因此不容易发生击穿问题。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述圆孔4的直径约为5mm。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，多个条形导体电极3的齿宽为1mm，齿缝宽1mm。

本实施方式中，条形导体电极3每个齿的宽度越窄，则齿间距与齿的宽度比越大，因此将条形导体电极3选择为齿宽1mm，齿缝宽1mm，与单片式金属电极相比可将除尘面积扩大将近2倍。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述月尘光电清除系统除尘电极的制作方法，制作方法的具体过程为：

步骤1、下层聚酰亚胺绝缘膜2选用镀铜聚酰亚胺薄膜；

步骤2、采用化学刻蚀方法在下层聚酰亚胺绝缘膜2蚀刻出与条形导体电极3匹配的形状；

步骤3、将条形导体电极3布置在下层聚酰亚胺绝缘膜2上；

步骤4、上层聚酰亚胺绝缘膜1选用带胶的聚酰亚胺绝缘膜；

步骤5、将上层聚酰亚胺绝缘膜1与下层聚酰亚胺绝缘膜2贴合；

步骤6、在上层聚酰亚胺绝缘膜1的一侧打一个能够裸露一部分条形导体电极3的圆孔4。

本实施方式中，下层聚酰亚胺绝缘膜2选用镀铜聚酰亚胺薄膜，能够保证条形导体电极3与其中一层绝缘膜的贴合度。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤1所述镀铜聚酰亚胺薄膜的厚度为10-50μm。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤4所述带胶的聚酰亚胺绝缘膜的厚度为20μm-50μm。

本实施方式中，由于月面的高温工作环境，其绝缘层采用抗高温的聚酰亚胺薄膜，厚度上保证其不被高压击穿的前提下尽量薄以保证整个电极的柔性。由于利用聚酰亚胺薄膜将金属电极与所吸附的月尘粒子隔开，可有效地避免被吸附的月尘粒子重新被极化而受排斥力离开除尘电极在除尘电极与被除尘表面间往复运动。

本发明中，为利用多片PLZT增大除尘效率，将除尘电极中导体电极做成若干分块，分块数量与PLZT数目相同，每一分块导体电极均通过在绝缘膜上打孔裸露出一部分金属电极。所有PLZT的同一电极(正极或负极)与被除尘表面的导电层利用导线连通，将每一片PLZT的另一电极表面分别通过导线与各分块导体裸露的电极导通。每一分块的除尘电极示意图及实物如图1所示。

除尘电极中金属电极与月尘粒子之间有、无绝缘膜情况下，在高倍摄像系统下月尘粒子运动过程对比如图2-图8所示。由图2-图8可知在有绝缘膜的情况下，月尘粒子被吸附到除尘电极以后，不会再重新被除尘电极排斥而落回被除尘表面，这种设计可以让除尘效率提高5倍以上。

PLZT两电极表面分别与除尘电极及被除尘表面导通后的等效电学模型如图9所示，图10是图9的等效图。

总电容C和总电阻R分别为：

C＝C₁+C_p

此时，除尘电压为：

其中，Us为除尘饱和电压；τ为时间常数。

负载电容C1＝εS/d，其中S为除尘电极的面积；ε为相对介电常数；d为除尘电极与被除尘表面之间的距离。因此，除尘电场强度E为：

根据公式可知除尘电场强度与除尘电极导体电极表面积大小有关，除尘电极导体电极表面积越大，则除尘电场强度越低。当将除尘导体电极设计成导通的条形后，对于同样的除尘电极面积下，条形导体电极的面积比整片式导体电极面积小，因此其除尘电场强度会变大，同时由于利用了电场的边缘效应，条形电极各齿的中间无导体电极处电场强度也能达到除尘的要求，这样使每片PLZT所驱动的除尘电极的面积大大增加。

在PLZT输出的光电压相同的条件下，采用整片式除尘电极与条形除尘电极吸附月尘情况的实验对比结果表明，除尘电极面积相同的情况下，由于整片式除尘电极的导体电极面积大于条形电极的导体电极面积，使整片式除尘电极的电场相对较弱，出现了只有局部除尘的问题，而条形电极却由于电场相对较强，可以在整个除尘电极区域范围内除尘，因此，当除尘电极采用了条形导体电极后，可以增大每片PLZT驱动的除尘电极的面积。

利用矩量法可以对不同齿宽和齿间距的条形电极在相同电压作用下的静电场进行仿真分析，相同齿宽、齿数，不同齿距的仿真对比结果表明，当齿宽不变时，齿距越大，则齿缝中间处的电场越低，当达到一定值时，会出现齿缝中间处的静电场强度不足，在除尘电极的这部分无法除尘的现象。而对导体面积相同齿宽、齿距均不同的条形电极，在相同电压的作用下所产生的静电场的仿真结果表明，齿宽越小，所允许的齿间距与齿宽的比值越大，因此在设计条形电极时，齿宽应尽量小，以最大程度的扩大每片PLZT可驱动的除尘电极的面积。考虑到加工工艺的限制，将齿宽设计成1mm,齿距设计成1mm。实验表明当光照强度为300mW/cm²，除尘极板高度为4mm时，这种构型每片最大除尘电极的总面积为80×229mm²，相同条件下整片式每片最大除尘电极的总面积为80×127mm²。这证明条形电极可将除尘面积至少扩大1.8倍，而通过调整光强和除尘极板高度可将这一比例扩至更大。

尽管通过条形电极的设计可以增大每片PLZT所驱动的除尘电极的面积，但PLZT受极化条件的影响，驱动能力有限，因此本发明利用多片PLZT驱动下的除尘电极构型设计，这样可以使除尘电极的面积成倍增加。方案设计原理图如图11所示。整个除尘电极是由多个分块除尘电极构成，每个分块电极间留有2mm的空隙，将每片PLZT的正极(或负极)分别利用导线连接到每一分块的导体电极，而将每片PLZT的负极(或正极)均连接至被除尘表面上。采用此构型，整个除尘电极面积＝分块面积X分块个数。实验结果表明，采用此构型设计后，每一分块除尘电极的除尘质量基本相等，且由于电场边缘效应，各分块电极间的空隙也能吸尘，因此，本发明可以使除尘效率成整数倍提高。

由于PLZT在制备中受极化条件的影响，其极化距离不宜过大(最大为15-20mm)，这大大限制了每片PLZT可带动的除尘面积的大小。为获得更大的除尘面积以提高除尘效率，本发明提出利用多片PLZT分别驱动除尘电极各分块的方案，使得除尘面积与PLZT的个数成整数倍关系。

Claims (7)

1.月尘光电清除系统除尘电极，其特征在于，除尘电极包括上层聚酰亚胺绝缘膜(1)、下层聚酰亚胺绝缘膜(2)和多个条形导体电极(3)；

多个条形导体电极(3)等间距均匀设置在上层聚酰亚胺绝缘膜(1)和下层聚酰亚胺绝缘膜(2)之间，多个条形导体电极(3)之间导通，上层聚酰亚胺绝缘膜(1)上开有裸露一部分电极的圆孔(4)；

将除尘电极中多个条形导体电极(3)做成若干分块，每一分块条形导体电极(3)均通过在上层聚酰亚胺绝缘膜(1)上打的圆孔(4)裸露一部分电极；所有镧改性锆钛酸铅的同一电极与被除尘表面的导电层利用导线连通，将每一片镧改性锆钛酸铅的另一电极分别通过导线与各分块条形导体电极(3)裸露的电极导通。

2.根据权利要求1所述的月尘光电清除系统除尘电极，其特征在于，条形导体电极(3)为铜铂或铝铂电极。

3.根据权利要求1所述的月尘光电清除系统除尘电极，其特征在于，所述圆孔(4)的直径约为5mm。

4.根据权利要求1所述的月尘光电清除系统除尘电极，其特征在于，多个条形导体电极(3)的齿宽为1mm，齿缝宽1mm。

5.权利要求1所述月尘光电清除系统除尘电极的制作方法，其特征在于，制作方法的具体过程为：

步骤1、下层聚酰亚胺绝缘膜(2)选用镀铜聚酰亚胺薄膜；

步骤2、采用化学刻蚀方法在下层聚酰亚胺绝缘膜(2)蚀刻出与条形导体电极(3)匹配的形状；

步骤3、将条形导体电极(3)布置在下层聚酰亚胺绝缘膜(2)上；

步骤4、上层聚酰亚胺绝缘膜(1)选用带胶的聚酰亚胺绝缘膜；

步骤5、将上层聚酰亚胺绝缘膜(1)与下层聚酰亚胺绝缘膜(2)贴合；

步骤6、在上层聚酰亚胺绝缘膜(1)的一侧打一个能够裸露一部分条形导体电极(3)的圆孔(4)。

6.根据权利要求5所述的月尘光电清除系统除尘电极的制作方法，其特征在于，步骤1所述镀铜聚酰亚胺薄膜的厚度为10-50μm。

7.根据权利要求5所述的月尘光电清除系统除尘电极的制作方法，其特征在于，步骤4所述带胶的聚酰亚胺绝缘膜的厚度为20μm-50μm。

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