探测微小空间碎片的MOS电容传感器设计研究

何正文 张明磊 向宏文 吴中祥 王金延

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 北京大学微电子研究所，北京 100871）

1 引言

航天活动对人类生活方式产生重要影响，人类对宇宙空间的认识也越来越深入，但与此同时人类在地球空间制造的空间垃圾（即空间碎片）也在不断地增加。空间碎片对在轨航天器安全运行构成威胁，其中微小空间碎片（μm 量级）由于其数量众多、空间密度大，与航天器碰撞的频率非常高，其累积效应也会对航天器表面材料和器件的性能产生影响［1］。由于微小空间碎片无法从地面进行探测和观测［2］，开展在轨探测微小空间碎片是获取在轨数据、深入了解微小空间碎片环境的唯一手段。

空间微小碎片在轨探测方法可分为被动探测和主动探测。被动探测方法是通过回收航天器表面材料，分析空间碎片撞击材料的表面状况，以获得空间碎片在轨信息；主动探测方法是在航天器外表面安装探测器，探测器将空间碎片撞击过程的力、热和电磁效应转化为可测量的电信号，以获得撞击事件的时间、位置以及空间碎片的质量、速度等信息。采用MOS电容传感器（以下简称传感器）的微小空间碎片（μm 量级）探测技术，由于其设计简单、占用资源少，已应用到“长期暴露设施”（LDEF）、“微流星体技术卫星”（MTS）及“国际空间站”（ISS）上，获得了一批探测数据［3］。“行星际微尘试验”（IDE）中的MOS电容型探测器［4］，由459个传感器组成，分别安装在六个面上，各面向不同的方向，每个传感器直径为50mm，整个探测区域大约为1m2。“在轨微流星体与空间碎片计数器”（Orbiting Meteoroid and Debris Counter，OMDC）［5］在航天器表面上共安装了54个传感器，传感器为38mm×76mm的长方形，厚度为0．3mm，所能测量的最小碎片直径为0．5μm，OMDC在轨运行了95 天，共记录了75 个碰撞事件，其中35个有准确的碰撞时间，撞击事件均匀地分布在整个轨道空间。

20世纪90年代开始利用MOS电容传感器进行在轨微小碎片和微流星体通量的测量，此技术经多次空间飞行，日趋成熟。本文以载人航天器典型低地球轨道上的微小空间碎片为测量对象，开展了在轨探测微小碎片的MOS电容传感器原理样片设计，并对其初步进行了地面高速撞击试验，以验证其设计的可行性。

2 低地球轨道微小空间碎片环境

空间碎片的尺寸可跨越7个数量级，空间碎片的通量随其尺寸增大急剧降低，在高度为400km的圆轨道上，直径10μm 以上的空间碎片通量可达到每年103m-2的量级，而直径1m 以上的空间碎片通量降到每年10-7m-2的量级。

利用由欧洲航天局支持的空间系统研究所（Institute of Aerospace Systems，ILR）开发的MASTER2005模型（ESA’s Meteoroid and Space Debris Terrestial Envionment Reference Model）分析低地球轨道（高度400km，倾角42°）上微小空间碎片（含微流星体）环境，其中设定空间碎片的平均密度为2．8g／cm3；低地球轨道上3年的空间碎片积分通量及随碎片尺寸的变化见图1，结果表明，对于直径分布为1～1000μm 空间碎片的在轨积分通量为每年4．31×103m-2。

图1 微小空间碎片积分通量及其随碎片直径的变化Fig．1 Flux with diameter of micro debris

3 MOS电容传感器的原理

该型传感器具有结构简单、不易受环境影响等优点，适合于作为在轨微小碎片撞击计数测量的传感器。

传感器测量微小空间碎片原理如图2所示，传感器在电路上等效为一个电容；上下表面为铝电极，中间SiO2层（氧化层）为电介质层，衬底为Si材料；在电容两极加适当电压后，在超高速微小空间碎片（1～100μm）的撞击时，会产生微米到几十微米量级的深坑，同时会导致电容两极瞬间短路，将电容两极上的电荷中和，产生放电电流，在分压电阻上产生μs量级宽度的放电电压脉冲信号；随后电容两极快速恢复开路状态，直流电源通过充电电阻对传感器充电，在分压电阻上产生充电电压脉冲信号，充电电压脉冲信号宽度由充电电阻和电容组成电路的RC常数决定，一般为ms量级。因此利用加直流电压的传感器，通过测量其充电电压脉冲信号就可记录撞击事件，从而获得超高速微小碎片的通量［6］。

图2 MOS电容传感器被撞击测量原理Fig．2 Principle diagram of MOS capacitor sensor

为分析传感器灵敏度，采用超高速撞击方程［7］进行超高速粒子撞击深度分析，有

式中：p为靶上的撞击坑深度（cm）；d为入射高速粒子直径（cm）；BH为靶材料布氏硬度；ρp为靶材料密度（g／cm3）；ρt为入射粒子材料密度（g／cm3）；Vn为相对于靶的入射粒子速度（km／s）；C为靶材料声速（km／s）。

当高速入射粒子微粒穿透传感器的氧化层（SiO2），加直流电压的传感器上才会发生放电和充电过程，进而测量到撞击事件；即氧化层（SiO2）厚度与传感器所测量空间微小碎片的灵敏度相关，利用式（1）计算高速微粒在传感器撞击坑深度，其结果见图3；对于入射铝粒子直径为1μm、速度大于4．5km／s时，可以穿透1．0μm 厚度的硅氧化层；对于入射粒子直径为2μm，其速度大于2．0km／s时，可以穿透1．21μm 厚度的硅氧化层。

图3 不同速度和直径的超高速铝微粒撞击传感器的撞击坑深度Fig．3 Depth of impact hole on MOS capacitor sensor by aluminum hypervelocity particles

传感器的灵敏度除与氧化层厚度相关外，还与电极的材料和厚度、所加偏压相关，参考图3中的数据，对其主要参数要求如下：

选定氧化层厚度为1μm，可测量到速度大于4．5km／s、直径大于1μm 的微小空间碎片粒子撞击。

电极厚度远小于氧化层厚度，以降低电极对微小空间碎片阻挡的影响，电极选用铝材料，厚度不大于0．1μm。

考虑空间辐射环境对传感器漏电流以及氧化层介电强度的影响［8］，氧化层（SiO2）施加电场要远小于介电强度（5×106V／cm）［9］，对于1μm 厚度氧化层（SiO2），传感器施加60V 电压。

撞击后通过1 MΩ 电阻的充电电流按指数规律减小，平均为10μA 量级，要求漏电流要低于充电电流的10%。

综上分析，对于测量1 ～100μm 的微小空间碎片所使用的传感器的技术指标确定为：

（1）氧化层（SiO2）厚度1．0μm；

（2）栅金属电极材料及厚度0．1μm（铝）；

（3）漏电流小于10nA／cm2；

（4）击穿电压大于120V；

（5）传感器直径大于50mm。

在轨微小空间碎片测量中，大于100μm 尺寸空间碎片撞击到直径为厘米量级传感器的平均概率低于10-3次／年（400km 高度圆轨道），因此可忽略大尺寸空间碎片撞击对传感器的影响；而微小空间碎片撞击传感器形成直径10μm 量级的撞击坑，相对于直径厘米量级的传感器而言，其电容值的变化极小，对传感器电性能及输出电压脉冲信号的影响可忽略。

4 MOS电容传感器原理样片研制

原理样片结构设计见图4，它由一个硅片基底、镀铝的表面电极（阳极）、镀铝的底层电极（阴极）和固定硅片的印制电路板组成。

图4 MOS电容传感器结构示意图Fig．4 Structure diagram of MOS capacitor sensor

样片材料为P型硅片，电阻率为0．01 Wcm，单面抛光，研制采用适应性改进的微电子器件生产工艺，工艺过程如下：

（1）硅片清洗：湿法清洗（RCA），电离水清洗再烘干；

（2）硅片双面热氧化形成电容的电介质：热氧化采用“干-湿-干”氧化；

（3）去掉没有抛光一面的部分氧化层，正电极与硅片形成欧姆接触；

（4）铝材料通过化学气相（CVD）沉积在硅片表面，气化顶部和底部的金属形成电容的两个电极；

（5）硅片在200 ℃温度下的氮气中封装。

原理样片通过环氧树脂将传感器敏感区硅片固定在印制电路板上，其两个电极采用银浆和压焊丝固定在电路板上并用环氧胶固定。

研制的MOS 电容传感器原理样片如图5 所示。直径为50mm，其测量灵敏面积为1962mm2，厚度为300μm，氧化层厚度为1．0μm，电极为0．1μm厚的铝质材料；经测试原理样片漏电流为5．0nA／cm2，击穿电压为250V，达到设计指标。

传感器的等效电容可近似为平板电容：

式中：ε0为真空电常数，8．854×10-12F／m；εr为氧化层（SiO2）相对介电常数，取3．9；S为平板面积（m2）；dt为电容极板间距（m）。C计算值为66．7nF，实际测量值为65nF。

图5 原理样片Fig．5 Photo of MOS capacitor sensor

传感器工作时所加电压为60V，微小空间碎片撞击后由于1 MΩ 充电电阻限流作用（见图2），流过传感器的电流最大值约为60μA，并按指数规律下降，充电的时间常数为66．7ms，单个传感器的静态功耗不大于0．01 W。

根据空间碎片的在轨积分通量分析结果，在高度400km 的载人航天器轨道上的微小碎片的积分通量为每年4．311×103m-2，单个原理样片预计可测量到的微小碎片数量为每年8．46个。

5 MOS电容传感器地面高速撞击试验

初步开展地面高速撞击试验的目的是：通过地面高速粒子模拟空间微小碎片撞击原理样片，测量传感器输出的充电电压脉冲信号，对传感器在轨测量微小空间碎片的功能进行验证。

哈尔滨工业大学建成的粉尘静电加速器（图6），能将1～10μm 的铝粉尘加速至1～15km／s［9］，加速器产生的高速微小铝粉尘，撞击到加直流电压的原理样片上，同时用存储示波器实时记录传感器的输出充电电压脉冲信号，即可记录撞击事件。

图6 粉尘静电加速器及超高速撞击靶室Fig．6 Scheme of electrostatic accelerator and its impacting room

试验中采用7．5μm 铝粉尘，铝粉尘的典型形貌见图7［9］。撞击试验原理见图8，直流电源通过充电电阻（1 MΩ）为传感器施加-60V 的电压，加速器产生的高速铝粉尘撞击到靶室中的原理样片时，原理样片的充电电流在测量电阻上产生电压脉冲信号，由示波器记录，测量电压脉冲信号。

图7 铝粉尘粒子的形貌图（标称直径为7．5μm）Fig．7 Morphology of the aluminum microparticles

图8 地面高速粒子撞击试验原理图Fig．8 Schematic of hypervelocity impacting MOS capacitor sensor

高速铝粉尘撞击原理样片时，传感器输出的充电电压脉冲信号见图9，上升线为原理样片被高速铝粉尘击穿时瞬间的信号，下降线为直流电源通过充电电阻对原理样片充电的信号波形，脉冲信号半宽度约为60ms，幅度为4．5V。

图9 撞击后传感器放大输出信号（时间为100ms／格，幅度为1．0V／格）Fig．9 Output signal diagram of MOS capacitor sensor after impacting

传感器输出电压信号幅度与传感器所加电压相关，随着所加电压的降低，其输出信号幅度降低，但其信号的宽度不变，输出信号幅度随所加电压的变化可以用线性关系表示，如图10所示。

试验中，原理样片放置在真空度优于10-1Pa的真空环境中，对测试设备和测试电缆进行屏蔽，减小了粉尘静电加速器运行过程中对测试设备的干扰。

通过高速铝粉尘撞击模拟试验，获得了有效的电路参数，包括传感器偏置电压，传感器输出脉冲宽度、幅度，验证了传感器测量微小空间碎片撞击事件的原理和可行性，也为微小空间碎片探测器的电信号处理电路设计提供了依据。

图10 传感器输出电压信号幅度与传感器所加电压关系Fig．10 Signal amplitude vs detector bias voltage for 1μm dielectric（SiO2）thickness

6 结束语

本文开展了基于MOS电容传感器的微小空间碎片在轨探测技术研究，研制了原理样片，达到的技术指标为：测量面积为1962mm2；氧化层（SiO2）厚度为1．0μm；栅金属电极厚度为0．1μm（铝）；硅片厚度不小于300μm；漏电流5nA／cm2；击穿电压250V。

结合国内航天工程对微小空间碎片在轨探测的需求，对MOS电容传感器设计进行了分析说明，以国内现有的条件，初步开展了地面高速铝粉尘撞击模拟试验，获得了高速撞击时原理样片产生的电压脉冲信号，验证了利用MOS电容传感器开展在轨微小空间碎片撞击测量的可行性。

MOS电容型微小碎片探测器的关键部件是传感器，在原理样片研制的基础上，后续工作还须开展探测器的工程设计，包括采用多个传感器组成的阵列探头设计，以提高可测量微小碎片数量；进行探测器的空间环境防护设计，避免在轨因空间环境影响产生的测量错误；进行热设计和抗力学设计，确保传感器在轨功能、性能正常，以及进一步开展地面标定试验方案研究，提高在轨数据有效性等；为MOS电容型探测器在载人飞船等低轨航天器上的应用奠定基础。

（References）

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Dong Shangli，Liu Hai，Lu Gang，et al．Investigation of effects of hypervelocity impact of space dust on optical components［J］．Spacecraft Environment Engineering，2006，23（4）：205-209（in Chinese）