8. Блокин-Мечталин Ю. К. Цифровые тензометрические преобразователи и системы // Датчики и системы. —
2009. — № 13. — С. 31—37.
9. Полупроводниковые тензодатчики / Под ред. М. Дина. — М.-Л.: "Энергия", 1965.
10. Блокин-Мечталин Ю. К. Многофункциональный измерительно-вычислительный и управляющий комплекс для экспериментальной аэродинамики // Датчики и системы. —
2010. — № 5. — С. 10—16.
11. Бромберг Э. М., Куликовский К. Л. Алгоритмические методы повышения точности информационно-измерительных систем // Измерение, контроль, автоматизация. — 1978. — № 4 (16). — С. 38—45.
12. Пат. РФ. № 2018173. Кл. 4782106/21. Измеритель частоты // — Бюл. — 1994. — № 15.
13. Блокин-Мечталин Ю. К., Власен-ко В. М., Матвиив В. И, Судаков В. А. Многоканальный аналого-цифровой измерительный преобразователь для магистрально-модульных систем // Измерительная техника. — 1991. — № 11. — С. 15—18.
14. Абашкин А. М., Бертынь В. Р., Бло-кин-Мечталин Ю. К. и др. Типовая методика выполнения измерений при определении распределения давления на моделях с применением коммутаторов пневмотрасс // Труды ЦИАМ. — 1989. — № 1258. — С. 189—206.
15. Вялков А. В., Зименков Е. В. Обзор методов и средств измерения давления // Труды ЦИАМ. — 1989. — № 1258. — С. 61—69.
16. Петроневич В. В., Блокин-Мечта-лин Ю. К., Савин П. В. и др. Комплексная автоматизация аэродинами-
ческого эксперимента в трансзвуковой аэродинамической трубе АДТ-106 // Датчики и системы. — 2010. — № 5. — С. 16—19. 17. Блокин-Мечталин Ю. К., Богданов В. В., Панченко И. Н. и др. Измерительно-вычислительная и управляющая система для определения центра масс и тензора инерции космических аппаратов // Датчики и системы. — 2010. — № 5. — С. 33—36.
Юрий Константинович Блокин-Мечта-лин — канд. техн. наук, нач. отдела Центрального аэрогидродинамического института им. профессора Н. Е. Жуковского, доцент.
S (495) 556-32-77
E-mail: mera@tsagi.ru □
УДК 681.586.772:629.78
КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ МИКРОМЕТЕОРОИДОВ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
Н. Д. Семкин, А. М. Телегин, К. Е. Воронов
Рассмотрена технология изготовления конденсаторных детекторов микрометеороидов на основе органических пленок (полиметилметакрилата). Приведены физические характеристики разработанных детекторов и виды их реализации, показана возможность их использования в натурных условиях.
Ключевые слова: детектор микрометеороидов, технология органических пленок, физико-математическая модель.
ВВЕДЕНИЕ
Важную роль в обеспечении длительной работы космических аппаратов (КА) играет стойкость их конструкционных материалов и электронных элементов бортового оборудования к воздействию факторов космического пространства (ФКП), среди которых важную роль играют микрометеорои-ды и частицы космического мусора [1]. Такие частицы являются сложным объектом исследования с точки зрения регистрации и оценки их параметров, поэтому для безотказной работы КА необходима надежная датчиковая аппаратура.
При исследовании и разработке бортовых детекторов микрометеороидов требуется аппаратура, преобразующая ударные воздействия и связанные с ними параметры частицы в электрические сигналы. В качестве детектора в такой аппаратуре используется МДМ-структура, состоящая из верхней металлической обкладки, диэлектрика, нижней металлической обкладки и регистратора.
При толщине верхней обкладки, большей размера частицы, кратер при ударе механически не разрушает материал диэлектрика, но ударная волна в результате сжатия и последующего нагрева приводит к кратковременному увеличению его проводимости. При этом предварительно заряженный конденсатор частично разряжается через канал проводимости. Измеряя остаточное напряжение на конденсаторе можно оценить интенсивность ударной волны и, следовательно, параметры частицы.
Детекторы, основанные на использовании пленочных МДМ-структур, нанесенных на какие-либо мишени, легко сочетаются с другими устройствами, основанными, например, на пьезоэффек-те, ударной вспышке и ионизации и т. д. Такое совместное сочетание устройств, основанных на различных физических эффектах, объединенных в едином конструктивном исполнении, позволяют повысить надежность аппаратуры в условиях ФКП. Проведенные космические эксперименты с
18
Sensors & Systems • № 7.2011
детекторами на основе совмещенных пленочных МДМ-структур с люминесцентными и ионизационными датчиками позволили измерить скорость и массу микрометеороидов и частиц космического мусора.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНОК
Проведенные авторами исследования в области технологии получения тонких пленок на больших площадях (300...500 см2 и более) из неорганических материалов ^еО, 5Ю2, окислов редкоземельных элементов) не дали положительных результатов в связи с наличием самопроизвольных разрядов даже при малых напряжениях (20 В), подаваемых на структуру металл—диэлектрик-металл. Это связано с наличием многочисленных дефектов пористой структуры диэлектрика. Применение таких пленок в качестве детектора мик-рометеороидов практически невозможно. Кроме того, при больших температурах наблюдаются многочисленные пробои.
В данной работе исследуется возможность получения качественных пленок из органических диэлектриков (например, полиметилметакрилата, полиорганосилоксана). Для этого разработана экспериментальная установка, в которой реализуется метод полимеризации мономеров в высокочастотном разряде.
На рис. 1 показана схема экспериментальной установки.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для получения органических пленок:
1 — измеритель тока плазмы; 2 — датчик термопарный; 3 — измеритель вакуума; 4 — датчик ионизационный; 5 — диффузионный насос; 6 — вакуумные вентили; 7 — форвакуумный насос; 8 — пробирка с мономером; 9 — стеклянный колпак; 10 — металлические мишени; 11 — основание из оргстекла; 12 — ультразвуковой генератор
мА
Рис. 2. Зависимость сквозного тока между двумя электродами (/пл) при иГ = 1,5...2 кВ, / = 10...30 кГц
Процесс полимеризации проводится следующим образом. Устанавливаются две полированные медные пластины 10 в вакуумную камеру, на которые предполагается нанесение диэлектрической пленки. Откачивается воздух из вакуумной камеры с помощью форвакуумного насоса 7, затем диффузионного насоса 5. Переключение осуществляется вакуумными вентилями 6. Степень вакуума контролируется с помощью термопарного и ионизационного датчиков 2, 4, соединенных с вакуумметром 3. При достижении вакуума ~6,7-10-3 Па вентилем 6 отключают диффузионный насос, а дальнейшая откачка осуществляется форвакуумным насосом. При достижении в камере степени разряжения порядка 1,3...6,7 Па подается напряжение ~ 1,5 кВ от генератора 12 и из пробирки 8 производят напуск мономера (в частности полиметилметакрилата) в вакуумную камеру. Регулированием степени вакуума и скорости напуска мономера достигают возникновения плазмы между пластинами, при этом ток через плазменный промежуток контролируется измерителем 8 на уровне ~ 15...20 мА. В результате процесса полимеризации полиметилметакрилата на пластинах 10 образуется пленка. Толщина пленки определялась с помощью измерителя толщины типа МИИ-4.
Качество пленки зависит от совокупного действия следующих параметров: напряжения генератора и его частоты, степени вакуума, скорости напуска мономера. В процессе проведения полимеризации управляют двумя параметрами — степенью вакуума и напуском мономера. Необходимо поддерживать постоянную концентрацию частиц в плазме, которая контролируется с помощью измерителя тока 1. При величине тока более 30 мА (рис. 2) происходит разогрев поверхностей пластин 10, развиваются процессы деструкции, в результате чего пленка теряет эластичность, шелушится и отслаивается от подложки,
Рис. 3. Зависимость толщины диэлектрика пленки от времени процесса полимеризации:
1 — при токе 1пл = 30 мА, 2 — при токе 1пл = 10 мА
ры "тренируют". Так, при и > 120 В после тренировки конденсатора самопроизвольные разряды прекращаются и конденсаторы испытываются на отсутствие (или присутствие) разрядов во времени на воздухе и в вакууме при различных температурах. На рис. 4 приведены экспериментальные зависимости числа пробоев от времени на воздухе и в вакууме при различных температурах и напряжении на конденсаторе.
Важным для использования конденсаторов в качестве детектора микрометеороидов является наличие минимума их тока утечки (сквозного тока), большая величина которого ограничивает чувствительность детектора к ударному воздействию частиц.
На рис. 5, 6 изображены зависимости сквозного тока 1С от напряжения на конденсаторе (рис. 5) и температуры (рис. 6) в том числе и в диапазоне 0...—120 В. В парах азота устанавливалась необходимая температура и измерялась градусником
Рис. 4. Зависимость числа пробоев Лр от времени:
1 — на воздухе при давлении р = 760 мм рт. ст.; 2 — в вакууме при давлении р = 1,33-10—3 Па, Т = 100 °С и напряжении на конденсаторе ис = 100...120В; 3 — при Т = 60 °С, ис = 30 В,
р = 1,33-10-3 Па
т. е. становится неживой и теряет чувствительность к ударному воздействию. С другой стороны при I < 5...10 мА концентрация заряженных частиц в плазме мала и процесс полимеризации нестабилен, в результате чего в полученных пленках наблюдается множество самопроизвольных пробоев. На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости толщины к диэлектрической пленки от времени процесса полимеризации при различных значениях тока плазмы. При к < 0,3...0,5 мкм на число самопроизвольных пробоев влияет шероховатость поверхности мишени (нижняя обкладка конденсатора).
После нанесения на диэлектрические пленки верхней обкладки (например, алюминия) производят испытание полученного конденсатора путем подачи на него различных напряжений (постоянного и импульсного) для улучшения качества диэлектрической пленки. Имеющиеся различные дефекты "выгорают" под воздействием напряжений. Многократным повтором воздействия постоянных и импульсных напряжений конденсато-
Рис. 5. Экспериментальные зависимости сквозного тока от напряжения на конденсаторе при Т = 20 °С и £с = 120 см2:
1 — Ад = 0,3...0,4 мкм; 2 — ка = 0,8...1 мкм
Рис. 6. Эксперимент
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.