【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空间环境探测，具体涉及一种微型原子氧密度传感器。
技术介绍
1、作为低地球轨道(200～700km)上残余大气气氛的主要成分，原子氧是危害航天器空间环境安全及寿命的主要因素之一。虽然原子氧热能很低(-0.2ev)，但航天器～8km/s的相对运动速度可使撞击能量达5ev，进而对航天器表面材料造成严重的影响。对于太阳阵、柔性天线、热控多层等聚合物或复合结构材料，原子氧与材料表面发生氧化、剥蚀效应将引起材料力、热、光、电等性质的改变衰退，甚至导致材料失效，威胁低轨道航天器的安全运行。
2、在空间原子氧效应和航天器原子氧防护技术的研究中，对空间环境原子氧浓度或通量的精确探测尤为重要，不仅可为低地球轨道航天器原子氧防护设计提供关键数据支撑，也为原子氧地面模拟试验提供相应基准依据。因此，研究和发展空间原子氧探测技术，开展原子氧环境的实时在轨监测，是空间原子氧效应研究面临的最重要工作之一。
3、从上世纪七十年代开始，国内外便开始空间原子氧在轨探测技术研发，开发了包括质谱分析仪、样品回收法、石英晶体微天平、化学热探测法、电阻分析法、半导体探测法等多种探测方法。近些年来，受航天器轻质、小尺寸、低功耗、可在线监测等搭载要求推动，电阻型、半导体型原子氧传感器受到了广泛关注，并已成功实现在轨测试。其中，电阻型原子氧传感器如锇膜、银膜、碳膜、石墨烯等通过测量与原子氧反应氧化后电阻变化实现原子氧密度探测，其膜厚与灵敏度成反比，但与使用寿命成正比，两者存在相互制约，因此难以实现长期高灵敏度在轨监测。而以zno为代表的半导
4、因此，基于zno半导体薄膜原子氧传感器件在航天器在轨环境下的应用仍受诸多关键问题制约，如何设计一种灵敏度高、小尺寸、低功耗的原子氧密度传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中原子氧密度传感器存在的灵敏度低、寿命短、响应速率慢、功耗高的缺陷，从而提供一种灵敏度高、小尺寸、低功耗、可实现空间在轨高精度、长寿命的原子氧环境连续监测的原子氧密度传感器。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术提供一种微型原子氧密度传感器，包括基底、支撑层、下绝缘层、上绝缘层、加热及测温电阻薄膜、加热及测温引线窗口、传感电极和纳米氧化锌薄膜，
4、其中，所述基底上依次层叠设置所述支撑层、下绝缘层和上绝缘层；所述基底呈框状，与所述支撑层之间形成悬空支撑结构；所述下绝缘层和上绝缘层中包覆有所述加热及测温电阻薄膜，所述加热及测温引线窗口开设于所述上绝缘层中，并与所述加热及测温电阻薄膜的引出端相连；所述上绝缘层表面依次层叠设置所述传感电极和纳米氧化锌薄膜，所述传感电极与所述纳米氧化锌薄膜电连接。
5、进一步地，所述基底的材料为单晶硅、绝缘层上硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝中的一种；所述基底的厚度为0.2～0.5mm，所述基底外框的尺寸为2～10mm×2～10mm。
6、进一步地，所述基底选择soi衬底，所述soi衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，所述顶层硅即作为所述支撑层。
7、进一步地，所述底层硅厚度为200～500μm，所述埋氧层厚度为0.5～2μm，所述顶层硅厚度为2～60μm。
8、进一步地，所述基底选择单晶硅衬底，所述支撑层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅中的至少一种。
9、进一步地，所述单晶硅衬底的厚度为200～500μm，所述支撑层的厚度为0.4～20μm；当所述支撑层选择氮化硅、碳化硅或氧化硅时，所述支撑层同时作为下绝缘层。
10、进一步地，所述上绝缘层和下绝缘层的材料为氧化硅和/或氮化硅，厚度为50～500nm。
11、进一步地，所述传感电极图形化为叉指电极对。
12、进一步地，所述传感电极的引出端为至少两根，用于与原子氧传感电路连接。
13、进一步地，所述传感电极的材料为金或铂。
14、进一步地，所述加热及测温电阻薄膜图形化为蛇形或双螺旋形。
15、进一步地，所述加热及测温电阻薄膜的引出端为至少两根，用于与控温及测温电路连接，优选的，所述加热及测温电阻薄膜的引出端为四根，并分别与单个所述加热及测温引线窗口相连，实现四电极法下的高精度温度加载及测量。
16、进一步地，所述加热及测温电阻薄膜的材料为铂。
17、进一步地，所述纳米氧化锌薄膜为氧化锌纳米颗粒、纳米线、纳米柱、纳米片中的至少一种。
18、本专利技术技术方案，具有如下优点：
19、与目前采用半导体加热器结合热电偶测温的氧化锌半导体原子氧探测系统相比，本专利技术设计了高集成度微型原子氧密度传感器，利用基底和支撑层的结构设计在zno敏感薄膜区域形成超薄悬空支撑结构，结合加热及测温电阻薄膜，通过温度控制及测量元件及原子氧敏感元件的一体化集成，显著降低了器件尺寸及功耗，符合现阶段航天器载荷搭载的轻质低耗要求；此外，悬空支撑层加热区具有的低热质量及衬底大热沉效应特点，可大幅提高器件升降温速率进而使纳米氧化锌薄膜敏感元件可在传感-再生状态迅速切换，有利于提高加热再生型传感器件的检测精度。
20、针对磁控溅射、脉冲激光沉积等工艺制备的氧化锌薄膜致密度高、氧吸/脱附比表面积小、传感灵敏度低等问题，本专利技术通过采用纳米氧化锌薄膜，解决了半导体型器件在原子氧探测中高致密度n型半导体薄膜氧吸附、反应速率慢，灵敏度低等问题。
21、本专利技术利用纳米结构增强zno半导体薄膜原子氧传感灵敏度、高集成度微型传感mems器件设计降低系统尺寸及功耗等有益方案的结合，可实现空间原子氧密度的在轨连续监测，具有高灵敏度、高寿命、快速响应、小尺寸、低功耗等优点。该传感器可用于地面模拟设备原子氧密度和空间环境中的原子氧密度探测。
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1.一种微型原子氧密度传感器，其特征在于，包括基底、支撑层、下绝缘层、上绝缘层、加热及测温电阻薄膜、加热及测温引线窗口、传感电极和纳米氧化锌薄膜，
2.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述基底的材料为单晶硅、绝缘层上硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝中的一种；所述基底的厚度为0.2～0.5mm，所述基底外框的尺寸为2～10mm×2～10mm。
3.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述基底选择SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，所述顶层硅即作为所述支撑层。
4.根据权利要求3所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述底层硅厚度为200～500μm，所述埋氧层厚度为0.5～2μm，所述顶层硅厚度为2～60μm。
5.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述基底选择单晶硅衬底，所述支撑层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述单晶硅衬底的厚度为200～500μm，所述支撑层的厚度
7.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述上绝缘层和下绝缘层的材料为氧化硅和/或氮化硅，厚度为50～500nm。
8.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，
9.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，
10.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述纳米氧化锌薄膜为氧化锌纳米颗粒、纳米线、纳米柱、纳米片中的至少一种。
...【技术特征摘要】
1.一种微型原子氧密度传感器，其特征在于，包括基底、支撑层、下绝缘层、上绝缘层、加热及测温电阻薄膜、加热及测温引线窗口、传感电极和纳米氧化锌薄膜，
2.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述基底的材料为单晶硅、绝缘层上硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝中的一种；所述基底的厚度为0.2～0.5mm，所述基底外框的尺寸为2～10mm×2～10mm。
3.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述基底选择soi衬底，所述soi衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，所述顶层硅即作为所述支撑层。
4.根据权利要求3所述的微型原子氧密度传感器，其特征在于，所述底层硅厚度为200～500μm，所述埋氧层厚度为0.5～2μm，所述顶层硅厚度为2～60μm。
5.根据权利要求1所述的微型原子氧密度传...
【专利技术属性】
技术研发人员：马东锋，李中华，曹生珠，何延春，张凯峰，左华平，熊玉卿，李毅，成功，汪科良，冯兴国，高恒蛟，李得天，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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