QK型石英晶体微量天平频温效应的初步研究

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1、航天器环境工程第28卷第4期QK型石英晶体微量天平频温效应的初步研究臧卫国，院小雪，于钱(北京卫星环境工程研究所n】．靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094)摘要：文章利用QK型石英晶体微量天平温度热效应模型，对其频温效应问题进行了分析，并通过温度一频率特性试验，对分析结果进行了验证。同时，为今后石英晶体微量天平的研制提出了建议．关键词：分子污染；真空热试验；石英晶体微量天平；热设计中图分类号：V416．5文献标识码：^文章编号：1673—1379(2011)04-0358-04DOI：103969／jism

2、1673—1379201l04．0100前言在进行航天器的真空热试验时，一般采用石英晶体微量天平(QCM)来全程监测关键位置的污染量，通过监测其振荡频率获得晶片表面污染沉积量的变化，为污染过程控制及评价提供依据⋯。由于QCM所用石英晶片振荡频率与晶片特性参数(密度和声速)有关，而晶片的特性参数与温度有关，因此晶片的振荡频率也与温度有关。在石英晶体微量天平所获得的频率变化数据中，不仅包含由于污染物增加或减少造成的频率变化，还包含由于晶片的温度变化造成的频率变化。后者将影响石英晶体微量天平的测量，增加后续数据判读的难度，

3、限制石英晶体微量天平的适应性。美国专门研制航天器用石英晶体微量天平的QCM公司从20世纪80年代就对石英晶体微量天平的频温效应开展研究，并进行了辐射补偿石英晶体微量天平的研制试验，将温变频差从数百Hz降低到几十H∥“。北京卫星环境工程研究所从20世纪90年代开始研制出0K型石英晶体微量天平，并对其温度．频率效应进行研究pj，在国内率先使用温控技术减少温度差异造成的频差，并广泛应用到航天器真空热试验中。lQK型石英晶体微量天平的结构及原理jE京卫星环境工程研究所研制的QK20A型石英晶体微量天平如图1所示。图1QK20

4、A型石英晶体微量天平Fig．1ThephotoofQK20AQCM该微量天平采用前后双晶片排列【4】，其内部晶片安装结构如图2所示。lj去兰i2外壳绝热垫；3外壳：4外壳崮定螺钉：5绝热器；6参考晶片保护环；7参考晶片底座；8参考晶片导热簧；9参考晶片；10加热器：II．温度传感器：12传感晶片底座；13传感晶片；14．传感晶片导热簧：I5传感晶片保护环：16组件固定螺钉图2QK型石英晶体微量天平内部晶片位置示意图Fig2SchematicdiagramoftheinnercrystalofQKQCM传感晶片和参考晶

5、片与各自的激励芯片分别构成振荡电路，振荡频率为混频差频输出，通过控制器进行数据采集。传感晶片暴露于污染环境，沉积污染物后频率变化；参考晶片不暴露于污染环境，晶片不出现表面附着物变化造成的频率变化。因此由两个晶片振收稿日期：2010—09．15；修回日期：2011-07．19基金项目：“十一五”国防基础科研项目(编号：D0320060537)作者简介：臧卫国(1962一)，男，高级工程师，专业方向为航天器污染检测与控制。E-mail：casc511@163com。荡频率之差，能够测量出污染量的大小。采用双晶片结构有两个

6、优点：一是通过差频将20MHz左右的信号转换成10kHz左右的信号，降低了频率采集的难度；二是两晶片具有相似的温度频率特性，当温度发生变化时，两个晶片的振荡频率都发生相似的变化，通过差频抵销，使得差频输出信号温度效应降低。2晶片热效应分析QK型石英晶体微量天平采用晶片纵向振荡模式，使晶片的上下两表面不能与其他物体相接触，只能沿晶片边缘狭小区域通过导热簧与晶片底座热接触，晶片的传热主要依靠与周围环境的辐射传热。晶片上不能贴装温度传感器和加热器，所谓的温度控制只能是对晶片底座的温度控制。由于晶片本身有一定的热容量，同时还

7、受到其他表面的辐射影响，因此晶片的温度与控温点的温度有一定的差异。2．1晶片谐振频率一温度关系晶片的振荡频率与温度成三次方的数学关系，其系数值与切割角有关【5】。QK型石英晶体微量天平所用的晶片，其温度一频率特性公式为等=c口-a1)仃一a2)(r—q)，(1)j式中：厂为晶片的基频，Hz；△厂为由于温度造成的频率变化量，Hz；T为晶片的温度，℃；C为与晶片相关的参数，1／。C；反1、仅2、a3为与晶片相关的参数，℃。对于35。18'AT切割，C=8．056x10‘5(1／℃)，风=108．5℃，％=26．0℃，a，

8、=一41．0℃。2．2晶片热效应分析模型简化假设天平内传感晶片和参考晶片所处的温度热环境比较复杂，其简化后的模型如下：1)温度传感器和加热器组成的控温组件，具有稳定的控制温度死，整个控温组件认定为一个温度，即控温组件内部和表面的各点之间的温度差为0；2)考虑到晶片底座与控温组件使用导热材料增强了导热能力，且晶片底座比较薄，可假设晶片底座各点的温