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基于薄膜技术的星用微型热控百叶窗研究

基于薄膜技术的星用微型热控百叶窗研究

作者：曹生珠兰州大学

学位级别：硕士

卫星热控制技术就是控制卫星内部及外部环境热交换过程,使其热平衡温度处于要求范围内的技术,是航天技术的重要组成部分。微纳卫星由于其功率密度高、自身热容小,卫星轨道、姿态以及有效载荷工作状态等各方面的变化都会对整星温度造成... 详细信息

卫星热控制技术就是控制卫星内部及外部环境热交换过程,使其热平衡温度处于要求范围内的技术,是航天技术的重要组成部分。微纳卫星由于其功率密度高、自身热容小,卫星轨道、姿态以及有效载荷工作状态等各方面的变化都会对整星温度造成较大波动,且极易过冲,迫切需要具有较强主动调节能力的热控技术根据卫星热环境对整星温度进行实时控制。传统热控百叶窗是目前具有较强调节能力的航天器主动热控技术,然而由于其重达十几kg的重量、几乎与整星尺寸相当的体积、具有较大延迟且无法与控制系统相集成的记忆合金驱动方式等诸多问题,导致其无法满足微纳卫星主动热控的应用需求。基于薄膜和微加工技术的微型热控百叶窗具有热控调节范围大、轻小、低功耗、响应速度快、易于热控管理系统集成等诸多优势,非常适合于微纳卫星热控应用。是目前航天器主动热控技术研究的前沿。然而国内外近年来开展的微纳卫星主动热控用微型热控百叶窗的研究都是以传统的硅基MEMS微加工工艺为基础,采用静电梳齿电机驱动的滑移式结构。这种设计和工艺都比较成熟,但是受结构原理性限制,其最大当量发射率调节范围不会超过0.5,一般都在0.3左右。此外,脆硬的硅基材料对于震动等工作环境较为苛刻的微型热控百叶窗空间应用而言,并不是最佳材料。本文首次提出了一种基于非硅基材料、采用薄膜制备和紫外准分子激光微加工作为主要工艺、以具有较大调节范围的扭梁式微百叶窗为主要结构的微型热控百叶窗,具有较强的创新性,开展了扭梁式微型热控百叶窗设计和制造技术的系统性研究,为我国微纳卫星主动热控技术发展提供了有益的探索。论文围绕微型热控百叶窗的研制,开展了微型热控百叶窗总体结构设计、材料选取、驱动方式选择和工艺设计,建立了扭梁式微型热控百叶窗物理模型,并进行了机电特性的理论分析计算和软件仿真模拟,确定了驱动电压与微窗结构尺寸之间的影响关系,为后续样件单元微结构设计和制作提供了参考。在此基础上开展了微型热控百叶窗制造技术研究,采用浸渍提拉法解决了大面积、超薄悬空薄膜制备,获得了平均膜厚5μm的悬空薄膜,是本文的创新点之一,该技术可为其它相关类型的超薄悬空薄膜的制备提供技术参考。利用优化气压等薄膜沉积参数和快速退火的方法,解决了在超薄悬空窗叶薄膜上制备功能层时因应力而导致的窗叶薄膜变形问题。分析确定了最佳的刻蚀激光光源,优化了激光刻蚀参数。研制了微型热控百叶窗原理样件并对驱动电压、当量发射率变化量等主要性能指标进行了测试,测试结果表明器件当量发射率变化量为0.43,是口前微型热控百叶窗研制文献报道中最大的。但是器件驱动电压较高且离散性较大,为360V-922V,需要进一步对设计和工艺进行优化和改进,从而为后续型号工程样件的研制奠定技术基础。

关键词：微纳卫星卫星热控制微型热控百叶窗

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晶界对金刚石紫外探测器时间响应性能的影响

物理学报 2012年第3期61卷 474-480页

作者：王兰喜陈学康吴敢曹生珠尚凯文兰州物理研究所表面工程技术重点实验室兰州730000

持续光电导现象是影响多晶金刚石紫外探测器时间响应性能的一个不利因素,它的存在会大大延长探测器的响应时间.本文在微米晶金刚石薄膜上制备了叉指电极间距分别为20μm和30μm的紫外探测器(分别称为器件A和器件B),讨论了晶界对多晶金... 详细信息

持续光电导现象是影响多晶金刚石紫外探测器时间响应性能的一个不利因素,它的存在会大大延长探测器的响应时间.本文在微米晶金刚石薄膜上制备了叉指电极间距分别为20μm和30μm的紫外探测器(分别称为器件A和器件B),讨论了晶界对多晶金刚石紫外探测器时间响应性能的影响.结果表明,器件A和器件B均表现出持续光电导和光电导增益现象,并且器件B比器件A更显著.分析得出,晶界缺陷可能在金刚石带隙中引入一个浅能级并起少数载流子陷阱中心的作用,导致了探测器的持续光电导现象和高增益.相比器件A,器件B电极间具有更多的晶界数量,因此器件B表现出更为显著的持续光电导和更高的光电导增益.

关键词：金刚石紫外探测器晶界缺陷持续光电导光电导增益

MEMS器件真空封装用非蒸散型吸气剂薄膜研究概述

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材料导报 2019年第3期33卷 438-443页

作者：周超李得天周晖张凯锋曹生珠兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

MEMS器件是机械电子系统未来的发展趋势。许多MEMS器件需要进行真空封装,从最大程度地减少残余气体,且真空封装水平的高低决定了器件的性能优劣甚至决定器件能否正常工作。常规的MEMS器件封装是在真空腔内放置块体吸气剂,占空间且容易... 详细信息

MEMS器件是机械电子系统未来的发展趋势。许多MEMS器件需要进行真空封装,从最大程度地减少残余气体,且真空封装水平的高低决定了器件的性能优劣甚至决定器件能否正常工作。常规的MEMS器件封装是在真空腔内放置块体吸气剂,占空间且容易产生微小颗粒污染。在器件的真空腔室内镀上吸气剂薄膜,吸气剂薄膜在器件高温键合的同时被激活,就可在后期维持真空腔内的真空度。非蒸散型吸气剂薄膜激活后在室温下即具有优异的吸气性能,应用于MEMS器件真空封装可以提高器件的寿命和可靠性。目前,提高非蒸散型吸气剂薄膜的吸气性能,降低其激活温度是国内外研究的焦点。本文简要介绍了非蒸散型吸气剂薄膜的吸气原理,从膜系材料和制备技术两方面分析了国内外研究现状。在膜材料方面,目前采用ⅣB族+ⅤB族组合的三元合金作为非蒸散型吸气剂薄膜的膜系材料。另外,在材料中掺入Fe、稀土元素等进行薄膜结构的修饰也是较常用的手段。值得指出的是,TiZrV合金薄膜是兼具较好的吸气性能和最低激活温度的非蒸散型吸气剂(NEG)薄膜。在制备技术方面,MEMS器件用非蒸散型吸气剂薄膜一般采用磁控溅射镀膜,磁控溅射镀膜工艺的关键是制备出柱状的纳米晶结构,该结构存在大量的晶界,可促进原子的扩散,降低激活温度。磁控溅射镀膜工艺的研究围绕靶材选择、基片温度、溅射电压、溅射气氛等。探索综合性能更优的新型材料体系和增大薄膜的比表面积仍然是目前非蒸散型吸气剂薄膜研究的关键。本文最后对非蒸散型吸气剂薄膜的研究趋势进行了展望,指出加入调节层的双层膜的激活性能和吸气性能优于单层膜,但调控机理有待明确,今后可以在TiZrV薄膜研究的基础上进一步进行双层薄膜的研究,也可横向拓展进行新型薄膜体系,如ZrCoRE等新型合金薄膜的研究。

关键词： MEMS真空封装非蒸散型吸气剂薄膜吸气机理 TiZrV薄膜磁控溅射

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微型星用可变辐射器

真空科学与技术学报 2013年第8期33卷 751-754页

作者：曹生珠陈学康王熙元韩闯杨建平兰州空间技术物理研究所表面工程技术重点实验室兰州730000 兰州大学物理科学与技术学院兰州730000

微型星用热开关辐射器因其辐射能力可根据需要主动调节,整体采用薄膜和微结构制造,具有轻小、低功耗等的特点,非常适合于微/纳卫星热控应用。国外同类器件主要采用硅工艺制作,由于材料和工艺限制,器件热性能较差。本文提出了一种基于激... 详细信息

微型星用热开关辐射器因其辐射能力可根据需要主动调节,整体采用薄膜和微结构制造,具有轻小、低功耗等的特点,非常适合于微/纳卫星热控应用。国外同类器件主要采用硅工艺制作,由于材料和工艺限制,器件热性能较差。本文提出了一种基于激光微加工技术,采用聚酰亚胺作为结构材料的微型星用热开关辐射器,介绍了器件的工作原理,对器件结构和热性能进行了理论分析,确定了影响器件性能的主要因素。然后采用紫外激光微加工、浸渍提拉法和磁控溅射薄膜沉积等技术制作了微型热开关辐射器样件,并进行了驱动电压和性能测试。测试结果表明,样件驱动电压为97 V,辐射功率调节量约为0.1W。最后对测试结果进行了分析和讨论,提出了改进方案。

关键词：热控制可变辐射器微加工微纳卫星

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增强宽波段广角度减反射的类锥结构设计分析

中国激光 2023年第5期50卷 192-201页

作者：尹靖博颜黄苹曹生珠周锐王子俊李远哲厦门大学航空航天学院福建厦门361005 厦门大学深圳研究院广东深圳518000 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室甘肃兰州730000

在宽波段内减少反射以提高透射或吸收对于提高光学元件及光电子器件的性能至关重要。受自然启发,亚波长结构具有良好的宽带减反射性能。基于此,提出了一种新型的类锥亚波长结构以增强宽波段减反射。采用等效介质理论与时域有限差分法,... 详细信息

在宽波段内减少反射以提高透射或吸收对于提高光学元件及光电子器件的性能至关重要。受自然启发,亚波长结构具有良好的宽带减反射性能。基于此,提出了一种新型的类锥亚波长结构以增强宽波段减反射。采用等效介质理论与时域有限差分法,对基底表面亚波长结构的等效折射率与减反射能力的关系进行了分析。通过对比蛾眼、圆锥及圆柱等不同结构的等效折射率对应的宽波段减反射性能,发现两种介质之间的等效折射率线性过渡无突变时减反射能力更优。以此提出了一种类锥结构设计方法,将该方法设计的三种结构与蛾眼结构在300~1100 nm波段进行了垂直入射下的表面反射率仿真分析,结果显示,该系列结构的平均反射率比蛾眼结构降低了约70%。此外,在可见光、近红外波段选取两个特征波长进行了宽角度(0~60°)下的反射率研究,结果表明,该系列结构的宽角度平均反射率均低于蛾眼结构,其中四棱类锥结构在两个特征波长下的平均反射率比蛾眼结构分别降低了62%和40%。采用此方法设计的系列结构比普通亚波长结构具有更佳的减反射效果,在超精密光学芯片、片上光集成、片上光互连等领域中具有潜在的应用前景。

关键词：光学设计减反射亚波长结构等效折射率时域有限差分法

金属薄膜/有机材料基体系激光刻蚀研究(英文)

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稀有金属材料与工程 2013年第S2期42卷 240-242页

作者：王瑞陈学康任妮吴敢杨建平曹生珠兰州空间技术物理研究所表面工程技术重点实验室甘肃兰州730000

激光刻蚀技术用于卫星天线的制造,用于刻蚀由不同材料体系组成天线表面的金属薄膜,由于金属、有机材料各层对激光的热和光物理特性存在很大的差异,因而每层材料的物理特性对激光刻蚀的结果产生影响。基于在多层材料表面金属薄膜激光刻... 详细信息

激光刻蚀技术用于卫星天线的制造,用于刻蚀由不同材料体系组成天线表面的金属薄膜,由于金属、有机材料各层对激光的热和光物理特性存在很大的差异,因而每层材料的物理特性对激光刻蚀的结果产生影响。基于在多层材料表面金属薄膜激光刻蚀的物理机制,通过讨论和分析实验结果,发现激光刻蚀的物理过程主要受有机材料和金属薄膜之间界面效应的影响,为获得锐利和对有机材料无损伤的刻蚀效果,在金属薄膜和有机材料之间增加厚度约为200 nm的Cr过渡层可提高激光刻蚀的质量,而界面处的有机过渡层应选择对刻蚀激光波长高透过率的材料。

关键词：激光刻蚀界面效应金属薄膜过渡层

晶界对AlGaN薄膜紫外探测器时间响应特性的影响

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半导体光电 2010年第1期31卷 55-59页

作者：王兰喜陈学康王瑞曹生珠兰州物理研究所表面工程技术国家级重点实验室兰州730000

持续光电导(PPC)现象是影响AlxGa1-xN薄膜紫外探测器探测快速变化信号的一个不利因素,它的存在会大大延长探测器的响应时间。文章讨论了晶界对AlxGa1-xN薄膜紫外探测器时间响应性能的影响。实验结果表明,制作在高晶界密度薄膜上的紫外... 详细信息

持续光电导(PPC)现象是影响AlxGa1-xN薄膜紫外探测器探测快速变化信号的一个不利因素,它的存在会大大延长探测器的响应时间。文章讨论了晶界对AlxGa1-xN薄膜紫外探测器时间响应性能的影响。实验结果表明,制作在高晶界密度薄膜上的紫外探测器表现出显著的PPC现象,而制作在低晶界密度薄膜上的紫外探测器则具有较快的时间响应,PPC现象明显减弱。这表明存在于晶界的缺陷可能是导致PPC现象的主要原因。通过提高薄膜结晶质量、降低薄膜晶界密度,可大大改善探测器的时间响应特性。

关键词： AlGaN薄膜紫外探测器时间响应陷阱效应晶界

基于紫外激光微加工的微型可变辐射器(英文)

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稀有金属材料与工程 2013年第S2期42卷 38-40页

作者：曹生珠王熙元韩闯杨建平陈学康表面工程技术重点实验室甘肃兰州730000

微型星用热开关辐射器因其辐射能力可根据需要主动调节,整体采用薄膜和微结构制造,具有轻小、低功耗等的特点,非常适合于微/纳卫星热控应用。国外同类器件主要采用硅工艺制作,由于材料和工艺限制,器件热性能较差。本文提出了一种基于紫... 详细信息

微型星用热开关辐射器因其辐射能力可根据需要主动调节,整体采用薄膜和微结构制造,具有轻小、低功耗等的特点,非常适合于微/纳卫星热控应用。国外同类器件主要采用硅工艺制作,由于材料和工艺限制,器件热性能较差。本文提出了一种基于紫外激光微加工技术、采用聚酰亚胺作为结构材料的微型星用热开关辐射器,介绍了器件的工作原理,对器件结构和热性能进行了理论分析,确定了影响器件性能的主要因素。然后采用紫外激光微加工、浸渍提拉法和磁控溅射薄膜沉积等技术制作了微型热开关辐射器样件,并进行了驱动电压和性能测试。测试结果表明,样件驱动电压为97 V,辐射功率调节量约为0.1 W。最后对测试结果进行了分析讨论。

关键词：热开关微型可变辐射器激光微加工

C/SiC复合材料与抗氧化陶瓷涂层的优化匹配

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表面技术 2020年第9期49卷 291-297页

作者：杨彦龙张凯峰曹生珠汤富领薛红涛兰州理工大学有色金属先进加工及再利用国家重点实验室兰州730050 真空技术与物理国家重点实验室兰州730000

目的快速筛选与C/SiC复合材料界面热应力最低匹配的抗氧化涂层材料。方法在原用于单层陶瓷材料热冲击计算模型的基础上改造建立了一个简易但能合理解释热冲击下抗氧化涂层失效的解析模型。采用有限元模型对解析模型得到的界面热应力加... 详细信息

目的快速筛选与C/SiC复合材料界面热应力最低匹配的抗氧化涂层材料。方法在原用于单层陶瓷材料热冲击计算模型的基础上改造建立了一个简易但能合理解释热冲击下抗氧化涂层失效的解析模型。采用有限元模型对解析模型得到的界面热应力加以验证,二者结果基本一致。结果当裂纹长度小于30μm时,裂纹对涂层-基体界面热应力的影响几乎可以忽略,然而,当涂层表面预制长度大于30μm的微裂纹或增加涂层中的微裂纹密度均能够有效降低涂层-基体界面的热应力,提高涂层在服役条件下的断裂临界温差,改善涂层材料的抗热震性,提高涂层的使用寿命。利用该解析模型计算出各温度下涂层-基体体系具体的断裂临界温差,并预测涂层-基体体系最危险的工作温度区间。结论解析模型可以用来方便地计算涂层材料的热应力和断裂临界温差,从而筛选出热应力最小匹配的涂层材料。C/SiC复合材料的抗氧化涂层中预制长度大于30μm的微裂纹,可有效提高涂层抗热震性能。

关键词：有限元 C/SiC复合材料热冲击涂层界面热应力