声表面波天平检测卫星污染

    1 引 言

    空间环境下材料体内或表面某些成分会发生分解、扩散释放、蒸发、升华等过程而脱离表面, 并以单个分子形式随机沉积于其他敏感表面造成表面功能下降或性能失效, 称为空间分子污染。在航天器运行过程中,污染可能来自于许多源。沉积在视角范围内的污染物将会严重影响飞行器敏感系统的正常运行。

    声表面波天平( SAW) 是国际上最新使用的污染量监测与成分分析仪器, 在国外已开始应用于航天器研制过程。其核心部分是 2 个叉指电极, 第一叉指发出表面波, 第二叉指接收, 两者构成回路振荡。由于表面波的传输速率受表面沉积污染量的影响, 污染量越大, 表面波的传输速率越小, 相应的频率也随之变小。这样就可以监测到表面的污染量。

    2 SAW 的发展

    1885 年, 英国物理学家 Lord Rayleigh 经过对地震波研究, 发表了一篇名为《沿弹性体平滑面传播的波》的论文。文中指出“:在弹性体表面能够传播一种波动, 这种波动只在弹性体表面传播, 波动只涉及表面附近几个波长的范围。”从理论上阐明了在各向同性固体表面上传播的弹性波的特性, 首次提出了声( 弹性) 表面波, 这就是现在广为人知并以他命名的瑞利波。1911 年乐甫( Love) 发现, 当半无限厚的弹性体表而上覆盖有慢声速介质层时, 将存在质点位移平行于表而的横波( SH 波) , 即乐甫波。声表面波首先在地震领域得到成功应用。20 世纪 40 年代后该技术应用于金属零件的表面无损检测领域。直到 1965 年怀特( White) 在压电体表面直接蒸发上叉指电极 ( Interdigital Transducer, 缩写IDT) , 利用这种电极便可高效地发送和接收声表面波,如图 1 所示。

    声表面波技术发展史如表 1 所列。

    从 20 世纪 70 年代起, 声表面波技术迅速发展, 该技术衍生的各种器件作为一种新型电子器件而飞速发展。应用表面波 SAW 技术的各种器件已广泛应用于军事、国防和国民经济中, 形成了各种不可替代的产品体系。

    3 SAW 器件

    3.1 叉指换能器( Interdigital Transducer, IDT)

    SAW 器件的核心部分是 IDT, 其基本结构如图 2 所示。它是应用最广且很有效的瑞利表面波换能器。IDT 是用光刻技术将金属( Au、Pt、Al、Ag 等) 膜电极沉积于适当的压电材料表面上, 这些电极条互相交叉, 两端由汇流条连在一起。IDT 与压电晶体表面特定方向成平行取向, 以保证表面波在该方向获得初始激发的传播。IDT 的主要参数有:指条对数( N) 、换能器孔径( W, 即指条重叠长度) 、周期节长度( M) 、叉指宽度( M/4)( 对均匀叉指换能器而言) 。这些参数确定了 SAW 的中心频率( 谐振基频) 。