本發(fā)明屬于空間環(huán)境探測技術(shù)領(lǐng)域,具體而言，本發(fā)明涉及一種石墨烯原子氧探測結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

在低地球軌道上(200～700km)，空間原子氧環(huán)境是危害航天器安全的主要環(huán)境因素之一。雖然原子氧的密度不是很大，一般在10⁹～10⁵cm^-3左右，但是由于原子氧的化學活性高，同時與軌道上的航天器相對運動速度大(7.8km/s左右)，因此增大了原子氧對航天器的撞擊能量(約5eV)和通量。原子氧一方面會與航天器表面材料發(fā)生化學反應，另一方面會濺射航天器表面材料，從而導致材料物理和化學性質(zhì)發(fā)生變化，使功能性材料性能退化，威脅航天器的壽命與可靠性。

評價航天器表面材料在原子氧環(huán)境下的性能退化情況，首先必須了解原子氧環(huán)境，分析軌道原子氧通量?？臻g原子氧環(huán)境探測試驗是原子氧效應研究中最重要的工作之一，美國航空航天局原子氧數(shù)據(jù)庫和環(huán)境模型主要來源于在軌探測試驗結(jié)果，這些探測數(shù)據(jù)為低地球軌道航天器的原子氧環(huán)境防護設(shè)計提供了依據(jù)，也為原子氧地面模擬試驗提供了準則。

原子氧環(huán)境探測離不開探測儀器。目前原子氧探測的方法主要有質(zhì)譜法、薄膜電阻測量方法、半導體材料吸附感知方法、化學熱探頭感知方法等。其中薄膜電阻測量方法由于工藝簡單，是較常用的一種探測原子氧的方法。該方法主要通過薄膜電阻變化來分析原子氧的通量。首先選擇對原子氧敏感 的導電材料，并將其沉積在絕緣基底上形成一定厚度的薄膜。當傳感器入軌后，薄膜暴露在原子氧環(huán)境中，并受到原子氧的刻蝕作用，因此薄膜的厚度不斷變薄，導致電阻值變化。通過測量薄膜的電阻變化量，并通過事先標定的電阻變化量與原子氧通量間的關(guān)系，就可以計算出采用周期內(nèi)原子氧通量平均值。目前，電阻法用到的薄膜材料主要是銀和鋨兩種。銀的原子氧反應率最高，時間分辨率高，采樣周期短，實時響應性好，但是銀與原子氧反應形成固態(tài)疏松的氧化銀，阻擋了原子氧與下邊銀膜的繼續(xù)反應，因此工作時間短。鋨是單質(zhì)金屬，環(huán)境穩(wěn)定性好，原子氧反應生成揮發(fā)的四氧化三鋨，其原子氧反應率是線性的，鋨的原子氧反應率低，適合長期暴露飛行試驗研究，但是鋨有一定的毒性，且鋨膜不易制備，特別是鋨膜較厚時容易起皮、皸裂，這也限制了鋨膜探測器工作的時間。

本發(fā)明提出利用石墨烯制備導電膜，并用于原子氧的探測。由于石墨烯具有導電性，且在原子氧照射下能夠生成氣態(tài)物質(zhì)，因此適于作為薄膜電阻測量原子氧探測器。石墨烯的成膜厚度可以控制，可以研制長壽命的探測器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對空間原子氧探測的需求，提出一種基于電阻測量方法的原子氧探測探頭結(jié)構(gòu)及其制造方法。本發(fā)明利用石墨烯替代銀或者鋨等金屬類薄膜來實現(xiàn)原子氧的探測。該方法利用石墨烯的導電性，以及在原子氧作用下生成氣體的性質(zhì)，通過測量石墨烯膜的電阻，推算出石墨烯薄膜厚度減少量，從而推算出原子氧的注量。

本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種石墨烯原子氧探測結(jié)構(gòu)，通過將石墨烯粉末制成薄膜物質(zhì)，然后在薄膜兩端鍍上電極，連接外部測量電路得到。

其中，薄膜物質(zhì)通過將石墨烯粉末與乙醇或者融化狀態(tài)的聚酰胺進行混合，石墨烯在混合物中含量在10％-90％范圍內(nèi)，將混合物噴涂在石英玻 璃或者有SiO²介質(zhì)層的硅基底上，并利用勻膠機將液體均勻涂覆在基底上得到。

其中，溶液固化后，再進行涂覆，采取多次涂覆的方法，獲得需要的膜厚。

一種石墨烯原子氧探測結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟：

1)將粉末狀石墨烯與乙醇，或者融化狀態(tài)的聚酰胺進行混合，石墨烯在混合物中含量在10％-90％范圍內(nèi)；

2)將上述混合物噴涂在石英玻璃或者有SiO₂介質(zhì)層的硅基底上，并利用勻膠機將液體均勻涂覆在基底上；

3)利用金屬、陶瓷或玻璃的擋板，將薄膜中間部位遮擋住，利用氧等離子體刻蝕方法，除去未遮擋部分的石墨烯，獲得長方形的石墨烯膜；

4)將金屬或者陶瓷、玻璃的擋板，將薄膜中間部位遮擋住，利用真空鍍膜設(shè)備，進行鍍膜，材質(zhì)為金或者鉑金，膜厚在50nm-1μm之間，得到原子氧探測探頭。

其中，勻膠機轉(zhuǎn)速在1轉(zhuǎn)/s至100轉(zhuǎn)/s之間。

其中，待溶液固化后，再進行涂覆，采取多次涂覆的方法，獲得需要的膜厚。

其中，將石墨烯粉末與乙醇按照重量比1:2混合，利用超聲波分散后噴涂在石英玻璃基底上。

其中，在噴涂過程中，利用勻膠機帶動石英玻璃基底旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速2圈/s。

其中，經(jīng)過多次沉積，形成500nm厚度石墨烯膜。

其中，將石墨烯膜中間部位保留，兩邊刻蝕掉，并鍍上50nm金或鉑金電極。

該技術(shù)與現(xiàn)有電阻型原子氧探測技術(shù)相比，具有制備工藝簡單，在軌工作時間長等特點。該方法可以用于空間原子氧的探測。

附圖說明

圖1是原子氧作用下，石墨烯電阻隨原子氧注量的變化關(guān)系。

圖2為本發(fā)明的石墨烯原子氧探測探頭的制備過程示意圖。

圖中：1-在勻膠機上放置的玻璃片，1.1-玻璃片，1.2-勻膠機底座；2-涂覆石墨烯膜的玻璃片，2.1-石墨烯膜；3-放置擋板，3.1-擋板；4-等離子體處理后的玻璃片；5-放置擋板，5.1-擋板；6-鍍上金屬電極的玻璃片，6.1-金電極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的石墨烯原子氧探測結(jié)構(gòu)以及石墨烯原子氧探測結(jié)構(gòu)的制造過程進行進一步的說明。

參見圖1，圖1是原子氧作用下，石墨烯電阻隨原子氧注量的變化關(guān)系。由圖可以看出，隨著原子氧注入量的增加，石墨烯電阻的阻值不斷增加。本發(fā)明的石墨烯原子氧探測結(jié)構(gòu)，通過將石墨烯粉末制成薄膜物質(zhì)，然后在薄膜兩端鍍上電極，連接外部測量電路得到。薄膜物質(zhì)通過將石墨烯粉末與乙醇或者融化狀態(tài)的聚酰胺進行混合，石墨烯在混合物中含量在10％-90％范圍內(nèi)，將混合物噴涂在石英玻璃或者有SiO²介質(zhì)層的硅基底上，并利用勻膠機將液體均勻涂覆在基底上，溶液固化后，再進行涂覆，采取多次涂覆的方法，獲得需要的膜厚。

圖2顯示了本發(fā)明的石墨烯原子氧探測探頭的制備過程示意圖。本發(fā)明的一實施方式的石墨烯原子氧探測探頭的制備方法包括如下步驟：

首先，將石墨烯粉末與乙醇按照重量比1:2混合，利用超聲波分散后噴涂在石英玻璃基底上。

其次，將干凈的玻璃片放置在勻膠機上，見圖2中步驟1。將混合溶液利用噴壺噴灑在玻璃片上，同時玻璃片以1轉(zhuǎn)/s至100轉(zhuǎn)/s的速度旋轉(zhuǎn)，將混合 液涂覆均勻。待涂覆液干燥、固化后，進行下一次涂覆，直至達到需要的厚度。見圖2中步驟2。

第三，將玻璃片取下，利用擋板將中間部位擋住，見圖2中步驟3。放入等離子體刻蝕設(shè)備中，將暴露的石墨烯刻蝕掉，見圖2中步驟4。

第四，將石墨烯中間部位利用擋板再次遮擋，見圖2中步驟5。放入鍍膜設(shè)備中進行鍍膜，在石墨烯的兩端鍍上金的金屬電極，見圖2中步驟6。這樣就得到了用于原子氧探測的探頭。放入原子氧設(shè)備中，原子氧注量率為5.5×10¹⁵atom/(s·cm²)。

本發(fā)明的另一實施方式的石墨烯原子氧探測探頭的制備方法包括如下步驟：

首先，將石墨烯粉末與融化狀態(tài)的聚酰胺進行混合，石墨烯在混合物中含量在10％-90％范圍內(nèi)。

其次，將干凈的玻璃片放置在勻膠機上，見圖2中步驟1。將融化溶液刷涂在玻璃片上，同時玻璃片以1轉(zhuǎn)/s至100轉(zhuǎn)/s的速度旋轉(zhuǎn)，將融化溶液涂覆均勻。待融化溶液干燥、固化后，進行下一次涂覆，直至達到需要的厚度。見圖2中步驟2。

第三，將玻璃片取下，利用擋板將中間部位擋住，見圖2中步驟3。放入等離子體刻蝕設(shè)備中，將暴露的石墨烯刻蝕掉，見圖2中步驟4。

第四，將石墨烯中間部位利用擋板再次遮擋，見圖2中步驟5。放入鍍膜設(shè)備中進行鍍膜，在石墨烯的兩端鍍上鉑金的金屬電極，見圖2中步驟6。這樣就得到了用于原子氧探測的探頭。放入原子氧設(shè)備中，原子氧注量率為5.5×10¹⁵atom/(s·cm²)。

盡管上文對本專利的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本專利的保護范圍之內(nèi)。