一种微阴极电弧推力器导电薄膜的电阻计算方法与流程

1.本发明属于测试技术领域，具体来说涉及一种微阴极电弧推力器导电薄膜的电阻计算方法。
2.

背景技术：

3.微纳卫星是卫星的研究方向之一。随着5g甚至6g技术的发展与研究，打造天地一体的通信基础，已经进入实际应用阶段，在这背后依托的微纳卫星更是进入到井喷式发展阶段。
4.微纳卫星的发展离不开微推力器的支持。微推力器的作用包括轨道保持、精确定位和阻力补偿等功能。微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster，μcat)是近几年国外开发出来的基于电推进（等离子体推进）原理、适用于微纳卫星的新型微推力器，具有体积小、功耗低、比冲高和控制精确等优点。
5.典型的微阴极电弧推力器为脉冲工作方式，采用无触发方式点火，主要由阳极、阴极、镀有导电薄膜的绝缘材料以及外加磁体组成。工作时，由半导体开关控制的电路通过pwm信号使电路导通，以实现电感充电储能；当电路断开时，电感释放能量击穿放电回路，烧蚀阴极材料产生阴极斑点，并进一步形成电弧等离子体；导电薄膜降低了产生真空电弧的条件，从而无需触发即可点火；外加磁体驱使阴极斑点旋转和等离子体射流加速喷出，产生推力。
6.μcat应用导电薄膜技术源于2000年anders等在阴极电弧薄膜沉积的工作，该方案采用氧化铝陶瓷作为薄膜基底，以碳和钛作为薄膜材料，以钛、铝和铅作为阴极材料，工作条件为真空与有氧环境。研究中发现了较为严重的铅沉积、一定量的铝沉积以及有氧环境下碳的明显消耗，提出了导电薄膜性能退化由烧蚀与沉积两种机制共同决定的观点。在工程研究中，现有技术中的方案多用回路电阻和放电特征值表征导电薄膜的退化特性并设法获得其在寿命周期内的变化规律。2017年，teel等人用回路电阻表征样机退化特性，并利用基于相似原理的平面展开装置获得了断路和短路两种模式下回路电阻的变化规律。2017年，任亮等人在寿命实验中用回路电阻和击穿电压表征样机退化特性，并获得了μcat在断路模式下回路电阻的变化规律。2018年，zolotukhin等人用回路电阻和峰值电流表征了样机退化特性，获得了两种不同失效模式下的参数变化规律。2019年，陈世昌等系统开展了放电参数作为退化表征参数的可行性研究，通过实验获得回路电阻、击穿电压、峰值电流以及放电持续时间在寿命实验中的变化规律。
7.作为回路电阻的重要组成部分，导电薄膜的电阻是重要的一环。因此，在评估微阴极电弧推力器寿命时，导电薄膜是重要的寿命表征参数，但由于导电薄膜在推力器放电过程中的不均匀烧蚀，导致其厚度并不均匀，不均匀厚度会导致其电阻率发生改变，不能用简单的电阻公式进行计算。
8.目前直接使用万用表测量微阴极电弧推力器头部阴阳极之间的电阻，作为导电薄
膜的电阻。但是在不均匀导电薄膜电阻计算方面尚未有明确的方案。
9.在确定不均匀导电薄膜电阻方面，目前存在以下问题：1)直接测量只能在工程上应用，无法分析导电薄膜电阻变化的机理；2)由于不均匀烧蚀引起的导电薄膜厚度不均匀，对于薄膜导电材料不同厚度对应的电阻率并不是恒定不变的，因此无法进行简单的计算。
10.专利文献1提出了一种等厚度不规则形状导电材料的电阻计算方法，确定导电材料上任意两点作为第一检测点和第二检测点，然后确定电流方向上第一检测点和第二检测点之间的最短路线，所述最短路线由若干个线段构成，再计算每个线段的电阻，则导电材料的总电阻为各线段的电阻之和。然而这种计算公式仅适用于长条状电阻，并不能适用于圆环状且厚度不均匀的导电薄膜电阻。
11.专利文献1：cn 107153726 a，发明名称：一种等厚度不规则形状导电材料的电阻计算方法；国际专利分类号：g06f 17/50。
12.

技术实现要素：

13.结合申请人在该领域的研究和实际经验，在此提出以下改进的技术方案。
14.一种微阴极电弧推力器导电薄膜的电阻计算方法，包括如下步骤：根据微阴极电弧推力器的尺寸，将圆环形的导电薄膜由内到外分为阳极覆盖区i、一般放电区ii和阴极接触区iii三个区域；将每个区域按照不同厚度分为若干个区块；计算每个区块的电阻；按照并联电阻的计算方法分别计算阳极覆盖区i、一般放电区ii和阴极接触区iii三个区域的电阻；按照串联电阻的计算方法计算微阴极电弧推力器导电薄膜的电阻。
15.根据本发明的计算方法，每个区块的电阻采用如下公式计算：其中，θ为各个区块所对应的扇形角度，r1为各个区块的内径，r2为各个区块的外径，d为各个区块的厚度，ρ则是当前厚度对应的电阻率。
16.根据本发明的计算方法，θ以及r1和r2通过直接测量的方式获得。
17.根据本发明的计算方法，θ以及r1和r2通过图像分析获得。
18.根据本发明的计算方法，当前厚度对应的电阻率ρ采用如下方法得到：首先，使用四探针方阻仪测试与待测导电薄膜同一批次的设置于矩形陶瓷片上的薄膜的电阻率；其次，对不同厚度的导电薄膜电阻率进行测量，最后，对电阻率和厚度数据进行拟合建立电阻率与厚度的关系。
19.根据本发明的计算方法，所述厚度包括10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1μm、2μm、5μm、10μm。
20.根据本发明的计算方法，每个厚度取3-5个不同位置测量求平均值。
21.由上可知，本发明的计算方法能够：（1）建立起不均匀导电薄膜的厚度和电阻的关系；（2）通过电阻表征样机的工作状态，建立了导电薄膜厚度和推力器寿命的关系，有助于完善微阴极电弧推力器寿命评估体系；（3）对于其他领域中存在的圆环形的且厚度不均匀的电阻同样适用。
22.附图说明
23.参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：图1示出了微阴极电弧推力器导电薄膜的俯视图，其中示意性地划分出了多个区域。
24.具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
26.参见图1，其中示出了微阴极电弧推力器导电薄膜的俯视图。在初始状态下，微阴极电弧推力器导电薄膜为具有一定厚度的圆环状形状。随着推力器的工作，导电薄膜会处于烧蚀与沉积双向作用中，因此，导电薄膜的厚度及形状会发生改变，并且这种改变是随机的、不均匀的。
27.根据本发明的微阴极电弧推力器导电薄膜电阻计算方法，如图1所示，首先根据微阴极电弧推力器的实际尺寸，将圆环形的导电薄膜由内到外分为阳极覆盖区ⅰ、一般放电区ⅱ以及阴极接触区ⅲ三个区域，这三个区域同样是圆环状的区域。
28.然后将每个区域按照不同厚度分为若干个区块。在图1中示意性地画出了阳极覆盖区ⅰ、一般放电区ⅱ以及阴极接触区ⅲ的区块划分。在具体的划分过程中，一种优选的方式是采用轮廓仪对导电薄膜表面轮廓进行测量，然后根据所测得的厚度行分块处理。例如，根据实际情况，阳极覆盖区i中分为m个区块，一般放电区ii中分为n个区块，而阴极接触区iii中则分为p个区块。
29.随后，计算每个区块的电阻，按照串并联计算总电阻，即可得到不均匀导电薄膜的电阻。
30.具体地，通过以下公式来计算每个区块的电阻：其中，θ为各个区块所对应的扇形角度，r1为各个区块的内径，r2为各个区块的外径，d为各个区块的厚度，ρ则是当前厚度对应的电阻率。
31.对于θ以及r1和r2，可采取直接测量的方式获得，也可以通过图像分析得到。
32.具体地，当前厚度对应的电阻率ρ采用四探针方阻仪来获得。由于四探针方阻仪要求其测试对象的面积远大于探针面积，而圆环形导线薄膜的面积不能满足这一要求，因此四探针方阻仪无法直接对推力器的导电薄膜电阻率进行测量。为此，本发明提出如下方法：首先，使用四探针方阻仪测试与待测导电薄膜同一批次的设置于矩形陶瓷片上的
薄膜的电阻率；其次，对不同厚度的导电薄膜电阻率进行测量，厚度包括例如10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1μm、2μm、5μm、10μm等多个间隔，并且优选地每个厚度取3-5个不同位置测量求平均值，最后，对电阻率和厚度数据进行拟合建立电阻率与厚度的关系。
33.由此，可以获得当前厚度对应的电阻率ρ。
34.在计算出各个区块的电阻后，先分别对三个区域内的各区块电阻按照下式进行并联计算：其中r
i,1
、r
i,2
... r
i,m
分别是阳极覆盖区ⅰ中的m个区块的电阻，而r
ii,1
、r
ii,2
... r
ii,n
分别是一般放电区ⅱ中的n个区块的电阻，r
iii,1
、r
iii,2
... r
iii,p
分别是阴极接触区ⅲ中的p个区块的电阻。根据上述公式得到三个区域的电阻rⅰ、rⅱ、rⅲ，再对三个区域的电阻进行串联计算，即总电阻r= r
ⅰ rⅱ rⅲ。
35.由此可见，根据本发明的方法可以相对精确地计算出不同工作情况下的微阴极电弧推力器导电薄膜的电阻，从而为导电薄膜电阻变化的机理分析提供依据。
36.上文描述的仅仅是有关本发明的精神和原理的示例性实施方式。本领域技术人员可以明白，在不背离所述精神和原理的前提下，可以对所描述的示例做出各种变化，这些变化及其各种等同方式均被本发明人所预想到，并落入由本发明的权利要求所限定的范围内。