一种真空目标靶溅射沉积质量的三维检测设备

1.本发明涉及空间电推进溅射沉积领域，特别是涉及一种真空目标靶溅射沉积质量的三维检测设备。


背景技术：

2.空间电推力器因其长时间运行的优点，广泛应用于深空探测、长周期的在轨卫星的任务中，通常工作时间长达几千小时至上万小时。由于电推力器的工作原理，不可避免的会发生材料的溅射沉积，即高速离子轰击电推力器内部件材料，将材料轰击而出，从而使长时间运行的电推力器部件发生显著的腐蚀损耗，导致电推力器使用寿命的下降。因此电推力器内的溅射沉积现象是空间电推进的重要研究领域。如在电推力器中主流应用的霍尔推力器与离子推力器，溅射沉积是致使其推力器失效的关键因素。其中霍尔推力器的失效原因为放电室的壁面材料经高速离子轰击造成壁面的腐蚀，导致其推力器性能下降至失效；离子推力器失效可分为两个方面，第一由于离子对推力器内部的栅极部件的轰击，原本结构被腐蚀破坏，引发结构失效和电子回流，最终导致推力器性能下降，甚至整体失效。第二由于离子轰击溅射后的脱落的栅极材料在屏栅位置沉积后，造成屏栅的局部电位发生变化，甚至电路短路，降低了离子引出能力，使推力器性能及寿命下降。因此，针对这一溅射沉积现象，使用专业系统设备进行研究检检测是十分必要的。
3.目前，在地面的电推进溅射沉积检测系统建立于真空室中，系统提供拟太空条件下，相同工作参数的离子束和相同性质的目标靶材料，来进行离子对材料的溅射沉积现象的检测。对此现象的研究采用石英晶体微量天平法(qcm),该方法是通过将石英晶体微量天平悬挂于靶材上方，来对离子轰击出的靶材溅射粒子进行检测。靶材溅射出的众多溅射粒子，会在靶材上方形成一个三维的球形溅射区域。为了更加全面、精确地获取三维球形区域的溅射沉积信息，需要设计一种用于真空靶材的三维溅射沉积质量的检测设备。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种真空目标靶溅射沉积质量的三维检测设备，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种真空目标靶溅射沉积质量的三维检测设备，包括：
6.检测装置，包括支座组件、石英晶体微量天平组件；所述支座组件上安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动所述石英晶体微量天平组件转动；所述石英晶体微量天平组件转动连接在所述支座组件上；
7.靶材调节装置，包括转盘机构、倾覆机构、靶材安装板；所述倾覆机构安装在所述转盘机构上，所述靶材安装板转动连接在所述倾覆机构上，所述转盘机构用于驱动所述靶材安装板水平转动，所述倾覆机构用于调整所述靶材安装板的倾斜角度；
8.其中，所述石英晶体微量天平组件的输出端朝向所述靶材安装板。
9.优选的，所述石英晶体微量天平组件包括转动连接在所述支座组件上的安装杆，所述安装杆上安装有石英晶体微量天平。
10.优选的，所述支座组件和所述转盘机构均安装在底座上；所述支座组件包括：
11.支撑盖，固接在所述底座上，顶端开设有第一滑槽，所述第一滑槽内滑动连接有第一齿条，所述第一齿条与所述第一驱动机构驱动连接；
12.第一支撑座，固接在所述支撑盖的顶部；
13.第一阶梯轴和第二阶梯轴，均转动连接在所述第一支撑座上；所述第一阶梯轴位于所述第二阶梯轴的上方；所述第一阶梯轴与所述第二阶梯轴带传动；
14.安装凸台，固接在位于所述第一阶梯轴的一端，所述安装凸台通过固定件与所述安装杆可拆卸连接；
15.第一齿轮，固接在所述第二阶梯轴上，并且与所述第一齿条啮合传动。
16.优选的，所述转盘机构包括：
17.底座筒，转动连接在所述底座上，所述底座筒的外壁上周向固接有第二齿轮；
18.转盘，固接在所述底座筒顶部；
19.滑板，滑动连接在所述底座上，所述滑板上固接有与所述第二齿轮啮合传动的第二齿条；
20.第二驱动机构，安装在所述底座上，并且与所述滑板驱动连接。
21.优选的，所述倾覆机构包括：
22.底板，通过若干支撑杆安装在所述转盘上，所述底板上开设有第三滑槽，所述第三滑槽内滑动连接有第三齿条；
23.第二支撑座，固接在所述底板上；所述靶材安装板转动连接在所述第二支撑座上；
24.第三阶梯轴，转动连接在所述第二支撑座上，所述第三阶梯轴的外壁上周向固接有第三齿轮，所述第三齿轮与所述第三齿条啮合传动；所述第三阶梯轴和所述靶材安装板带传动；
25.第三驱动机构，安装在所述底板上，并且与所述第三齿条驱动连接。
26.优选的，所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构结构相同；
27.所述第一驱动机构包括电动推杆和连杆；所述连杆的一端与所述电动推杆的输出端固接；所述第一驱动机构和所述第二驱动机构的电动推杆均安装在底座上，所述第三驱动机构的电动推杆安装在所述底板上；
28.三个所述连杆远离所述电动推杆的一端分别与所述第一齿条、滑板、第三齿条固接。
29.优选的，所述电动推杆的固定端一侧安装有拉绳式位移传感器，所述拉绳式位移传感器的拉绳与所述连杆固接。
30.优选的，所述第一阶梯轴、转盘、靶材安装板上均安装有感应器，所述感应器一侧设有感应开关，三个所述感应开关分别安装在所述第一支撑座、底座、第二支撑座上。
31.优选的，所述靶材安装板的两侧固接有转轴，所述靶材安装板通过两个所述转轴转动连接在所述第二支撑座上，且所述第三阶梯轴和所述转轴带传动。
32.优选的，所述底座上开设有第二滑槽，所述滑板滑动连接在所述第二滑槽内。
33.本发明公开了以下技术效果：
34.本发明基于经离子轰击靶材后溅射粒子产生的三维球形溅射区域的检测需求，通过靶材安装板安装待测靶材；通过转盘机构驱动靶材安装板沿水平面旋转，通过倾覆机构驱动靶材安装板倾覆旋转，实现待测靶材的水平旋转和倾覆旋转，通过第一驱动机构驱动微量天平组件旋转，实现可调节离子轰击入射角的三维溅射区域检测；通过三维空间溅射粒子的溅射沉积量的采集，可描绘出溅射沉积现象的三维整体特征；本发明采用机械结构组成，加工简单，运行可靠，数据采集稳定。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明真空目标靶溅射沉积质量的三维检测设备的结构示意图；
37.图2为图1中a的局部放大图；
38.图3为图1中b的局部放大图
39.图4为本发明中支座组件的结构示意图；
40.图5为本发明中倾覆机构的结构示意图；
41.其中，1、靶材安装板；2、安装杆；3、石英晶体微量天平；4、底座；5、支撑盖；6、第一滑槽；7、第一齿条；8、第一支撑座；81、第一基座；82、第一压盖；83、第二压盖；9、第一阶梯轴；10、第二阶梯轴；11、安装凸台；12、第一齿轮；13、底座筒；14、第二齿轮；15、转盘；16、滑板；17、第二齿条；18、底板；19、支撑杆；20、第三滑槽；21、第三齿条；22、第二支撑座；221、第二基座；222、第三压盖；223、第四压盖；23、第三阶梯轴；24、电动推杆；25、连杆；26、拉绳式位移传感器；27、感应器；28、感应开关；29、转轴；30、第二滑槽；31、皮带轮；32、同步皮带；33、第三齿轮。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.参照图1-5，本发明提供一种真空目标靶溅射沉积质量的三维检测设备，包括：
45.检测装置，包括支座组件、石英晶体微量天平组件；支座组件上安装有第一驱动机构，第一驱动机构用于驱动石英晶体微量天平组件转动；石英晶体微量天平组件转动连接在支座组件上；石英晶体微量天平组件用于对待测靶材进行检测；
46.靶材调节装置，包括转盘机构、倾覆机构、靶材安装板1；倾覆机构安装在转盘机构上，靶材安装板1转动连接在倾覆机构上，转盘机构用于驱动靶材安装板1水平转动，倾覆机构用于调整靶材安装板1的倾斜角度；实现两个自由度的旋转；靶材安装板1用于安装待测
靶材；本发明基于经离子轰击靶材后溅射粒子产生的三维球形溅射区域检测的需求，通过转盘机构驱动靶材安装板沿水平面旋转，通过倾覆机构驱动靶材安装板1倾覆旋转，实现待测靶材的水平旋转和倾覆旋转，倾覆旋转用于调节离子轰击靶材的入射角度，方便检测不同离子轰击入射角度对溅射沉积现象的影响；水平旋转用于将三维溅射区域内的不同位置可以旋转到石英晶体微量天平组件运动的圆周面内，使石英晶体微量天平组件可以对溅射区域不同位置都能进行检测；通过第一驱动机构驱动石英晶体微量天平组件旋转，实现离子不同轰击入射角的三维溅射区域检测；通过三维空间的溅射沉积质量的采集，描绘了溅射沉积现象的三维整体特征；本发明采用机械结构组成，加工简单，运行可靠，数据采集稳定；
47.其中，石英晶体微量天平组件的输出端朝向靶材安装板1。
48.进一步优化方案，石英晶体微量天平组件包括转动连接在支座组件上的安装杆2，安装杆2上安装有石英晶体微量天平3；第一驱动机构的输出端与安装杆2通过螺栓驱动连接；安装杆2为带有直角的圆柱形杆，安装杆2远离支座组件的一端固接有天平安装凸台，石英晶体微量天平3通过螺纹副和天平安装凸台固定连接；
49.如此设置，通过第一驱动组件驱动安装杆2转动，带动石英晶体微量天平3做圆周运动，对靶材安装板1上的待测靶材上方溅射区域进行检测，拓宽检测的范围。
50.进一步优化方案，支座组件和转盘机构均安装在底座4上；支座组件包括：
51.支撑盖5，固接在底座4上，顶端开设有第一滑槽6，第一滑槽6内滑动连接有第一齿条7，第一齿条7与第一驱动机构驱动连接；支撑盖5呈匚型，且开口朝向底座4，支撑盖5底部通过螺栓安装在底座4上；第一驱动机构驱动第一齿条7沿第一滑槽6做往复滑动；
52.第一支撑座8，固接在支撑盖5的顶部；第一支撑座8包括两个第一压盖82、两个第二压盖83、两个第一基座81；两个第一基座81并排安装在支撑盖5的顶面上，第一滑槽6开设在两个第一基座81之间；两个第一压盖82分别安装在两个第一基座81的顶壁上；两个第二压盖83分别固接在两个第一压盖82的顶壁上；第一压盖82、第二压盖83、第一基座81、支撑盖5之间均通过螺栓连接固定；
53.第一阶梯轴9和第二阶梯轴10，均转动连接在第一支撑座8上；第一阶梯轴9位于第二阶梯轴10的上方；第一阶梯轴9与第二阶梯轴10通过皮带轮组件实现带传动；皮带轮组件包括两个皮带轮31和同步皮带32；同步皮带32套设在两个皮带轮31上；两个皮带轮31分别安装在第一阶梯轴9和第二阶梯轴10上；第一阶梯轴9和第二阶梯轴10均为四段式，包括轴头段、轴肩段和位于两个端的轴颈段；第二阶梯轴10的轴头段上安装有皮带轮31和第一齿轮12，轴肩段对第一齿轮12完成轴向定位，两个轴颈段通过滚动轴承安装在两个第一基座81和两个第一压盖82上，完成第二阶梯轴10的轴向定位；第一阶梯轴9的轴头段上安装有另一个皮带轮31，轴肩段对皮带轮31完成轴向定位，两个轴颈段通过滚动轴承安装在两个第二压盖83和两个第一压盖82上，完成第一阶梯轴9的轴向定位；
54.安装凸台11，固接在位于第一阶梯轴9的一端，安装凸台11通过固定件与安装杆2可拆卸连接；安装凸台11上开设有通孔和若干螺纹孔，安装杆2上开设有若干圆形通孔，固定件与安装凸台11螺纹连接固定，安装杆2贯穿安装凸台11通孔与固定件通孔，并与固定件螺纹孔螺纹连接；实现通过螺纹副和固定件将安装杆2和安装凸台11进行拆装；用以调整安装杆2与安装凸台11的位置，进而调整石英晶体微量天平3与靶材的距离；
55.第一齿轮12，固接在第二阶梯轴10上，并且与第一齿条7啮合传动；第二阶梯轴10上设有键槽，第一齿轮12安装在键槽内；如此设置，通过第一驱动机构带动第一齿条7沿第一滑槽6做往复滑动，进而带动第一齿轮12转动，实现带动第一阶梯轴9转动，通过皮带轮组件带动第二阶梯轴10转动，进而带动安装凸台11和安装杆2转动，实现石英晶体微量天平3的转动。
56.进一步优化方案，转盘机构包括：
57.底座筒13，转动连接在底座4上，底座筒13的外壁上周向固接有第二齿轮14；底座筒13结构为三段式，上段顶部通过螺栓与转盘15固接；上段的侧壁开设有键槽，第二齿轮14安装在键槽内，中端为圆柱形结构，作为过渡段；下段的下方开设有圆形槽，用于安装滚动轴承，实现底座筒13与底座4的转动连接，滚动轴承的上段开入底座筒13下段的圆形槽内，下段卡入底座4上开设的圆形槽内，使得滚动轴承在底座筒13和底座4之间，使得底座筒13可以相对于底座4做水平面内的相对旋转运动；
58.转盘15，固接在底座筒13顶部；转盘15为圆形转盘，倾覆机构固定安装在转盘15上；
59.滑板16，滑动连接在底座4上，滑板16上固接有与第二齿轮14，第二齿轮14与第二齿条17啮合传动；滑板16为l型滑板，第二齿条17通过螺栓安装在滑板16上；
60.第二驱动机构，安装在底座4上，并且与滑板16驱动连接；底座4上开设有第二滑槽30，滑板16滑动连接在第二滑槽30内；如此设置，通过第二驱动机构带动滑板16沿第二滑槽30滑动，通过滑板16上的第二齿条17带动第二齿轮14转动，进而带动底座筒13和转盘15转动，实现待测靶材在水平面上转动。
61.进一步优化方案，倾覆机构包括：
62.底板18，通过若干支撑杆19安装在转盘15上，底板18上开设有第三滑槽20，第三滑槽20内滑动连接有第三齿条21；底板18的形状为长方形板，且该长方形板的四角处设为圆倒角；
63.第二支撑座22，固接在底板18上；靶材安装板1转动连接在第二支撑座22上；第二支撑座22包括第二基座221、第三压盖222、第四压盖223；两个第二基座221并排安装在底板18的顶面上，第三滑槽20开设在两个第二基座221之间；两个第三压盖222分别安装在两个第二基座221的顶壁上；两个第四压盖223分别固接在两个第第三压盖222的顶壁上；第三压盖222、第四压盖223、第二基座221、底板18之间均通过螺栓连接固定；
64.第三阶梯轴23，转动连接在第二支撑座22上，第三阶梯轴23的外壁上周向固接有第三齿轮33，第三齿轮33与第三齿条21啮合传动；第三阶梯轴23和靶材安装板1带传动；靶材安装板1的两侧固接有转轴29，靶材安装板1通过两个转轴29和滚动轴承转动连接在第二支撑座22的两个第三压盖222和第四压盖223上，且第三阶梯轴23和转轴29带传动；其中一个转轴29贯穿并伸出至第三压盖222外，并且所述转轴29上安装有皮带轮31；
65.第三阶梯轴23结构为三段式，包括轴身段和位于两个端的轴头段；轴身段的直径大于轴头段，轴身段用于实现第三阶梯轴23和第三齿轮33的轴向定位；两个轴头段通过滚动轴承安装在两个第二基座221和两个第三压盖222上，其中一个轴头段贯穿并伸出至第二基座221外，并且所述轴头段上安装有皮带轮31；转轴29上的皮带轮31和轴头段上的皮带轮31外套设有同步皮带32；
66.第三驱动机构，安装在底板18上，并且与第三齿条21驱动连接；如此设置，通过第三驱动机构带动第三齿条21沿第三滑槽20滑动，进而带动第三齿轮33转动，带动第三阶梯轴23转动，通过皮带轮31和同步皮带32带动转轴29转动，进而带动靶材安装板1和待测靶材做倾覆运动。
67.进一步优化方案，第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构结构相同；
68.第一驱动机构包括电动推杆24和连杆25；连杆25的一端与电动推杆24的输出端固接；第一驱动机构和第二驱动机构的电动推杆24均安装在底座4上，且第一驱动组件的电动推杆24设于在支撑盖5下方，通过几字形和π形固定架安装在底座4上；第三驱动机构的电动推杆24安装在底板18上；
69.三个连杆25远离电动推杆24的一端分别与第一齿条7、滑板16、第三齿条21固接；连杆25包括若干根相互垂直的连接杆，若干连接杆之间通过螺纹螺母固定安装，用于将电动推杆24的运动进行传递；连接杆与第一齿条7、滑板16、第三齿条21之间均通过螺纹旋和进行固定；
70.电动推杆24包括电机和固接在电机输出轴的伸缩推杆，伸缩推杆为方型，远离电机的一端为开设有第一通孔的圆柱型，靠近电动推杆24的连接杆端部贯穿第一通孔并可通过旋入螺母进行固定；通过电机驱动伸缩推杆发生伸缩运动，通过连杆25将伸缩运动传递至第一齿条7、滑板16、第三齿条21上，带动第一齿条7、滑板16、第三齿条21沿第一滑槽6、第二滑槽30、第三滑槽20前后运动。
71.进一步优化方案，电动推杆24的固定端一侧安装有拉绳式位移传感器26，拉绳式位移传感器26的拉绳与连杆25固接；拉绳式位移传感器26通过拉绳的运动感知拉绳的位移量，与第一驱动机构和第三驱动机构相对应的拉绳式位移传感器26通过直角型固定架由螺纹副与底座4固定；与第二驱动机构相对应的拉绳式位移传感器26通过直角型固定架有螺纹副固定在底板18上；
72.拉绳式位移传感器26包括驱动装置和拉绳盒；驱动装置安装在直角型固定架上，呈圆柱形；拉绳盒安装在驱动装置上，拉绳盒呈长方形，且拉绳盒的一端为拉绳头，拉绳头通过柔性绳与连杆25固接；使连杆25被伸缩推杆推动的同时拉动拉绳，便可通过驱动装置内的传感器得到推杆的伸缩量，方便人为控制调整电动推杆24的伸缩量。
73.进一步优化方案，第一阶梯轴9、转盘15、靶材安装板1上均安装有感应器27，感应器27一侧设有感应开关28，三个感应开关28分别安装在第一支撑座8、底座4、第二支撑座22上；如此设置，通过感应器27与感应开关28的配合，实现对第一阶梯轴9、转盘15、靶材安装板1转动位置的限位，当第一阶梯轴9、转盘15、靶材安装板1的转动位置超出感应开关28的感应范围后，感应开关28对其作出相应的反应，同时通过信号线缆向外部传送开关量信号，避免转动超过极限位置，造成的设备内部零部件产生干涉和碰撞，感应开关28与感应器27的具体工作原理为现有技术，此处不做赘述。
74.工作原理：
75.本发明通过三个电动推杆24带动三个连杆25做伸缩运动，进而带动第一齿条7、滑板16、第三齿条21沿第一滑槽6、第二滑槽30、第三滑槽20前后运动；
76.通过第一齿条7带动第一齿轮12转动，实现带动第一阶梯轴9转动，通过皮带轮组件带动第二阶梯轴10转动，进而带动安装凸台11和安装杆2转动，实现石英晶体微量天平3
的转动，实现石英晶体微量天平对溅射区域在旋转圆周面内的检测功能；
77.通过滑板16上的第二齿条17带动第二齿轮14转动，进而带动底座筒13和转盘15转动，实现带动待测靶材在水平面上转动；将三维溅射区域内的不同位置可以旋转到石英晶体微量天平3旋转的圆周面内，使石英晶体微量天平3可以对溅射区域不同位置都能进行检测；
78.通过第三齿条21带动第三齿轮33转动，带动第三阶梯轴23转动，通过皮带轮31和同步皮带32带动转轴29转动，进而带动靶材安装板1和待测靶材做倾覆转动运动，进而调节离子轰击到靶材的入射角度，方便检测不同轰击入射角度对溅射沉积现象的影响；
79.本发明通过三维空间的溅射沉积质量的采集，描绘了溅射沉积现象的三维整体特征；本发明采用机械结构组成，加工简单，运行可靠，数据采集稳定。
80.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
81.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。