專利名稱：一種太陽敏感器光學掩模及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)測量控制系統(tǒng)中的姿態(tài)敏感器技術，尤其涉及一種太陽敏感器光學掩模及其制造方法。
背景技術：
航天器在空間的方位稱為姿態(tài)，航天器的控制工作中有一項稱為姿態(tài)控制。航天器的控制系統(tǒng)通常是由敏感器、控制器以及執(zhí)行機構三大部分組成，其中敏感器用以測量某些絕對的或相對的物理量，而姿態(tài)敏感器則用來測量航天器本體坐標系相對于某個基準坐標系的相對角位置或角速度，以確定航天器的姿態(tài)。太陽敏感器是在航空領域應用最廣泛的一類敏感器，通常衛(wèi)星上都配備有太陽敏感器。太陽敏感器是通過測量太陽相對航天器的本體坐標系的位置來確定衛(wèi)星的姿態(tài)。
太陽敏感器的構成主要包括三個方面光學頭部、傳感器部分和信號處理部分。其中光學頭部可以采用狹縫、小孔、透鏡、棱鏡等方式。為了能夠使太陽光線被太陽敏感器的光敏感元件所接收且實現姿態(tài)測量的功能，太陽敏感器的光敏感元件前需設置透光孔或透光縫。為了保證測量精度，透光孔或透光縫都比較小，一般在幾十微米到500微米左右。
目前太陽敏感器的透光孔或透光縫有兩種制作方法，一種是采用微機械加工制作金屬透光孔或透光縫，另一種是以微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro ElectroMechanical Systems)生產工藝為基礎制作光學掩模。金屬透光孔或透光縫加工成本低、工藝簡單，但由于金屬透光孔或透光縫存在一定的幾何厚度，在太陽光斜入射時其光斑圖像發(fā)生形狀畸變，致使姿態(tài)測量精度低。MEMS工藝不是利用加工工具與材料的直接相互作用，其限制微三維結構尺寸精度的不是加工工具本身的尺寸，而是成像系統(tǒng)的分辨率，例如光波的波長，光束的直徑等。
目前，MEMS工藝是唯一能在基底上制作亞微米精度圖形的技術，主要用來制作掩模、體硅工藝中空腔腐蝕、表面工藝中犧牲層薄膜的沉積和腐蝕等。因此，采用光刻技術制作太陽敏感器的光學掩模是當前國內外研究熱點，如美國國家航空航天局(NASA)的噴氣推動實驗室(JPL)，其光學掩模制作工藝為在硅基片上鍍鉻，再在鉻層上鍍金，最后在金層上蝕刻相應的圖形。在這種工藝中，硅基片能透過近紅外光，而鉻層一方面起到了粘合硅基片和金層的作用，另一方面也通過改變其厚度達到不同程度地衰減透過光的作用。但是，鉻層作為光衰減層在太陽光斜入射光學掩模時，光線穿越鉻層的實際長度加長，透過光的強度也隨之變小，這種情況隨著太陽光斜入射角度的增加而愈發(fā)嚴重。金層作為阻光層不能吸收由光敏感器件反射回來的光線，從而形成反射雜光。這些因素不利于太陽敏感器提高視場范圍和克服雜光影響。另外，其采用的硅基片都很難適應航空航天惡劣的力學環(huán)境，如強振動、沖擊和加速度等。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于針對現有光學掩模的缺陷，提供一種精度高、可靠性高、濾光層的光譜透射率不隨太陽入射角度變化而變化、能適應惡劣力學環(huán)境的光學掩模及其制造方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現的一種太陽敏感器光學掩模，包括有掩?；?、鍍制在掩模基片一個表面上的濾光層膜系及鍍制在濾光層膜系上的阻光層膜系，掩模基片由白寶石制成，濾光層膜系是由硅與二氧化硅交替層疊而成的多層介質膜系，阻光層膜系是由鉻與金交替層疊而成的多層介質膜系，所述阻光層膜系設有透光孔。
其中，所述掩?；暮穸葹?00μm～800μm。
上述方案中，所述濾光層膜系是自靠近掩模基片的一側始，由內向外依次由硅和二氧化硅交替層疊構成的多層介質膜系，該濾光層膜系的層數為30層；所述阻光層膜系是自緊貼濾光層膜系一側始由內向外依次以鉻及金交替層疊構成的多層介質膜系，該阻光層膜系的層數為10層。
其中，所述濾光層膜系特性為高通型濾光層膜系，其對波長小于950nm的光的透射率為0，對波長大于1150nm的光的透射率在80％以上；所述阻光層膜系對波長小于1150nm的光的透射率為0，且阻光層膜系上的透光孔為一個或一個以上的孔或縫，且孔徑或縫隙寬度為95μm～105μm，相鄰的孔或縫隙間距在700μm以上。
一種太陽敏感器光學掩模制造方法，包括如下步驟a、采用厚度為500μm的白寶石基片，并將其上下表面拋光，制成掩模基片；b、在KW-4型勻膠機上用旋轉法在掩?；襄?yōu)V光層膜系，該膜系是由硅及二氧化硅組成的30層介質膜系，每層厚度為所述掩模工作波長的四分之一；c、在濾光層膜系上采用蒸鍍的方法鍍阻光層膜系，該阻光層膜系是由金及硅組成的10層介質膜系，每層介質的厚度為所述掩模工作波長的四分之一；d、在阻光層膜系上涂以光刻膠；e、將有一個或多個小孔或縫圖案的掩模母版置于光刻膠的上方，然后在紫外線照射下對光刻膠曝光；f、將掩模放在已配制好的、溶液組份為瓶裝鹽酸(HCl)與瓶裝硝酸(HNO3)體積比為三比一的腐蝕液里，使光刻膠開孔處露出的阻光層膜系上的阻光材料腐蝕掉，從而形成透光孔。
g、將掩模依次放入蒸餾水和無水乙醇中進行清洗后，放置在攝氏95℃的烘箱中烘干。
因此，采用本發(fā)明所述的太陽敏感器光學掩模及其制造方法，具有以下優(yōu)點和特點1)、基于MEMS工藝，所形成的透光孔的尺寸和形狀精度高。
2)、阻光層很薄，太陽光光線斜入射時光斑圖像無形狀畸變。
3)、阻光層采用鉻和金組成的多層介質膜系，能有效吸收波長范圍在950nm～1100nm的光，可使太陽敏感器光敏元件的感光面上無反射雜光。
4)、膜系中不存在光衰減層，在太陽光斜入射時，透過光的強度無明顯變化。
5)、采用白寶石作為掩?；?，能夠適應惡劣的力學環(huán)境。


圖1(a)為本發(fā)明掩模的結構示意圖；圖1(b)為圖1(a)的俯視圖；圖2為太陽敏感器光敏元件光譜響應的量子效率圖；圖3為太陽輻射在地球軌道上其光譜能量相對分布圖；圖4為本發(fā)明掩模的濾光層光譜透射率設計曲線示意圖；圖5為本發(fā)明掩模制造方法的實現流程示意圖；圖6為本發(fā)明掩模的立體結構示意圖；圖7為本發(fā)明掩模實測的光譜透射率曲線效果圖；圖8為本發(fā)明掩模模擬測試的實驗裝置結構示意圖；圖9(a)為本發(fā)明掩模應用于太陽敏感器光線正射時所形成的光斑圖像；圖9(b)為本發(fā)明掩模應用于太陽敏感器光線斜射時所形成的光斑圖像。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。
圖1(a)為本發(fā)明掩模的結構示意圖；圖1(b)為圖1(a)的俯視圖。如圖1(a)所示，該掩模由一片掩?；?、鍍制在掩模基片1的一個表面上的濾光層膜系2以及鍍制在濾光層膜系2上的阻光層膜系3組成。
其中，掩?；?由白寶石制造。白寶石，又名青玉，屬于軟玉中的一種，其硬度為6.5，平均強度為3617kg/cm2，經擠壓強度實驗驗證其具有強韌性，所以選擇其為掩?；軌蜻m應惡劣的力學環(huán)境。本發(fā)明所采用的掩?；?的厚度為0.4mm～0.6mm，由直徑為12mm左右的圓柱狀成品白寶石棒切割而成，且切割后所得的基片上下底面均經過拋光工藝處理。根據實際情況，如果白寶石棒的形狀不同，切割后的掩?；螤钜嚯S之有所不同。
濾光層膜系2采用了由硅與二氧化硅交替層疊構成的多層介質膜系。該多層介質膜系結構可以通過控制各層介質的厚度來靈活控制濾光層的光譜透射特性，根據濾光層膜系所選工作波長的不同，介質膜系中每層的厚度為該工作波長的四分之一，而自靠近掩?；囊粋仁迹摓V光層膜系自內向外依次由硅、二氧化硅交替層疊構成。本實施例中掩模的工作波長范圍為950nm～1100nm，經過實驗證實，本實施例中濾光層的多層介質膜系層數為30層時效果最佳，并且該濾光層為高通型濾光層膜系，該濾光層膜系的性能特點是對于波長小于950nm的光的透射率為0，對波長大于1150nm的光的透射率在80％以上。
阻光層膜系3是由鉻和金層疊而成的多層介質膜系構成。具體是該阻光層膜系自緊挨濾光層膜系一側始，由鉻和金介質交替層疊構成，且構成該阻光層膜系的鉻及金層的多層介質膜系的層數為10層。本實施例中的阻光層膜系的性能特點是該阻光層膜系能夠有效吸收波長在950nm～1100nm的光線，從而防止由光敏元件反射回來的雜光形成干擾光斑，同時對小于950nm波長的光的透射率為0即波長小于950nm的光被完全阻擋，且阻光層上至少有一個透光孔或透光縫。透光孔或縫的數量一般來說在一個或一個以上，且孔徑或縫寬為95μm～105μm，孔或縫之間的間距為700μm以上。本實施例中的阻光層膜系3上開有2個透光孔，圓孔直徑為100μm，孔間距700μm。透光孔的形狀、數量及分布則根據所選用的掩模母版的實際情況不同而相應地變化。
圖2為太陽敏感器光敏元件光譜響應的量子效率圖，如圖2所示，太陽敏感器光敏元件光譜響應的量子效率圖中，每個象素的飽和光電子數為135000。太陽輻射相當于表面溫度5800K的黑體輻射，在地球軌道上，其功率密度約為1400W/m2。
圖3為太陽輻射在地球軌道上其光譜能量相對分布圖，如圖3所示，本實施例中象元面積取15μm2，太陽光譜能量分布乘以濾光層各光譜相應的透射率，再乘以每個象元面積，可得到太陽輻射到每個象素的光能量。按照普朗克定律換算成光子數后乘以光敏元件光譜響應的量子效率，得到太陽輻射到每個象素所產生的光電子數。
圖4為本發(fā)明掩模的濾光層光譜透射率設計曲線示意圖，依據上述推導，得到濾光層光譜透射率設計曲線。
本發(fā)明中的光學掩模的制造方法是以MEMS生產工藝為基礎，在潔凈度10以上的環(huán)境中進行制造。
圖5為本發(fā)明掩模制造方法的實現流程示意圖，如圖5所示，本發(fā)明制造方法的具體實現流程包括以下步驟步驟501用直徑為12mm的白寶石棒為原料，切割成厚度為500um、直徑為12mm的圓柱狀模片，并將模片上下底面進行拋光工藝處理，形成掩?；?。
步驟502在上述掩?；囊幻驽円杂晒韬投趸铇嫵傻亩鄬咏橘|膜系即濾光層膜系2。
所述的濾光層膜系2是在美國SIGMA-ALDRICH公司制造的KW-4型勻膠機上用旋轉法在掩?；襄?yōu)V光層膜系，該濾光層膜系是由硅和二氧化硅組成的30層介質膜系，每層厚度為掩模工作波長的四分之一。
步驟503在上述的濾光層膜系2上鍍以由鉻和金交替層疊構成的多層介質膜系即阻光層膜系3。
本實施例中，采用蒸鍍的方法在濾光層膜系2上鍍阻光層膜系3，所述的阻光層膜系3是10層的多層介質膜系，該多層介質膜系中每層的厚度是掩模工作波長的四分之一。
步驟504在上述步驟完成后的阻光層膜系3上涂以光刻膠。
步驟505將繪制有2個小圓孔圖案的掩模母版緊壓在施以光刻膠的阻光層膜系上，然后在紫外線照射下對光刻膠進行曝光。
步驟506將掩模放在已配制好的、溶液組份為瓶裝鹽酸(HCl)與瓶裝硝酸(HNO3)體積比為三比一的腐蝕液里，使光刻膠開孔處露出的阻光層膜系上的阻光材料腐蝕掉，從而形成透光孔。
步驟507將掩模依次放在蒸餾水和無水乙醇中清洗后，放在溫度為95℃的烘箱中，保持30分鐘以上使之烘干。
圖6為本發(fā)明掩模的立體結構示意圖，該掩模采用上述方案和工藝制造，如圖6所示，該成品的直徑為12.6mm，厚度為0.46mm。
圖7為本發(fā)明掩模的實測光譜透射率曲線效果圖，完成本光譜透射率曲線測試實驗中使用的測試儀器是美國CONTROL DEVELOP-MENT公司的型號為NIR-900的近紅外光譜分析儀。
圖8為本發(fā)明掩模模擬測試的實驗裝置結構示意圖，如圖8所示，本實驗中，將采用該光學掩模的太陽敏感器安裝在二軸轉臺上，太陽模擬器用以提供足夠光強的光照，計算機用以處理實驗中采集到的圖像，實驗中所用的兩軸轉臺是由北京航空航天大學自動控制系研制的型號為KJ-2100C的高精度測量轉臺，太陽模擬器采用長春光電技術研究所研制的太陽模擬器。其原理是根據轉臺旋轉的角度的不同，來模擬太陽光線以不同的入射角照射到太陽敏感器的光學掩模的情況。實驗中的太陽模擬器輻照強度為0.2個太陽常數，輻照口徑為200mm，光線準直角為32′。這里，太陽常數是指在距太陽一天文單位處同太陽光線方向垂直的單位面積在單位時間內所接收到的太陽總輻射能，其中太陽與地球間的平均距離在天文學上稱作“天文單位”。
圖9(a)為本發(fā)明掩模應用于太陽敏感器光線正射時所形成的光斑圖像，圖9(b)為本發(fā)明掩模應用于太陽敏感器光線斜射時所形成的光斑圖像，如圖9(a)、圖9(b)所示，是將本發(fā)明光學掩模安裝在太陽敏感器圖像傳感器上方，由太陽模擬器提供光照所形成的太陽光斑圖像的光斑細節(jié)截圖，其中圖9(a)是太陽光線正入射的情況，光斑最大光強度灰度為170；圖9(b)是太陽光線50度入射的情況，光斑最大光強度灰度為163。實驗的截圖及測試結果均顯示光斑形狀規(guī)則，而且在太陽光線斜入射時，光斑光強度基本不變，達到預定的技術指標的要求。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種太陽敏感器光學掩模，包括有掩?；?、鍍制在掩模基片一個表面上的濾光層膜系及鍍制在濾光層膜系上的阻光層膜系，其特征在于，掩?；砂讓毷瞥桑瑸V光層膜系是由硅與二氧化硅交替層疊而成的多層介質膜系，阻光層膜系是由鉻與金交替層疊而成的多層介質膜系，所述阻光層膜系設有透光孔。
2.根據權利要求1所述的太陽敏感器光學掩模，其特征在于，所述掩?；暮穸葹?00μm～800μm。
3.根據權利要求1所述的太陽敏感器光學掩模，其特征在于，所述濾光層膜系是自靠近掩?；囊粋仁迹蓛认蛲庖来斡晒韬投趸杞惶鎸盈B構成的多層介質膜系，該濾光層膜系的層數為30層。
4.根據權利要求1所述的太陽敏感器光學掩模，其特征在于，所述阻光層膜系是自緊貼濾光層膜系一側始由內向外依次以鉻及金交替層疊構成的多層介質膜系，該阻光層膜系的層數為10層。
5.根據權利要求1、2或3所述的太陽敏感器光學掩模，其特征在于，所述濾光層膜系特性為高通型濾光層膜系，其對波長小于950nm的光的透射率為0，對波長大于1150nm的光的透射率在80％以上。
6.根據權利要求1、2或4所述的太陽敏感器光學掩模，其特征在于，所述阻光層膜系對波長小于1150nm的光的透射率為0。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的太陽敏感器光學掩模，其特征在于，所述阻光層膜系上的透光孔為一個或一個以上的孔或縫，且孔徑或縫隙寬度為95μm～105μm，相鄰的孔或縫隙間距在700μm以上。
8.一種太陽敏感器光學掩模制造方法，特征在于，該方法包括如下步驟a、采用厚度為500μm的白寶石基片，并將其上下表面拋光，制成掩?；?；b、在勻膠機上用旋轉法在掩?；襄?yōu)V光層膜系，該膜系是由硅及二氧化硅組成的30層介質膜系，每層厚度為所述掩模工作波長的四分之一；c、在濾光層膜系上采用蒸鍍的方法鍍阻光層膜系，該阻光層膜系是由金及硅組成的10層介質膜系，每層介質的厚度為所述掩模工作波長的四分之一；d、在阻光層膜系上涂以光刻膠；e、將有一個或一個以上小孔或縫圖案的掩模母版置于光刻膠的上方，在紫外線照射下對光刻膠曝光；f、將掩模放在已配制好的、溶液組份為鹽酸與硝酸體積比為三比一的腐蝕液里，腐蝕掉光刻膠開孔處露出的阻光層膜系上的阻光材料，從而形成透光孔。g、將掩模依次放入蒸餾水和無水乙醇中進行清洗后，放置在攝氏95℃的烘箱中烘干。
全文摘要
本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)測量控制系統(tǒng)中的姿態(tài)敏感器，具體涉及一種太陽敏感器光學掩模及其制造方法。該掩模由掩?；?1)、鍍制在掩?；?1)一個表面上的濾光層膜系(2)和鍍制在濾光層膜系(2)上的阻光層膜系(3)三部分構成。該掩模的制造方法及其步驟如下a、制造掩?；籦、鍍?yōu)V光層膜系；c、鍍阻光層膜系；d、涂光刻膠；e、曝光；f、腐蝕；g、清洗及烘干。本發(fā)明太陽敏感器光學掩模，具有能夠適應航天器的惡劣的力學環(huán)境、其透光孔的尺寸和形狀精度高、透過的光斑形狀無畸變以及太陽光斜入射時光強度衰減少的特點。
文檔編號G03F1/58GK101063807SQ20071010039
公開日2007年10月31日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權日2007年6月11日
發(fā)明者張廣軍, 樊巧云, 張曉敏, 孫維國, 趙嵐 申請人:北京航空航天大學