专利名称：一种太阳敏感器光学掩模及其制造方法
技术领域：
本发明涉及航天器姿态测量控制系统中的姿态敏感器技术，尤其涉及一种太阳敏感器光学掩模及其制造方法。
背景技术：
航天器在空间的方位称为姿态，航天器的控制工作中有一项称为姿态控制。航天器的控制系统通常是由敏感器、控制器以及执行机构三大部分组成，其中敏感器用以测量某些绝对的或相对的物理量，而姿态敏感器则用来测量航天器本体坐标系相对于某个基准坐标系的相对角位置或角速度，以确定航天器的姿态。太阳敏感器是在航空领域应用最广泛的一类敏感器，通常卫星上都配备有太阳敏感器。太阳敏感器是通过测量太阳相对航天器的本体坐标系的位置来确定卫星的姿态。
太阳敏感器的构成主要包括三个方面光学头部、传感器部分和信号处理部分。其中光学头部可以采用狭缝、小孔、透镜、棱镜等方式。为了能够使太阳光线被太阳敏感器的光敏感元件所接收且实现姿态测量的功能，太阳敏感器的光敏感元件前需设置透光孔或透光缝。为了保证测量精度，透光孔或透光缝都比较小，一般在几十微米到500微米左右。
目前太阳敏感器的透光孔或透光缝有两种制作方法，一种是采用微机械加工制作金属透光孔或透光缝，另一种是以微机电系统(MEMS，Micro ElectroMechanical Systems)生产工艺为基础制作光学掩模。金属透光孔或透光缝加工成本低、工艺简单，但由于金属透光孔或透光缝存在一定的几何厚度，在太阳光斜入射时其光斑图像发生形状畸变，致使姿态测量精度低。MEMS工艺不是利用加工工具与材料的直接相互作用，其限制微三维结构尺寸精度的不是加工工具本身的尺寸，而是成像系统的分辨率，例如光波的波长，光束的直径等。
目前，MEMS工艺是唯一能在基底上制作亚微米精度图形的技术，主要用来制作掩模、体硅工艺中空腔腐蚀、表面工艺中牺牲层薄膜的沉积和腐蚀等。因此，采用光刻技术制作太阳敏感器的光学掩模是当前国内外研究热点，如美国国家航空航天局(NASA)的喷气推动实验室(JPL)，其光学掩模制作工艺为在硅基片上镀铬，再在铬层上镀金，最后在金层上蚀刻相应的图形。在这种工艺中，硅基片能透过近红外光，而铬层一方面起到了粘合硅基片和金层的作用，另一方面也通过改变其厚度达到不同程度地衰减透过光的作用。但是，铬层作为光衰减层在太阳光斜入射光学掩模时，光线穿越铬层的实际长度加长，透过光的强度也随之变小，这种情况随着太阳光斜入射角度的增加而愈发严重。金层作为阻光层不能吸收由光敏感器件反射回来的光线，从而形成反射杂光。这些因素不利于太阳敏感器提高视场范围和克服杂光影响。另外，其采用的硅基片都很难适应航空航天恶劣的力学环境，如强振动、冲击和加速度等。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于针对现有光学掩模的缺陷，提供一种精度高、可靠性高、滤光层的光谱透射率不随太阳入射角度变化而变化、能适应恶劣力学环境的光学掩模及其制造方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种太阳敏感器光学掩模，包括有掩模基片、镀制在掩模基片一个表面上的滤光层膜系及镀制在滤光层膜系上的阻光层膜系，掩模基片由白宝石制成，滤光层膜系是由硅与二氧化硅交替层叠而成的多层介质膜系，阻光层膜系是由铬与金交替层叠而成的多层介质膜系，所述阻光层膜系设有透光孔。
其中，所述掩模基片的厚度为500μm～800μm。
上述方案中，所述滤光层膜系是自靠近掩模基片的一侧始，由内向外依次由硅和二氧化硅交替层叠构成的多层介质膜系，该滤光层膜系的层数为30层；所述阻光层膜系是自紧贴滤光层膜系一侧始由内向外依次以铬及金交替层叠构成的多层介质膜系，该阻光层膜系的层数为10层。
其中，所述滤光层膜系特性为高通型滤光层膜系，其对波长小于950nm的光的透射率为0，对波长大于1150nm的光的透射率在80％以上；所述阻光层膜系对波长小于1150nm的光的透射率为0，且阻光层膜系上的透光孔为一个或一个以上的孔或缝，且孔径或缝隙宽度为95μm～105μm，相邻的孔或缝隙间距在700μm以上。
一种太阳敏感器光学掩模制造方法，包括如下步骤a、采用厚度为500μm的白宝石基片，并将其上下表面抛光，制成掩模基片；b、在KW-4型匀胶机上用旋转法在掩模基片上镀滤光层膜系，该膜系是由硅及二氧化硅组成的30层介质膜系，每层厚度为所述掩模工作波长的四分之一；c、在滤光层膜系上采用蒸镀的方法镀阻光层膜系，该阻光层膜系是由金及硅组成的10层介质膜系，每层介质的厚度为所述掩模工作波长的四分之一；d、在阻光层膜系上涂以光刻胶；e、将有一个或多个小孔或缝图案的掩模母版置于光刻胶的上方，然后在紫外线照射下对光刻胶曝光；f、将掩模放在已配制好的、溶液组份为瓶装盐酸(HCl)与瓶装硝酸(HNO3)体积比为三比一的腐蚀液里，使光刻胶开孔处露出的阻光层膜系上的阻光材料腐蚀掉，从而形成透光孔。
g、将掩模依次放入蒸馏水和无水乙醇中进行清洗后，放置在摄氏95℃的烘箱中烘干。
因此，采用本发明所述的太阳敏感器光学掩模及其制造方法，具有以下优点和特点1)、基于MEMS工艺，所形成的透光孔的尺寸和形状精度高。
2)、阻光层很薄，太阳光光线斜入射时光斑图像无形状畸变。
3)、阻光层采用铬和金组成的多层介质膜系，能有效吸收波长范围在950nm～1100nm的光，可使太阳敏感器光敏元件的感光面上无反射杂光。
4)、膜系中不存在光衰减层，在太阳光斜入射时，透过光的强度无明显变化。
5)、采用白宝石作为掩模基片，能够适应恶劣的力学环境。
图1(a)为本发明掩模的结构示意图；图1(b)为图1(a)的俯视图；图2为太阳敏感器光敏元件光谱响应的量子效率图；图3为太阳辐射在地球轨道上其光谱能量相对分布图；图4为本发明掩模的滤光层光谱透射率设计曲线示意图；图5为本发明掩模制造方法的实现流程示意图；图6为本发明掩模的立体结构示意图；图7为本发明掩模实测的光谱透射率曲线效果图；图8为本发明掩模模拟测试的实验装置结构示意图；图9(a)为本发明掩模应用于太阳敏感器光线正射时所形成的光斑图像；图9(b)为本发明掩模应用于太阳敏感器光线斜射时所形成的光斑图像。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
图1(a)为本发明掩模的结构示意图；图1(b)为图1(a)的俯视图。如图1(a)所示，该掩模由一片掩模基片1、镀制在掩模基片1的一个表面上的滤光层膜系2以及镀制在滤光层膜系2上的阻光层膜系3组成。
其中，掩模基片1由白宝石制造。白宝石，又名青玉，属于软玉中的一种，其硬度为6.5，平均强度为3617kg/cm2，经挤压强度实验验证其具有强韧性，所以选择其为掩模基片能够适应恶劣的力学环境。本发明所采用的掩模基片1的厚度为0.4mm～0.6mm，由直径为12mm左右的圆柱状成品白宝石棒切割而成，且切割后所得的基片上下底面均经过抛光工艺处理。根据实际情况，如果白宝石棒的形状不同，切割后的掩模基片形状亦随之有所不同。
滤光层膜系2采用了由硅与二氧化硅交替层叠构成的多层介质膜系。该多层介质膜系结构可以通过控制各层介质的厚度来灵活控制滤光层的光谱透射特性，根据滤光层膜系所选工作波长的不同，介质膜系中每层的厚度为该工作波长的四分之一，而自靠近掩模基片的一侧始，该滤光层膜系自内向外依次由硅、二氧化硅交替层叠构成。本实施例中掩模的工作波长范围为950nm～1100nm，经过实验证实，本实施例中滤光层的多层介质膜系层数为30层时效果最佳，并且该滤光层为高通型滤光层膜系，该滤光层膜系的性能特点是对于波长小于950nm的光的透射率为0，对波长大于1150nm的光的透射率在80％以上。
阻光层膜系3是由铬和金层叠而成的多层介质膜系构成。具体是该阻光层膜系自紧挨滤光层膜系一侧始，由铬和金介质交替层叠构成，且构成该阻光层膜系的铬及金层的多层介质膜系的层数为10层。本实施例中的阻光层膜系的性能特点是该阻光层膜系能够有效吸收波长在950nm～1100nm的光线，从而防止由光敏元件反射回来的杂光形成干扰光斑，同时对小于950nm波长的光的透射率为0即波长小于950nm的光被完全阻挡，且阻光层上至少有一个透光孔或透光缝。透光孔或缝的数量一般来说在一个或一个以上，且孔径或缝宽为95μm～105μm，孔或缝之间的间距为700μm以上。本实施例中的阻光层膜系3上开有2个透光孔，圆孔直径为100μm，孔间距700μm。透光孔的形状、数量及分布则根据所选用的掩模母版的实际情况不同而相应地变化。
图2为太阳敏感器光敏元件光谱响应的量子效率图，如图2所示，太阳敏感器光敏元件光谱响应的量子效率图中，每个象素的饱和光电子数为135000。太阳辐射相当于表面温度5800K的黑体辐射，在地球轨道上，其功率密度约为1400W/m2。
图3为太阳辐射在地球轨道上其光谱能量相对分布图，如图3所示，本实施例中象元面积取15μm2，太阳光谱能量分布乘以滤光层各光谱相应的透射率，再乘以每个象元面积，可得到太阳辐射到每个象素的光能量。按照普朗克定律换算成光子数后乘以光敏元件光谱响应的量子效率，得到太阳辐射到每个象素所产生的光电子数。
图4为本发明掩模的滤光层光谱透射率设计曲线示意图，依据上述推导，得到滤光层光谱透射率设计曲线。
本发明中的光学掩模的制造方法是以MEMS生产工艺为基础，在洁净度10以上的环境中进行制造。
图5为本发明掩模制造方法的实现流程示意图，如图5所示，本发明制造方法的具体实现流程包括以下步骤步骤501用直径为12mm的白宝石棒为原料，切割成厚度为500um、直径为12mm的圆柱状模片，并将模片上下底面进行抛光工艺处理，形成掩模基片1。
步骤502在上述掩模基片的一面镀以由硅和二氧化硅构成的多层介质膜系即滤光层膜系2。
所述的滤光层膜系2是在美国SIGMA-ALDRICH公司制造的KW-4型匀胶机上用旋转法在掩模基片上镀滤光层膜系，该滤光层膜系是由硅和二氧化硅组成的30层介质膜系，每层厚度为掩模工作波长的四分之一。
步骤503在上述的滤光层膜系2上镀以由铬和金交替层叠构成的多层介质膜系即阻光层膜系3。
本实施例中，采用蒸镀的方法在滤光层膜系2上镀阻光层膜系3，所述的阻光层膜系3是10层的多层介质膜系，该多层介质膜系中每层的厚度是掩模工作波长的四分之一。
步骤504在上述步骤完成后的阻光层膜系3上涂以光刻胶。
步骤505将绘制有2个小圆孔图案的掩模母版紧压在施以光刻胶的阻光层膜系上，然后在紫外线照射下对光刻胶进行曝光。
步骤506将掩模放在已配制好的、溶液组份为瓶装盐酸(HCl)与瓶装硝酸(HNO3)体积比为三比一的腐蚀液里，使光刻胶开孔处露出的阻光层膜系上的阻光材料腐蚀掉，从而形成透光孔。
步骤507将掩模依次放在蒸馏水和无水乙醇中清洗后，放在温度为95℃的烘箱中，保持30分钟以上使之烘干。
图6为本发明掩模的立体结构示意图，该掩模采用上述方案和工艺制造，如图6所示，该成品的直径为12.6mm，厚度为0.46mm。
图7为本发明掩模的实测光谱透射率曲线效果图，完成本光谱透射率曲线测试实验中使用的测试仪器是美国CONTROL DEVELOP-MENT公司的型号为NIR-900的近红外光谱分析仪。
图8为本发明掩模模拟测试的实验装置结构示意图，如图8所示，本实验中，将采用该光学掩模的太阳敏感器安装在二轴转台上，太阳模拟器用以提供足够光强的光照，计算机用以处理实验中采集到的图像，实验中所用的两轴转台是由北京航空航天大学自动控制系研制的型号为KJ-2100C的高精度测量转台，太阳模拟器采用长春光电技术研究所研制的太阳模拟器。其原理是根据转台旋转的角度的不同，来模拟太阳光线以不同的入射角照射到太阳敏感器的光学掩模的情况。实验中的太阳模拟器辐照强度为0.2个太阳常数，辐照口径为200mm，光线准直角为32′。这里，太阳常数是指在距太阳一天文单位处同太阳光线方向垂直的单位面积在单位时间内所接收到的太阳总辐射能，其中太阳与地球间的平均距离在天文学上称作“天文单位”。
图9(a)为本发明掩模应用于太阳敏感器光线正射时所形成的光斑图像，图9(b)为本发明掩模应用于太阳敏感器光线斜射时所形成的光斑图像，如图9(a)、图9(b)所示，是将本发明光学掩模安装在太阳敏感器图像传感器上方，由太阳模拟器提供光照所形成的太阳光斑图像的光斑细节截图，其中图9(a)是太阳光线正入射的情况，光斑最大光强度灰度为170；图9(b)是太阳光线50度入射的情况，光斑最大光强度灰度为163。实验的截图及测试结果均显示光斑形状规则，而且在太阳光线斜入射时，光斑光强度基本不变，达到预定的技术指标的要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种太阳敏感器光学掩模，包括有掩模基片、镀制在掩模基片一个表面上的滤光层膜系及镀制在滤光层膜系上的阻光层膜系，其特征在于，掩模基片由白宝石制成，滤光层膜系是由硅与二氧化硅交替层叠而成的多层介质膜系，阻光层膜系是由铬与金交替层叠而成的多层介质膜系，所述阻光层膜系设有透光孔。
2.根据权利要求1所述的太阳敏感器光学掩模，其特征在于，所述掩模基片的厚度为500μm～800μm。
3.根据权利要求1所述的太阳敏感器光学掩模，其特征在于，所述滤光层膜系是自靠近掩模基片的一侧始，由内向外依次由硅和二氧化硅交替层叠构成的多层介质膜系，该滤光层膜系的层数为30层。
4.根据权利要求1所述的太阳敏感器光学掩模，其特征在于，所述阻光层膜系是自紧贴滤光层膜系一侧始由内向外依次以铬及金交替层叠构成的多层介质膜系，该阻光层膜系的层数为10层。
5.根据权利要求1、2或3所述的太阳敏感器光学掩模，其特征在于，所述滤光层膜系特性为高通型滤光层膜系，其对波长小于950nm的光的透射率为0，对波长大于1150nm的光的透射率在80％以上。
6.根据权利要求1、2或4所述的太阳敏感器光学掩模，其特征在于，所述阻光层膜系对波长小于1150nm的光的透射率为0。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳敏感器光学掩模，其特征在于，所述阻光层膜系上的透光孔为一个或一个以上的孔或缝，且孔径或缝隙宽度为95μm～105μm，相邻的孔或缝隙间距在700μm以上。
8.一种太阳敏感器光学掩模制造方法，特征在于，该方法包括如下步骤a、采用厚度为500μm的白宝石基片，并将其上下表面抛光，制成掩模基片；b、在匀胶机上用旋转法在掩模基片上镀滤光层膜系，该膜系是由硅及二氧化硅组成的30层介质膜系，每层厚度为所述掩模工作波长的四分之一；c、在滤光层膜系上采用蒸镀的方法镀阻光层膜系，该阻光层膜系是由金及硅组成的10层介质膜系，每层介质的厚度为所述掩模工作波长的四分之一；d、在阻光层膜系上涂以光刻胶；e、将有一个或一个以上小孔或缝图案的掩模母版置于光刻胶的上方，在紫外线照射下对光刻胶曝光；f、将掩模放在已配制好的、溶液组份为盐酸与硝酸体积比为三比一的腐蚀液里，腐蚀掉光刻胶开孔处露出的阻光层膜系上的阻光材料，从而形成透光孔。g、将掩模依次放入蒸馏水和无水乙醇中进行清洗后，放置在摄氏95℃的烘箱中烘干。
全文摘要
本发明涉及航天器姿态测量控制系统中的姿态敏感器，具体涉及一种太阳敏感器光学掩模及其制造方法。该掩模由掩模基片(1)、镀制在掩模基片(1)一个表面上的滤光层膜系(2)和镀制在滤光层膜系(2)上的阻光层膜系(3)三部分构成。该掩模的制造方法及其步骤如下a、制造掩模基片；b、镀滤光层膜系；c、镀阻光层膜系；d、涂光刻胶；e、曝光；f、腐蚀；g、清洗及烘干。本发明太阳敏感器光学掩模，具有能够适应航天器的恶劣的力学环境、其透光孔的尺寸和形状精度高、透过的光斑形状无畸变以及太阳光斜入射时光强度衰减少的特点。
文档编号G03F1/58GK101063807SQ20071010039
公开日2007年10月31日 申请日期2007年6月11日 优先权日2007年6月11日
发明者张广军, 樊巧云, 张晓敏, 孙维国, 赵岚 申请人:北京航空航天大学