CN104375205A - 微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微小空间碎片探测的探测器探头及其传感器的制备方法。在探测器探头中，传感器和电极引出板安装在底座与顶板装配形成的空腔内；其中，在传感器中，底电极与顶电极均位于传感器顶面，避免了底电极与顶电极分别位于顶面和底面导致的不便于电极的引出及安装的问题。通过金丝焊压工艺将顶电极和底电极引到电极引出板，电极引出板的引出线通过底座上的导线引出孔引出，能够解决因焊接工艺以及引线多且复杂导致的薄铝电极容易损毁的问题。

Description

微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法

技术领域

本发明涉及空间碎片探测领域，具体涉及一种用于微小空间碎片探测的MOS(Metal-Oxide-Silicon，金属-氧化物-硅)探测器探头以及探测器探头内部的传感器制备方法。

背景技术

随着人类航天活动的日益频繁，空间碎片数量快速增加，其对人类航天活动的影响越来越大。空间碎片尤其是数量众多的微小空间碎片会对航天器所用光学仪器的表面、热覆涂层以及其他安装在航天器表面的部件造成损伤，为掌握微小空间碎片的空间分布特征，国外很多航天任务都把微小空间碎片在轨探测作为其主要目标之一。

NASA拉格朗日研究中心开展的行星际微尘试验(IDE)使用的探测器探头是由单片MOS传感器构成，该探头具有MOS传感器面积大、引线少的优点，但正是由于采用单片，存在因单次撞击事件碎裂或短路失效而导致整个探测器探头失效的问题；另外单片MOS传感器的面积大还存在成品率低和抗力学性能差的缺点。

目前国外已公开发表的基于MOS探测器开展微小空间碎片在轨探测研究主要有：William H.Kinard等人申请的美国专利(专利号：4964300)“行星际微尘试验(IDE)以及微流星体和空间碎片计数试验(OMDC)”。该专利研制的MOS探测器探头由9个相互分离的扇形MOS传感器组合而成，该MOS探测器探头可以避免因单个MOS传感器短路而导致整个探测器探头失效的问题。但是，这9个扇形的MOS传感器共用一块硅衬底材料，因此它仍然存在衬底因单次撞击事件碎裂失效而导致整个探测器探头失效的缺点。此外构成该探测器探头的MOS传感器顶电极和底电极分别位于传感器的顶面和底面，不便于电极的引出及安装。

Sharon K.Crockett等人在微流星体和空间碎片计数试验(OMDC)采用的MOS探测器相对IDE所采用的探测器有所改进，其使用的MOS传感器为矩形(39mm×71mm)，直接使用RTV566胶和RTV142胶将其粘贴在航天器的表面，采用该探测器可以构建大面积探测面，但其具有如下问题：(1)构成该探测器探头的MOS传感器电极引出采用焊接工艺，容易造成薄铝电极损毁；(2)当采用多个传感器时，传感器的布局要考虑热控设计，每个传感器需要分别焊接和引线，引线多，布线复杂，且布线与电控机箱距离远，易造成信号的干扰；(3)整星测试时，需要对航天器的壁板进行多次拆装，拆装时需要考虑传感器划伤、碎裂的问题，限制多；而且多次的拆装导致比较脆弱的薄铝电极容易损坏。

截至目前，国内从事相关研究并已公开的文献资料仅有中国空间技术研究院总体部的向宏文和北京大学的王金延等人开展了用于微小空间碎片探测的MOS探测器的研制和地面高速粒子撞击试验研究。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于微小空间碎片探测的MOS探测器探头，不仅能够解决单次撞击事件引起单个MOS传感器碎裂或短路失效时导致整个探测器探头失效的问题，而且能够解决因焊接工艺以及引线多且复杂导致的薄铝电极容易损毁，还能够解决由于底电极与顶电极分别位于传感器的顶面和底面，导致的不便于电极的引出及安装的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于微小空间碎片探测的探测器探头，包括：底座、电极引出板、顶板和至少2个传感器；传感器和电极引出板安装在底座与顶板装配形成的空腔内；

传感器由基片、基片一侧的二氧化硅介质层、以及在二氧化硅介质层的同一面上由金属铝制备形成的灵敏区、顶电极和底电极组成；灵敏区与顶电极相接触，底电极不与灵敏区相接触；

传感器黏贴于所述空腔内；通过金丝焊压工艺将顶电极和底电极引到电极引出板，电极引出板的引出线通过底座上的导线引出孔引出。

优选地，所述顶板上具有窗口和遮盖部，窗口将传感器的敏感区暴露到外面，遮盖部遮盖于电极引出板上方。

优选地，所述遮盖部进一步覆盖顶电极和底电极的部分或全部。

优选地，在同一传感器中，顶电极和底电极位于灵敏区的同一侧；各传感器以阵列形式布置，排阵时，各传感器的顶电极和底电极所在侧集中布置，电极引出板安装在顶电极和底电极集中分布的位置。

排阵时，各传感器的顶电极和底电极所在侧首先集中布置到传感器阵列周边，距离周边较远的传感器，其顶电极和底电极所在侧集中布置到一条直线上。

优选地，一个MOS探测器探头配置4个传感器，形成2×2传感器阵列；两个电极引出板布置在2×2传感器阵列的左右两侧：其中2个传感器的顶电极和底电极朝向左侧电极引出板，另外两个传感器的顶电极和底电极朝向右侧电极引出板。

优选地，所述传感器中，圆形的灵敏区位于生长有二氧化硅介质层正方形的基片中间，顶电极朝向正方形其中一个直角A，底电极为占据正方形另一个直角B的直角三角形，直角A和直角B位于正方形的同一边。

优选地，所述电极引出板的顶面具有焊盘，底面具有引出线，顶面上的焊盘与底面的引出线在电极引出板内部电连通。

优选地，用于黏贴传感器的固定胶由自下而上的环氧胶树脂、聚酰亚胺膜和贴片胶三层组成；传感器黏贴在贴片胶一层。

本发明还提供了一种上述探测器探头中传感器的制备方法，包括：

步骤1、采用P型单面抛光的硅片作为基片；

步骤2、对基片进行常规清洗；

步骤3、在基片的抛光面通过湿氧氧化生长二氧化硅介质层；

步骤4、采用光刻工艺，在二氧化硅介质层上形成露出基片的底电极制备区；

步骤5、漂自然氧化层；

步骤6、采用物理气相积淀法在二氧化硅介质层和底电极制备区处整体溅射铝；

步骤7、采用光刻工艺，保留位于所述底电极制备区的铝，形成底电极；

步骤8、采用物理气相积淀法在二氧化硅介质层和底电极上整体溅射铝；

步骤9、采用光刻工艺，保留二氧化硅介质层上形状为灵敏区和顶电极的铝层，从而形成灵敏区和顶电极；并且保留底电极上的铝层；

步骤10、合金。

有益效果：

(1)本发明将顶电极和底电极均位于MOS探测器的顶面，与现有MOS探测器底电极与顶电极分别位于探测器的顶面和底面相比，更便于探测器电极的引出和探测器在金属底座上的贴片胶粘安装。

(2)将多个传感器布置在底座与顶板组成的空腔内，且传感器通过电极引出板实现顶电极和底电极的电极引出，且电极引出采用金丝压焊工艺，可避免电极引出时焊接工艺易造成薄铝电极损毁的问题。而且，与现有技术每个传感器需要分别焊接和引线的情况相比，本发明将引线设计在装置内部，可以实现对引线信号的抗干扰和引线保护，进一步地，由于本发明将顶电极和底电极所在侧集中布置，从而简化了与电极引出板的连接，布线清晰，简单。

(3)探测器探头采用将多片相同小面积MOS传感器组合的方式，既保证了有效探测面积、控制了引线数量，又很好的避免单个传感器损毁导致整个探头失效的情况；另外小面积的传感器还具有成品率高、抗力学性能好的优点。

(4)本发明设计顶板上具有遮盖部，安装后遮盖部覆盖在电极引出板上方，从而防止空间碎片撞击电极引出板，对电极引出板形成保护；更优地，遮盖部进一步覆盖顶电极和底电极的部分或全部，从而对两个电极施以保护。

附图说明

图1为本发明MOS探测器探头的结构示意图；

图2(a)为本发明MOS探测器探头中传感器的俯视图；

图2(b)为本发明MOS探测器探头中传感器的剖视图；

图3为本发明MOS探测器探头去除顶板的俯视图；

图4为本发明MOS探测器探头中电极引出板的示意图；

图5(a)为本发明MOS探测器探头中底座的剖视图；

图5(b)为本发明MOS探测器探头中顶板的俯视图；

图6为本发明MOS探测器探头的俯视图；

图7(a)～图7(c)为本发明MOS探测器探头中传感器的布阵图；

图8(a)～图8(m)为本发明MOS探测器探头中传感器的制备过程示意图；

图9(a)～图9(f)为本发明MOS探测器探头的装配过程示意图。

其中，1-传感器，2-底座，3-电极引出板，4-顶板，11-基片，12-二氧化硅介质层，13-灵敏区，14-顶电极，15-底电极，21-导线引出孔，31-焊盘，32-引出线，41-窗口，42-遮盖部，80-底电极制备区，81-光刻胶，82-铝层，91-环氧树脂胶，92-聚酰亚胺薄膜，93-贴片胶，94-金丝。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于微小空间碎片探测的MOS探测器探头，如图1所示，该MOS探测器探头包括传感器1、底座2、电极引出板3和顶板4。传感器1和电极引出板3安装在底座2与顶板4装配形成的空腔内。

●传感器

如图2(a)和图2(b)所示，传感器1由基片11、基片一侧上的二氧化硅介质层12、以及在二氧化硅介质层上由金属铝制备形成的、位于同一面的灵敏区13、顶电极14和底电极15组成。灵敏区13和顶电极14相接触，可以为一体形成的薄铝层，底电极14不与灵敏区13接触。在这种布局方式下，顶电极和底电极均位于传感器的顶面，与现有MOS探测器底电极与顶电极分别位于探测器的顶面和底面相比，更便于探测器电极的引出和探测器在金属底座上的胶粘安装。

优选地，顶电极14和底电极15位于灵敏区13的同一侧。这种布局方式便于顶电极和底电极与电极引出板3的连接。

本实施例中，在传感器中，基片11和二氧化硅介质层12均为正方形，灵敏区13为圆形，圆形灵敏区位于生长有二氧化硅介质层正方形基片中间，顶电极14朝向正方形其中一个直角，底电极位于正方形另一个直角，这两个直角位于正方形的同一边。正方形基片加工工艺简单，且组阵方便，圆形灵敏区可以避免电场集中，而且有效利用面积大。

本发明中，一个探测器探头中集成了多个传感器1，它们以阵列形式排布，通过黏贴方式安装于底座2内。排阵时，各传感器的顶电极14和底电极15所在侧集中布置，电极引出板3安装在顶电极14和底电极15集中分布的位置。这样可以采用更少的电极引出板实现电极的引出。

排阵时，首选地，各传感器的顶电极和底电极所在侧首先集中布置到传感器阵列周边，距离周边较远的传感器，其顶电极和底电极所在侧集中布置到一条直线上。这种布局策略设计的原则在于令顶电极和底电极所在侧尽量集中，进一步便于采用更少的电极引出板实现电极的引出。

如图3所示，在本优选实施例中，一个MOS探测器探头配置4个传感器，两个电极引出板布置在2×2传感器阵列的左右两侧，2个传感器的顶电极和底电极朝向左侧电极引出板，另外两个传感器的顶电极和底电极朝向右侧电极引出板。

●电极引出板

为了避免电极引出时焊接工艺易造成薄铝电极损毁的问题，本发明采用金丝焊压工艺将各传感器的顶电极和底电极引到电极引出板3，如图4所示，电极引出板3的顶面具有焊盘31，底面具有引出线(图4未示出)，顶面上的焊盘与底面的引出线在电极引出板内部电连通。

●底座和顶板

如图5(a)所示，底座2上具有一凹槽作为容纳腔，槽底具有导线引出孔21，电极引出板3的引出线通过底座2上的导线引出孔21引出至外部。槽壁的上端面开设有与顶板4配合的安装孔。

如图5(b)所示，顶板4上具有窗口41和遮盖部42，还具有与底座2配合的安装孔。采用螺钉将顶板4安装至底座后，窗口41将底座2内部的传感器1的敏感区暴露在外，遮盖部42遮盖于电极引出板上方，从而防止空间碎片撞击电极引出板，对电极引出板形成保护。更加理想的设计是，遮盖部进一步覆盖顶电极14和底电极15的部分或全部，从而对两个电极施以保护，部分遮盖效果如图6所示。

在实际中，基于上述传感器的布局设计，还可以形成图7或更多其它形式的布局方式，如图7(a)示出了8个传感器的布局情况，图7(b)示出了16个传感器的布局情况，图7(c)示出了4个传感器的另一种集中布局情况，布局的关键点在于电极引出位置尽量集中即可，其目的是使得金丝焊接涉及的连接距离更短，交叉更少，且便于顶板覆盖。对于电极引出板位于传感器阵列中间的情况，例如图7(b)和图7(c)，可以在顶板上增加搭接在窗口41中部的横梁，用于形成中部电极引出板的遮盖部。

下面对本发明MOS探测器探头的制备过程进行详细描述。

(一)制备传感器，包括如下步骤：

步骤1、采用P型单面抛光的硅片作为基片11，基片剖面如图8(a)；本实施例中，选择电阻率0.01Ω.cm的单面抛光P型硅片；

步骤2、对基片11进行常规清洗；

步骤3、在基片11的抛光面通过湿氧氧化生长二氧化硅介质层12，如图8(b)；本实施例中，通过1000℃湿氧氧化生长厚度为1.0μm的二氧化硅介质层；

步骤4、采用光刻工艺，在二氧化硅介质层12上形成露出基片的底电极制备区80。

本步骤中，首先在二氧化硅介质层12上涂覆光刻胶81，曝光显影，形成底电极制备区80，如图8(c)；接着，通过缓冲的氢氟酸湿法腐蚀二氧化硅介质层1.0μm，从而将底电极制备区80内的二氧化硅介质层去除，露出基片，如图8(d)；接着常规去胶，如图8(e)；

步骤5、采用氢氟酸对基片漂自然氧化层；

步骤6、采用物理气相积淀法(PVD)溅射1.0μm的铝层82，该铝层覆盖剩下的二氧化硅介质层12和底电极制备区80，如图8(f)；

步骤7、采用光刻工艺，保留位于底电极制备区的铝，形成底电极15。

本步骤中，首先涂覆光刻胶81，曝光显影，对底电极制备区80进行保护，如图8(g)；接着，采用体积比为80％磷酸+5％醋酸+5％硝酸+10％水溶液的配液湿法腐蚀铝层82，如图8(h)；最后发烟硝酸去胶，如图8(i)，最后进行硫酸常温清洗；

步骤8、采用物理气相积淀法溅射0.1μm的铝层82，该铝层覆盖剩下的二氧化硅介质层12和底电极15，如图8(j)；

步骤9、采用光刻工艺，在二氧化硅介质层12上形成灵敏区13和顶电极14的薄铝层，厚度为0.1μm；

本步骤中，首先涂覆光刻胶81，曝光显影，对灵敏区13和顶电极14还有底电极15进行保护，如图8(k)；接着，湿法腐蚀铝层，留下的铝层中一部分形成了灵敏区13和顶电极14，另一部分与步骤7形成的底电极共同形成较厚的底电极，如图8(l)；最后发烟硝酸去胶，如图8(m)，最后进行硫酸常温清洗；

步骤10、氢气+氮气合金。

(二)制备底座、电极引出板和顶板；

本实施例中，制备的底座结构如图5(a)的标记2所示，其采用铝合金材料，外形尺寸为：80mm×65mm×5mm，底座厚度2mm，底座壁厚2mm，底座内空腔深度3mm，底座底部的导线引出孔21直径4mm。电极引出板结构如图4，外形其尺寸为：46mm×5mm×2mm。顶板结构如图5(b)，其外形尺寸为：80mm×65mm×2mm，内框尺寸为：55mm×55mm×2mm。

(三)MOS探测器探头的装配：将传感器1、电极引出板3通过贴片胶粘工艺安装到底座上，通过金丝压焊工艺将传感器的顶电极14和底电极15引出到电极引出板3，具体步骤如下：

(1)在底座2底部安装电极引出板3的位置(导线引出孔21位置处)涂覆一层环氧树脂胶(30μm)，通过环氧胶将电极引出板粘牢，黏粘位置参见图9(a)；

(2)在底座2中间位置均匀涂覆一层30μm的环氧树脂胶91，如图9(b)；

(3)在环氧树脂胶上黏贴一层厚度为30μm的聚酰亚胺薄膜92，如图9(c)；

(4)在聚酰亚胺膜上均匀涂覆一层30μm的贴片胶93，如图9(d)；

(5)通过贴片胶93将传感器1黏贴在聚酰亚胺膜92上，如图9(e)；本实施例中，环氧树脂胶(J133)、聚酰亚胺薄膜和贴片胶(601胶)均为30μm厚。

(6)通过金丝压焊工艺，将传感器1的顶电极14和底电极15通过直径不小于38μm的金丝94引到电极引出板的焊盘上，如图3(f)；

(7)通过底座2上的导线引出孔21将电极引出板上的引出线32与外部电控机箱的接插件连接。

(8)将顶板4安装到完成以上步骤的探测器上构成完整的探测器探头，如图1所示。

综上所述，以上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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微小空间碎片探测的探测器探头，其特征在于，包括：底座(2)、电极引出板(3)、顶板(4)和至少2个传感器(1)；传感器(1)和电极引出板(3)安装在底座(2)与顶板(4)装配形成的空腔内；

传感器(1)由基片(11)、基片一侧的二氧化硅介质层(12)、以及在二氧化硅介质层的同一面上由金属铝制备形成的灵敏区(13)、顶电极(14)和底电极(15)组成；灵敏区(13)与顶电极(14)相接触，底电极(15)不与灵敏区相接触；

传感器(1)黏贴于所述空腔内；通过金丝焊压工艺将顶电极和底电极引到电极引出板(3)，电极引出板(3)的引出线(32)通过底座(2)上的导线引出孔(21)引出。

2.如权利要求1所述的探测器探头，其特征在于，所述顶板(4)上具有窗口(41)和遮盖部(42)，窗口(41)将传感器的敏感区(13)暴露到外面，遮盖部(42)遮盖于电极引出板(3)上方。

3.如权利要求2所述的探测器探头，其特征在于，所述遮盖部(42)进一步覆盖顶电极(14)和底电极(15)的部分或全部。

4.如权利要求1所述的探测器探头，其特征在于，在同一传感器中，顶电极(14)和底电极(15)位于灵敏区(13)的同一侧；

各传感器(1)以阵列形式布置，排阵时，各传感器的顶电极和底电极所在侧集中布置，电极引出板(3)安装在顶电极和底电极集中分布的位置。

5.如权利要求4所述的探测器探头，其特征在于，排阵时，各传感器(1)的顶电极和底电极所在侧首先集中布置到传感器阵列周边，距离周边较远的传感器，其顶电极和底电极所在侧集中布置到一条直线上。

6.如权利要求4所述的探测器探头，其特征在于，一个MOS探测器探头配置4个传感器(1)，形成2×2传感器阵列；两个电极引出板(3)布置在2×2传感器阵列的左右两侧：其中2个传感器的顶电极和底电极朝向左侧电极引出板，另外两个传感器的顶电极和底电极朝向右侧电极引出板。

7.如权利要求1所述的探测器探头，其特征在于，所述传感器中，圆形的灵敏区(13)位于生长有二氧化硅介质层正方形的基片(11)中间，顶电极(14)朝向正方形其中一个直角A，底电极(15)为占据正方形另一个直角B的直角三角形，直角A和直角B位于正方形的同一边。

8.如权利要求1所述的探测器探头，其特征在于，所述电极引出板(3)的顶面具有焊盘(31)，底面具有引出线(32)，顶面上的焊盘(31)与底面的引出线(32)在电极引出板内部电连通。

9.如权利要求1所述的探测器探头，其特征在于，用于黏贴传感器的固定胶由自下而上的环氧胶树脂(91)、聚酰亚胺膜(92)和贴片胶(93)三层组成；传感器(1)黏贴在贴片胶(93)一层。

10.一种用于权利要求1所述探测器探头的传感器制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、采用P型单面抛光的硅片作为基片(11)；

步骤2、对基片(11)进行常规清洗；

步骤3、在基片(11)的抛光面通过湿氧氧化生长二氧化硅介质层(12)；

步骤4、采用光刻工艺，在二氧化硅介质层(12)上形成露出基片的底电极制备区；

步骤5、漂自然氧化层；

步骤6、采用物理气相积淀法在二氧化硅介质层(12)和底电极制备区处整体溅射铝；

步骤7、采用光刻工艺，保留位于所述底电极制备区的铝，形成底电极(15)；

步骤8、采用物理气相积淀法在二氧化硅介质层(12)和底电极(15)上整体溅射铝；

步骤9、采用光刻工艺，保留二氧化硅介质层上形状为灵敏区(13)和顶电极(1)的铝层，从而形成灵敏区(13)和顶电极(1)；并且保留底电极(15)上的铝层；

步骤10、合金。