CN109709149B

CN109709149B - 全阻性微井型探测器放大单元及制备方法

Info

Publication number: CN109709149B
Application number: CN201811529144.0A
Authority: CN
Inventors: 周意; 吕游; 尚伦霖; 张广安; 鲁志斌; 刘建北; 张志永; 邵明
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109709149A

Abstract

本公开提供一种全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法，该全阻性微井型探测器放大单元由下至上依次分为：读出电极PCB、Prepreg层、第一阻性DLC层、APICAL层以及第二阻性DLC层；本公开提供的全阻性微井型探测器放大单元及制备方法中上下电极为40nm左右的阻性DLC层，其物质量比APICAL小3个量级，因此放大单元的总物质量仅为μRWELL探测器放大单元总物质量的33％左右，更低的物质量能有效降低探测器在探测低能带电粒子时对粒子本身造成的影响，有效拓展该探测器在中低能核物理实验中的应用。

Description

全阻性微井型探测器放大单元及制备方法

技术领域

本公开涉及阻性微井型探测器技术领域，尤其涉及一种全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法。

背景技术

上个世纪50年代以来，在世界科技大发展的推动下，核与粒子物理领域中的粒子探测技术取得了巨大的进步：90年代，微结构气体探测器(Micro-Pattern GaseousDetector，MPGD)的概念被提出来。这些新型的微结构气体探测器具有许多几十微米尺度的放大单元，通过收集入射粒子在探测器的漂移转换区产生的原初电子并在放大单元内对其并进行雪崩放大，能够实现对入射粒子位置的精确测量。和多丝正比室为代表的传统气体探测器相比，MPGD不仅位置分辨好(＜100μm)，计数率能力高(～MHz/mm²)，抗辐射能力强，而且造价低廉，很容易被加工成各种形状，很适合大型高能物理实验中大面积的径迹探测与辐射成像应用。这些新型的MPGD中，气体电子倍增器(Gas Electron Multiplier，GEM)与微网格气体探测器(Micro-Mesh Gaseous Structure，MICROMEGAS)是发展最成熟的两类探测器，二者均已经被广泛应用于核与粒子物理实验中。

阻性微井型探测器(μRWELL)是一种具有单级放大结构的新型微结构气体探测器(MPGD)，其主要部件是一块集成了放大单元和读出电极的μRWELL PCB，其结构如图1所示，μRWELL探测器的放大单元是一种井型的盲孔，井壁是聚酰亚胺(APICAL)，井壁上方是铜电极，放大单元底部是一层DLC阻性电极，DLC阻性电极和金属读出电极之间的用一层厚度大约为50μm的绝缘薄膜(Prepreg)隔开，μRWELL探测器由一块μRWELL PCB和漂移电极构成。

然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，μRWELL探测器目前主要存在两个不足之处：1)由于μRWELL探测器采用的是单级放大结构，在某些需要增益很大的应用场合，需要把漂移区作为预放大区。而由于漂移电极和放大单元的上铜电极都是金属电极，因此漂移区作为预放大区时产生的打火放电无法被淬灭，会造成探测器与前端电子学的损坏，以及增加探测器的死时间。2)由于金属电极铜的存在，对μRWELL探测器的物质量贡献非常大，与采用相同漂移电极和读出电极的Micromegas比起来相差不大，因此在低物质量环境下应用时仍然不够完美。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法，以缓解现有技术中的μRWELL探测器漂移电极和放大单元的上铜电极都是金属电极，容易导致探测器与前端电子学的损坏，以及增加探测器的死时间；并且由于金属电极铜对μRWELL探测器的物质量贡献非常大，对粒子探测容易产生不利影响的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，包括：步骤A：在读出电极PCB的表面制作Prepreg层；步骤B：将APICAL基材粘接在所述Prepreg层上，该APICAL基材包括：APICAL层；阻性DLC层，分别形成于所述APICAL层的上下表面；以及铜层，形成于任意一层所述阻性DLC层的表面；其中，所述DLC层与所述Prepreg层贴合，所述铜层远离所述Prepreg层设置；步骤C：对所述APICAL基材进行处理，使其表面形成高压连接线路以及深度直至所述APICAL层下表面的所述阻性DLC层的井型孔阵列；步骤D：将步骤C得到基材放入铜刻蚀液中进行刻蚀，移除剩余的所述铜层。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C包括：步骤C1：对所述APICAL基材中的所述铜层进行刻蚀，形成孔阵列以及所述高压连接线路；步骤C2：对所述APICAL基材的上表面进行喷砂处理；步骤C3：将经过喷砂处理后的基材清洁后放入APICAL刻蚀液中进行刻蚀，形成所述井型孔阵列；步骤C4：移除所述井型孔阵列中残留的DLC薄膜。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C1中，对所述铜层进行刻蚀，形成直径介于60μm至80μm之间的孔阵列。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C3中，所述井型孔阵列中的每个井型孔的顶部直径介于65μm至75μm之间，底部直径介于50μm至60μm之间。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C4中，刻蚀完成后，将步骤C3得到的基材取出清洁并烘干，使用高压气枪对所述APICAL基材的上表面进行吹扫并清洗，移除孔中残留的DLC薄膜。

在本公开的一些实施例中，所述步骤B中，使用环氧树脂胶将所述APICAL基材粘接在所述Prepreg层上。

在本公开的一些实施例中，粘接过程中对所述APICAL基材施加介于10kg/cm²至20kg/cm²之间的压力。

在本公开的一些实施例中，通过修改磁控溅射制备过程中的参数，来得到具有不同面电阻率的阻性DLC层；所述磁控溅射制备过程中的参数包括：腔体真空度、靶电流、掺杂、沉积时间或上述参数的组合。

在本公开的一些实施例中，其中：所述阻性DLC层的厚度介于35nm至45nm之间；所述铜层的厚度介于4μm至4.5μm之间。

根据本公开的另一个方面，还提供一种全阻性微井型探测器放大单元，其由下至上依次分为：读出电极PCB；Prepreg层，形成于所述读出电极PCB的上表面；第一阻性DLC层，粘接在所述Prepreg层的上表面；APICAL层，形成于所述第一阻性DLC层的上表面；第二阻性DLC层，形成于所述APICAL层的上表面；其中，所述第二阻性DLC层上表面上形成有高压连接线路以及深度直至所述第一阻性DLC层的井型孔阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)由于漂移电极和读出电极PCB本身已经有较成熟的降低物质量的方案，因此放大单元是探测器物质量的一个主要来源，现有技术中的μRWELL探测器放大单元上表面的电极为5μm厚度的铜，占放大单元总物质量的67％左右，另外33％的物质量由APICAL基材构成，而本公开提供的全阻性微井型探测器放大单元的上下电极为40nm左右的阻性DLC层，其物质量比APICAL小3个量级，可以忽略不计，因此其放大单元的总物质量仅为μRWELL探测器放大单元总物质量的33％左右，更低的物质量能有效降低探测器在探测低能带电粒子时对粒子本身造成的影响，有效拓展该探测器在中低能核物理实验中的应用；

(2)本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元的制备方法制备出的全阻性微井型探测器放大单元上下电极为阻性电极，在需要把漂移区作为预放大区时，放大单元上方的DLC阻性电极能够有效的淬灭漂移区内产生的打火放电，有效提高探测器的稳定性与使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中的μRWELL探测器的结构示意图。

图2为本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元的制备方法的流程示意图。

图3为本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元中选用的APICAL基材的结构示意图。

图4至图11为本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元的制备方法的步骤示意图。

具体实施方式

本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法，使用双面镀有阻性的DLC薄膜，其中一层DLC薄膜上有铜保护的APICAL基材，通过特定的化学刻蚀工艺来制作一种集成在读出电极PCB上的全阻性微井型探测器放大单元，不仅继承了μRWELL探测器已有的优点，而且大幅度降低了该探测器的物质量，进一步拓展了该探测的性能，对使用阻性电极的井型探测器在大型物理实验，特别是要求探测器具有低物质量的中低能核物理实验中的应用具有积极的推动作用。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

根据本公开的一个方面，提供一种全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，如图2所示，包括：步骤A：在读出电极PCB的表面制作Prepreg层(如图4所示)，Prepreg层用来作为阻性DLC层与读出电极之间的绝缘层并起到阻挡APICAL刻蚀液穿过的作用；步骤B：将APICAL基材粘接在Prepreg层上(如图5所示)；步骤C：对APICAL基材进行处理，使其表面形成高压连接线路以及深度直至APICAL层下表面的阻性DLC层的井型孔阵列(如图6至图9所示)；步骤D：将步骤C得到基材放入铜刻蚀液中进行刻蚀，移除剩余的所述铜层(如图10至图11所示)。由于漂移电极和读出电极PCB本身已经有较成熟的降低物质量的方案，因此放大单元是探测器物质量的一个主要来源，现有技术中的μRWELL探测器放大单元上表面的电极为5μm厚度的铜，占放大单元总物质量的67％左右，另外33％的物质量由APICAL基材构成，而本公开提供的全阻性微井型探测器放大单元的上下电极为40nm左右的阻性DLC层，其物质量比APICAL小3个量级，可以忽略不计，因此其放大单元的总物质量仅为μRWELL探测器放大单元总物质量的33％左右，更低的物质量能有效降低探测器在探测低能带电粒子时对粒子本身造成的影响，有效拓展该探测器在中低能核物理实验中的应用；本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元的制备方法制备出的全阻性微井型探测器放大单元上下电极为阻性电极，在需要把漂移区作为预放大区时，放大单元上方的DLC阻性电极能够有效的淬灭漂移区内产生的打火放电，有效提高探测器的稳定性与使用寿命。

此处需要补充说明的是，步骤D中，移除剩余的所述铜层是指将刻蚀形成高压连接线路以及井型孔阵列后剩余的铜层移除。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，该APICAL基材包括：APICAL层、阻性DLC层以及铜层；阻性DLC层分别形成于APICAL层的上下表面；铜层形成于任意一层阻性DLC层的表面；其中，DLC层与Prepreg层贴合，铜层远离Prepreg层设置。

在本公开的一些实施例中，步骤C包括：步骤C1：如图6所示，对APICAL基材中的铜层进行刻蚀，形成孔阵列以及高压连接线路；步骤C2：如图7所示，对APICAL基材的上表面进行喷砂处理，由于阻性DLC层的厚度仅为40nm左右，因此无法承受细砂粒的轰击，会被细砂粒轰击出很多孔洞，这些孔洞有利于下一步刻蚀液的渗透，在有铜层覆盖的地方，由于铜层的厚度为4.3μm左右，故细砂粒只能对铜层的表层造成破损而不会损坏铜层的结构；步骤C3：如图8所示，将经过喷砂处理后的基材清洁后放入APICAL刻蚀液中进行刻蚀，基材表面有铜层覆盖的地方仍然能够有效阻挡刻蚀液的渗透；而裸露出来阻性DLC层上由于有很多细砂粒轰击出的小孔，刻蚀液很容易穿过阻性DLC层接触到APICAL层，对APICAL层进行刻蚀，刻蚀液渗透到APICAL层的底部后，会被Prepreg阻挡而停止向下刻蚀，最终会在APICAL层上刻蚀出上面直径为70μm左右，下面直径为55μm左右的井型孔阵列；步骤C4：如图9所示，移除井型孔阵列中残留的DLC薄膜。

在本公开的一些实施例中，步骤C1中，如图6所示，对铜层进行刻蚀，形成直径介于60μm至80μm之间的孔阵列。

在本公开的一些实施例中，步骤C3中，如图8所示，井型孔阵列中的每个井型孔的顶部直径介于65μm至75μm之间，底部直径介于50μm至60μm之间。

在本公开的一些实施例中，步骤C4中，如图9所示，刻蚀完成后，将步骤C3得到的基材取出清洁并烘干，使用高压气枪对APICAL基材的上表面进行吹扫并清洗，移除孔中残留的DLC薄膜。

在本公开的一些实施例中，步骤B中，使用环氧树脂胶将APICAL基材粘接在Prepreg层上。

在本公开的一些实施例中，粘接过程中对APICAL基材施加介于10kg/cm²至20kg/cm²之间的压力。

在本公开的一些实施例中，通过修改磁控溅射制备过程中的参数，来得到具有不同面电阻率的阻性DLC层；磁控溅射制备过程中的参数包括：腔体真空度、靶电流、掺杂、沉积时间或上述参数的组合。

在本公开的一些实施例中，其中：阻性DLC层的厚度介于35nm至45nm之间；铜层的厚度介于4μm至4.5μm之间。

根据本公开的另一个方面，还提供一种全阻性微井型探测器放大单元，其由下至上依次分为：读出电极PCB、Prepreg层、第一阻性DLC层以及第二阻性DLC层；Prepreg层形成于读出电极PCB的上表面；第一阻性DLC层粘接在Prepreg层的上表面；APICAL层形成于第一阻性DLC层的上表面；第二阻性DLC层形成于APICAL层的上表面；其中，第二阻性DLC层上表面上形成有高压连接线路以及深度直至第一阻性DLC层的井型孔阵列。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的全阻性微井型探测器的放大单元及制备方法使用双面镀有阻性的DLC薄膜，其中一层DLC薄膜上有铜保护的APICAL基材，不仅继承了μRWELL探测器已有的优点，而且大幅度降低了该探测器的物质量，进一步拓展了该探测的性能，对使用阻性电极的井型探测器在大型物理实验，特别是要求探测器具有低物质量的中低能核物理实验中的应用具有积极的推动作用。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，包括：

步骤A：在读出电极PCB的表面制作Prepreg层；

步骤B：将APICAL基材粘接在所述Prepreg层上，该APICAL基材包括：

APICAL层；

阻性DLC层，分别形成于所述APICAL层的上下表面；以及

铜层，形成于任意一层所述阻性DLC层的表面；

其中，表面未形成铜层的所述阻性DLC层与所述Prepreg层贴合，所述铜层远离所述Prepreg层设置；

步骤C：对所述APICAL基材进行处理，使其表面形成高压连接线路以及深度直至所述APICAL层下表面的所述阻性DLC层的井型孔阵列；

步骤D：将步骤C得到基材放入铜刻蚀液中进行刻蚀，移除剩余的所述铜层。

2.根据权利要求1所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，所述步骤C包括：

步骤C1：对所述APICAL基材中的所述铜层进行刻蚀，形成孔阵列以及所述高压连接线路；

步骤C2：对所述APICAL基材的上表面进行喷砂处理；

步骤C3：将经过喷砂处理后的APICAL基材清洁后放入APICAL刻蚀液中进行刻蚀，形成所述井型孔阵列；

步骤C4：移除所述井型孔阵列中残留的DLC薄膜。

3.根据权利要求2所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，所述步骤C1中，对所述铜层进行刻蚀，形成直径介于60μm至80μm之间的孔阵列。

4.根据权利要求2所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，所述步骤C3中，所述井型孔阵列中的每个井型孔的顶部直径介于65μm至75μm之间，底部直径介于50μm至60μm之间。

5.根据权利要求2所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，所述步骤C4中，刻蚀完成后，将步骤C3得到的APICAL基材取出清洁并烘干，使用高压气枪对所述APICAL基材的上表面进行吹扫并清洗，移除孔中残留的DLC薄膜。

6.根据权利要求1所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，所述步骤B中，使用环氧树脂胶将所述APICAL基材粘接在所述Prepreg层上。

7.根据权利要求6所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，粘接过程中对所述APICAL基材施加介于10kg/cm²至20kg/cm²之间的压力。

8.根据权利要求1所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，通过修改磁控溅射制备过程中的参数，来得到具有不同面电阻率的阻性DLC层；

所述磁控溅射制备过程中的参数包括：腔体真空度、靶电流、掺杂、沉积时间或上述参数的组合。

9.根据权利要求1所述的全阻性微井型探测器放大单元的制备方法，其中：

所述阻性DLC层的厚度介于35nm至45nm之间；

所述铜层的厚度介于4μm至4.5μm之间。

10.一种全阻性微井型探测器放大单元，其由下至上依次分为：

读出电极PCB；

Prepreg层，形成于所述读出电极PCB的上表面；

第一阻性DLC层，粘接在所述Prepreg层的上表面；

APICAL层，形成于所述第一阻性DLC层的上表面；

第二阻性DLC层，形成于所述APICAL层的上表面；

其中，所述第二阻性DLC层上表面上形成有高压连接线路以及深度直至所述第一阻性DLC层的井型孔阵列。