CN111246137B - 一种用于探测非可见光的图像传感器及成像装置 - Google Patents

一种用于探测非可见光的图像传感器及成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于探测非可见光的图像传感器，包括芯片A、芯片B和射线荧光层，所述芯片A包括可见光二极管A、阻挡层A和介质层A，且所述可见光二极管A和阻挡层A均位于介质层A中；所述芯片B包括可见光二极管B、阻挡层B和介质层B，且所述可见光二极管B和阻挡层B均位于介质层B中；所述可见光二极管A和可见光二极管B分别位于所述射线荧光层的两侧。本发明提供的一种用于探测非可见光的图像传感器及成像装置，能够实现有效的非可见光探测，并能大幅度提高非可见光图像传感器的感光能力。

Description

一种用于探测非可见光的图像传感器及成像装置
技术领域
本发明涉及非可见光成像领域，具体涉及一种用于探测非可见光的图像传感器及成像装置。
背景技术
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，图像传感器可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件)两大类。CMOS图像传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。
传统的CMOS图像传感器采用的前感光式(FSI，Front Side Illumination)技术，即前照技术。前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联以及光管孔(Light Pipe)。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；光管孔填充材料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。前照技术是一种与CMOS标准工艺兼容的技术，广泛应用于各种(尤其是大像素)CMOS图像传感器芯片的制作。目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式(BSI，Back Side Illumination)，即背照技术。背照技术的主要特点是首先在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20um以下)，并通过背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术将感光二极管进行互联引出。背照技术能够显著提高图像传感器的灵敏度。
对于非可见光探测等需求的图像传感器来说，由于光的波长短，只能基于BSI技术来实现感光探测。然而，对于极紫外甚至是X射线波段(0.1～10nm波长)的探测需求来说，即使是BSI技术也无法实现有效光电探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于探测非可见光的图像传感器及成像装置，能够实现有效的非可见光探测，并能大幅度提高非可见光图像传感器的感光能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于探测非可见光的图像传感器，包括芯片A、芯片B和射线荧光层，所述芯片A包括可见光二极管A、阻挡层A和介质层A，且所述可见光二极管A和阻挡层A均位于介质层A中；所述芯片B包括可见光二极管B、阻挡层B和介质层B，且所述可见光二极管B和阻挡层B均位于介质层B中；所述阻挡层A和阻挡层B用于滤去可见光；所述可见光二极管A和可见光二极管B分别位于所述射线荧光层的两侧。
进一步地，所述射线荧光层在水平方向上的面积等于所述可见光二极管A和可见光二极管B在水平方向上的面积，且所述可见光二极管A、射线荧光层和可见光二极管B在竖直方向上重合。
进一步地，所述阻挡层A和阻挡层B在水平方向上的面积等于射线荧光层在水平方向上的面积，且所述阻挡层A、射线荧光层和阻挡层B在竖直方向上重合。
进一步地，所述阻挡层A在水平方向上的面积等于介质层A在水平方向上的面积，所述阻挡层B在水平方向上的面积等于介质层B在水平方向上的面积。
进一步地，所述芯片A还包括滤光片A，所述芯片B还包括滤光片B，所述滤光片A和滤光片B用于滤去无用的非可见光；所述滤光片A和滤光片B在水平方向上的面积等于射线荧光层在水平方向上的面积，且所述滤光片A、射线荧光层和滤光片B在竖直方向上重合。
进一步地，所述芯片A还包括滤光片A，所述芯片B还包括滤光片B，所述滤光片A和滤光片B用于滤去无用的非可见光；所述滤光片A在水平方向上的面积等于介质层A在水平方向上的面积，所述滤光片B在水平方向上的面积等于介质层B在水平方向上的面积。
进一步地，所述射线荧光层为X射线荧光层。
一种X射线图像传感器的成像装置，包括权利要求7所述的用于探测非可见光的图像传感器，且以及制冷设备、光纤锥度腔体和X射线输入区，其中，所述X射线输入区位于所述光纤锥度腔体的入口处，所述制冷设备位于所述图像传感器和光纤锥度腔体的出口之间。
进一步地，所述光纤锥度腔体为圆柱状。
进一步地，所述光纤锥度腔体为圆锥状，且所述光纤锥度腔体入口处的截面面积大于出口处的截面面积。
本发明的有益效果为：非可见光将直接穿过上下芯片的金属层和介质层，直接到达射线荧光层附近，射线荧光层被射线粒子激发产生可见光光子，从而将射线转换为可见光进行感光，本发明中激发产生的可见光光子同时被两侧的可见光二极管A和可见光二极管B吸收并感光，使得本发明中非可见光图像传感器感光能力更强；本发明将射线荧光层集成在图像传感器中可见光二极管和MOS管之间，使得射线荧光层转换的可见光光子可以快速被吸收感光，避免转换之后的可见光发生散射，从而提高了图像传感器的精度和分辨率；本发明中阻挡层和滤光片可以进一步滤去可见光和无用的非可见光，进一步使得图像传感器具有高精度和高分辨率。
附图说明
附图1为本发明实施例1中图像传感器结构示意图；
附图2为本发明实施例2中图像传感器结构示意图；
附图3为本发明实施例3中图像传感器结构示意图；
附图4为本发明实施例4中图像传感器结构示意图；
附图5为本发明实施例5中X射线图像传感器成像装置示意图；
附图6为本发明实施例6中X射线图像传感器成像装置示意图；
附图7为仿真得出的不同能量X射线对于不同滤波片衰减效果的响应曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种用于探测非可见光的图像传感器，包括芯片A、芯片B和射线荧光层，芯片A包括可见光二极管A、阻挡层A和介质层A，且可见光二极管A和阻挡A均位于介质层A中；芯片B包括可见光二极管B、阻挡B和介质层B，且可见光二极管B和阻挡B均位于介质层B中，阻挡层A和阻挡层B用于滤去入射光线中的可见光，进而避免可见光对入射射线的影响。可见光二极管A和可见光二极管B分别位于射线荧光层的两侧。
优选地，射线荧光层在水平方向上的面积等于可见光二极管A和可见光二极管B在水平方向上的面积，且可见光二极管A、射线荧光层和可见光二极管B在竖直方向上重合。
本发明中芯片A和芯片B仅仅是为了描述方便加以区分，实际制备过程中芯片A和芯片B为相同的芯片，并不需要加以区分。
由于射线穿透性极强，可以穿过上下芯片的金属层和介质层，直接到达射线荧光层附近，射线荧光层采用的是一种接收到射线粒子时可以受激产生可见光(300～400nm波长)光子，从而将射线转换为可见光进行感光；本发明中激发产生的可见光光子同时被两侧的可见光二极管A和可见光二极管B吸收并感光，使得本发明中非可见光图像传感器感光能力更强。本发明中射线荧光层可以为将对应射线转换为可见光的任意射线荧光层，例如可以为氮化碳荧光层，用于将α射线转换为可见光光子；还可以为X射线荧光层，用于将X射线转换为可见光光子。
本发明的创新点之一在于将射线荧光层集成在图像传感器中，如此一来，可见光二极管和射线荧光层之间的距离很小，射线荧光层将接收到的非可见光射线转换为可见光光子之后，可以近距离快速地传输至可见光二极管中，从而避免了远距离传输时可见光光子的散射，从而能够确保非可见光图像传感器的高精度和高分辨率。
如附图1所示为实施例1中用于探测非可见光的图像传感器的结构示意图，本实施例中阻挡层A和阻挡层B在水平方向上的面积等于射线荧光层在水平方向上的面积，且阻挡层A、射线荧光层和阻挡层B在竖直方向上重合。阻挡层A和阻挡层B用于滤去可见光，且不能影响到入射至射线荧光层上的射线，具体的阻挡层材质需要根据入射至射线荧光层上的射线种类进行确定。设置阻挡层是为了去除入射光中的可见光，从而确保可见光二极管接收到的光子均为射线转换之后的可见光光子。
如附图2所示为实施例2中用于探测非可见光的图像传感器的结构示意图，在实施例1的基础上，芯片A还包括滤光片A，滤光片A可以位于阻挡层A的上方或下方，附图2中滤光片A位于阻挡层A的上方。芯片B还包括滤光片B，滤光片B位于阻挡层B的上方或下方，附图2中滤光片B位于阻挡层B的下方。滤光片A和滤光片B在水平方向上的面积等于射线荧光层在水平方向上的面积，且滤光片A、射线荧光层和滤光片B在竖直方向上重合。滤光片A和滤光片B用于滤去无用的非可见光；例如针对X射线荧光层，当X射线图像传感器被应用于医疗成像领域时，通常会接受非常大剂量的X射线照射，此时，需要通过滤波片对输入的大剂量X射线进行衰减和滤波。
如附图3所示为实施例3中用于探测非可见光的图像传感器的结构示意图，阻挡层A在水平方向上的面积等于介质层A在水平方向上的面积，阻挡层B在水平方向上的面积等于介质层B在水平方向上的面积。阻挡层A和阻挡层B用于滤去可见光，其材质和作用与实施例1中相同。
如附图4所示为实施例4中用于探测非可见光的图像传感器的结构示意图，在实施例3的基础上，芯片A还包括滤光片A，滤光片A可以位于阻挡层A的任意一侧，附图4中滤光片A位于阻挡层A的上方。芯片B还包括滤光片B，滤光片B可以位于阻挡层B的任意一侧，附图4中滤光片B位于阻挡层B的下方。滤光片A和滤光片B用于滤去无用的非可见光；滤光片A在水平方向上的面积等于介质层A在水平方向上的面积，滤光片B在水平方向上的面积等于介质层B在水平方向上的面积。
本发明提供的一种用于探测非可见光的图像传感器的制备方法，包括如下步骤：
S01：采用标准的BSI工艺分别制备芯片A和芯片B，芯片A自上而下包括可见光二极管A和阻挡层A，可见光二极管A和阻挡层A均位于介质层A中；芯片B自上而下包括可见光二极管B和阻挡层B，可见光二极管B和阻挡层B均位于介质层B中。可见光二极管A和可见光二极管B在水平方向上的面积相同。
当射线荧光层为X射线荧光层时，针对X射线，金属可以起到阻挡可见光而透过X射线的作用，此时，图像传感器中的金属部分可以同时作为阻挡层使用，从而使得图像传感器结构更加简单，制作工艺更容易实现。
本发明中制备芯片A和芯片B的具体工艺可以采用现有技术中任意技术完成。优选的，芯片A和芯片B的尺寸保持相同，且可见光二极管A11和可见光二极管B12在水平方向上的截面面积相同，并一一对应。优选的，可见光二极管A和可见光二极管B在水平方向上的长度和宽度为1um～50um，优选为20um。
S02：采用例如物理气相沉积方式在芯片A中可见光二极管A上表面沉积射线荧光层。当射线荧光层整层沉积在芯片A和芯片B之间时，射线荧光层在接收到非可见光光子时，会受激辐射可见光粒子，使得感光范围变大，使得在相邻的可见光二极管之间引起串扰现象。
本发明进一步地，采用光刻刻蚀工艺对射线荧光层进行图形化；使得射线荧光层在水平方向上的面积等于可见光二极管A在水平方向上的面积，且可见光二极管A与图形化之后的射线荧光层在竖直方向上重合。优选的，图形化之后的射线荧光层与可见光二极管A在竖直方向上重合。
S03：将射线荧光层与可见光二极管键合，形成探测非可见光的图像传感器，具体的，当射线荧光层图形化之后，芯片A周边上表面空余出来，在该部分可以通过3D堆叠技术将芯片A和芯片B键合。
如附图5和附图6所示，本发明提供的一种X射线图像传感器成像装置，包括上述的X射线图像传感器，即上述用于探测非可见光的图像传感器中射线荧光层为X射线荧光层。还包括制冷设备、光纤锥度腔体和X射线输入区，其中，X射线输入区位于光纤锥度腔体的入口处，制冷设备位于X射线图像传感器和光纤锥度腔体的出口之间。光纤锥度腔体中还包括铍滤波片和/或铝滤波片。
值得注意的是，本发明中上述成像装置不仅仅适用于X射线成像，在其他射线成像装置中，也可以采用上述成像装置，只需要确保射线荧光层与接收到的射线相对应即可。
X射线输入区，为X射线入射位置，在光纤锥度腔体开口，开口尺寸将根据聚光作用与非聚光作用调整，使得入射的X射线光子能完全被后方X射线图像传感器中的X射线荧光层捕获受激为可见光光子。
X射线图像传感器位于制冷设备前方，由于X射线图像传感器要求非常小的读出噪声，通常需要工作在低温环境下，其工作温度可以设置为-100～-20摄氏度，优选-80摄氏度，制冷设备则为X射线图像传感器提供制冷源。
光纤锥度腔体的作用近似光学镜头，由于X射线的特殊性，在进入到X射线图像传感器之前，其波段都在0.1～10nm波长范围之内，因此需要光纤锥度腔体对X射线进行聚光，如附图5中实施例5所示，光纤锥度腔体可以做成锥状，且光纤锥度腔体入口处的截面面积大于出口处的截面面积，用于对X射线进行聚光。
也可以如附图6中实施例6所示，光纤锥度腔体可以做成锥状，且光纤锥度腔体入口处的截面面积等于出口处的截面面积，不对X射线进行聚光，只将X射线传输至X射线图像传感器即可。
具体的，如附图5和附图6所示，光纤锥度腔体中还包括铍滤波片和/或铝滤波片，且铍滤波片和铝滤波片贯穿光纤维度腔体。铝滤波片和铍滤波片的作用是对不同能量的X射线进行滤波，实现能量衰减的作用。当X射线图像传感器被应用于医疗成像领域时，通常会接受非常大剂量的X射线照射，此时，需要通过滤波片对输入的大剂量X射线进行衰减和滤波。不同能量X射线对于不同滤波片的需求不一致，如附图7所示为仿真得出的不同能量X射线对于不同滤波片衰减效果的响应曲线，附图7中横坐标为X射线能量，纵坐标为X射线透射率。在X射线图像传感器成像装置实际使用时，可以根据上述相应曲线进行合理应用铝滤波片和/或铍滤波片。除了附图5-7中铝滤波片和铍滤波片以外，本发明还可以设置其他的滤波片，具体滤波片的材质可以根据图像传感器或者成像装置的应用场合进行设置，只需要达到去除无用非可见光的目的即可。值得说明的是，如实施例2和实施例4所示，可以将滤光片设置在图像传感器中，也可以如实施例5和实施例6所示，将滤光片设置在图像传感器之外的成像装置中，也可以在图像传感器内部和外部同时设置滤光片。
本发明将射线荧光层集成在图像传感器中，可见光二极管和射线荧光层之间的距离很小，射线荧光层将接收到的非可见光射线转换为可见光光子之后，可以近距离快速地传输至可见光二极管中，从而避免了远距离传输时可见光光子的散射，从而能够确保非可见光图像传感器的高精度和高分辨率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，包括芯片A、芯片B和射线荧光层，所述芯片A包括可见光二极管A、阻挡层A和介质层A，且所述可见光二极管A和阻挡层A均位于介质层A中；所述芯片B包括可见光二极管B、阻挡层B和介质层B，且所述可见光二极管B和阻挡层B均位于介质层B中；所述阻挡层A和阻挡层B用于滤去可见光；所述可见光二极管A和可见光二极管B分别位于所述射线荧光层的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，所述射线荧光层在水平方向上的面积等于所述可见光二极管A和可见光二极管B在水平方向上的面积，且所述可见光二极管A、射线荧光层和可见光二极管B在竖直方向上重合。
3.根据权利要求2所述的一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层A和阻挡层B在水平方向上的面积等于射线荧光层在水平方向上的面积，且所述阻挡层A、射线荧光层和阻挡层B在竖直方向上重合。
4.根据权利要求2所述的一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，所述阻挡层A在水平方向上的面积等于介质层A在水平方向上的面积，所述阻挡层B在水平方向上的面积等于介质层B在水平方向上的面积。
5.根据权利要求2所述的一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，所述芯片A还包括滤光片A，所述芯片B还包括滤光片B，所述滤光片A和滤光片B用于滤去无用的非可见光；所述滤光片A和滤光片B在水平方向上的面积等于射线荧光层在水平方向上的面积，且所述滤光片A、射线荧光层和滤光片B在竖直方向上重合。
6.根据权利要求2所述的一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，所述芯片A还包括滤光片A，所述芯片B还包括滤光片B，所述滤光片A和滤光片B用于滤去无用的非可见光；所述滤光片A在水平方向上的面积等于介质层A在水平方向上的面积，所述滤光片B在水平方向上的面积等于介质层B在水平方向上的面积。
7.根据权利要求1所述的一种用于探测非可见光的图像传感器，其特征在于，所述射线荧光层为X射线荧光层。
8.一种X射线图像传感器的成像装置，其特征在于，包括权利要求7所述的用于探测非可见光的图像传感器，且以及制冷设备、光纤锥度腔体和X射线输入区，其中，所述X射线输入区位于所述光纤锥度腔体的入口处，所述制冷设备位于所述图像传感器和光纤锥度腔体的出口之间。
9.根据权利要求8所述的一种X射线图像传感器成像装置，其特征在于，所述光纤锥度腔体为圆柱状。
10.根据权利要求8所述的一种X射线图像传感器成像装置，其特征在于，所述光纤锥度腔体为圆锥状，且所述光纤锥度腔体入口处的截面面积大于出口处的截面面积。
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