CN117594690A - 插针式ebaps探测器结构及制作方法 - Google Patents

插针式ebaps探测器结构及制作方法 Download PDF

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杨士奇
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Abstract

本申请公开了一种插针式EBAPS探测器及制作方法，带插针管壳、有源像素传感器(APS)、阴极环、阴极透镜、机芯模组、插座；带插针管壳通过底面阵列设置的管壳插针插接于插座上；插座与电路板电连接上；有源像素传感器底面阵列设置多个传感器插针；传感器插针插接于带插针管壳内的管壳接口中。该器件结合了真空和固体器件原有的优点，解决了传统真空器件图像不可编辑、存储和数字化输出的问题；具有低噪声、高探测灵敏度、超低照度下可工作、低功耗、体积小、重量轻、低成本和数字化图像输出的特性。

Description

插针式EBAPS探测器结构及制作方法
技术领域
本申请涉及数字化微光器件技术领域，特别是一种插针式EBAPS探测器及制作方法。
背景技术
电子轰击型有源像素传感器(Electron BombardedActive Pixel Sensor，EBAPS)是一种高性能的真空-半导体混合器件，被广泛应用于军事装备、遥感测绘、空间探测等领域，研究EBAPS已成为数字微光夜视技术研究领域主要的研究方向。
现有国内关于EBAPS器件的专利如CN202211382818.5，该系统包括EBAPS传感器、模数信号转换模块、FPGA模块、视频输出模块、图像显示模块和系统供电模块。
真空器件用于成像时，由于无法直接将所获图像信号转换为数字型号，现有传统真空器件存在所得图像不可编辑、存储和数字化输出困难。
像增强器能把亮度很低的光学图像增强并转换为适合人眼观察的光学图像。其结构包括安装在高真空管壳内的光电阴极、电子透镜(有静电聚焦和磁聚焦两种)和荧光屏三部分。像增强器的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像，电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的图像，供人眼直接观察。
像增强器包括：真空管式和固体结构式两种。其中，真空管像增强器具有高亮度、高分辨率、低噪声、高可靠性、长寿命的优点。但同时也存在体积大、重量重、高压电源的缺点。
固体结构像增强器是一种采用固体图像传感器技术的像增强器。它具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性高等优点，可以广泛应用于微光夜视、红外探测、医学影像等领域。
固体结构像增强器采用先进的CMOS或CCD图像传感器技术，能够将微弱的光信号转化为电信号，从而显著提高图像的亮度和对比度。同时，它还采用了先进的信号处理技术，具有高清晰度、低噪声等优点。与传统的真空管像增强器相比，固体结构像增强器还具有体积和重量小、结构简单、可靠性高，可以长时间稳定工作、低功耗、低成本的优点。
现有真空管像增强器不能实现数字图像输出，且成像噪音大，清晰度低，探测灵敏度低，超低照度下成像效果较差。
公开于背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本申请提供了一种插针式EBAPS探测器及制作方法，该探测器结合了真空像增强器和固体像增强器的优点，具有低噪声、高探测灵敏度、超低照度下可工作、低功耗、体积小、重量轻、低成本和数字化图像输出的特性。
本申请提供了一种插针式EBAPS探测器，包括：带插针管壳、有源像素传感器、阴极环、阴极透镜、机芯模组、插座；带插针管壳通过底面阵列设置的管壳插针插接于插座上；插座与电路板电连接上；
有源像素传感器底面阵列设置多个传感器插针；传感器插针插接于带插针管壳内的管壳接口中；
阴极透镜通过阴极环封装设置于带插针管壳顶面上；
阴极透镜底面上设置的凸台面上设置阴极面；凸台面根部的大平面上制作导电层和封接层；阴极透镜底面周缘与阴极环内填充的铟料焊接；
整个器件各位置的真空度≤1×10-5pa；阴极透镜底面凸台面上设置的阴极面到有源像素传感器的上表面间距≤0.8mm；
电子轰击成像时，电路两极间先加≤4000v的高压，当光子通过阴极透镜到达凸台面的阴极发生光电子发射效应时，产生的电子在真空度≤1×10-5pa的环境内，在高压电场的作用下，加速向有源像素传感器表面运动，并轰击有源像素传感器表面，在源像素传感器12内部产生电子轰击增益，所得增益经过放大、存储、收集和输出得到数字图像输出；
插针式EBAPS探测器在照度为10-4lx的检测环境下，信噪比10～25dB；探测灵敏度为900～1200uA/Lm；照度低于10-5lx时可成像；工作功耗低于3w；外形尺寸为50mm×50mm×20mm；重量小于80g。
优选地，管壳接口内底部填充设置金属碎屑。
优选地，阴极环顶面凹陷区域周缘上设置填铟环；填铟环内填充设置铟料；阴极透镜底面大平面周缘与铟料焊接。
优选地，阴极环外侧焊接负极电压线。
优选地，管壳接口内上部设置喇叭状口。
优选地，包括：多根金线；金线两端分别与有源像素传感器、带插针管壳的陶瓷底座相连接。
优选地，包括：陶瓷底；陶瓷底设置于带插针管壳底面上。
本申请的另一方面还提供了上述探测器的制作方法包括以下步骤：
1)在带插针管壳顶面周缘平面上焊接阴极环，在阴极环内的环形填铟环中填入铟条，加热熔化铟条后降温至室温后修整至铟条高度与阴极环、的内环面平齐，并检测带插针管壳顶面与阴极环之间区域的真空度≤1×10-6pa；
2)在带插针管壳中部凹陷区域的管壳接口中填充金属碎屑后，将有源像素传感器的传感器插针插入管壳接口中，检测有源像素传感器的光成像，得到满足成像要求的第一部件；
3)在阴极透镜底面的凸台面上制作阴极，在阴极透镜底面的大平面上制作依序叠置的导电层和封接层后，封接层与第一部件的环形填铟环铟封焊接，得到第二部件；
4)在铟封平台上铟封第一部件和第二部件，并检测整个器件各位置的真空度≤1×10-6pa，得到插针式EBAPS探测器。
优选地，步骤3)中阴极为多碱或三代阴极。
优选地，还包括：对带插针管壳、阴极环、阴极透镜分别进行清洗、烧氢处理后进行步骤1)操作。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的插针式EBAPS探测器及制作方法，该器件结合了真空和固体器件原有的优点，解决了传统真空器件图像不可编辑、存储和数字化输出的问题；具有低噪声、高探测灵敏度、超低照度下可工作、低功耗、体积小、重量轻、低成本和数字化图像输出的特性。
2)本申请所提供的插针式EBAPS探测器及制作方法，该器件经检测在夜晚照度为10-4lx的检测环境下，信噪比10～25dB；高探测灵敏度是指其灵敏度可达900～1200uA/Lm；工作环境的照度可低于10-5lx，实现超低工作；工作功耗低于3w；外形尺寸为50mm×50mm×20mm；重量小于80g；能实现低成本和数字化图像输出。
附图说明
图1为本申请提供的插针式EBAPS探测器主视局部剖视示意图；
图2为本申请提供的插针式EBAPS探测器俯视结构示意图；
图3为本申请提供的带插针管壳主视结构示意图；
图4为本申请提供的带插针管壳俯视结构示意图；
图5为本申请提供的喇叭状口主视剖视结构示意图；
图6为本申请提供的阴极透镜主视局部剖视示意图；
图7为本申请提供的阴极透镜俯视结构示意图；
图8为本申请提供的有源像素传感器主视局部剖视示意图；
图9为本申请提供的有源像素传感器俯视结构示意图；
图10为本申请提供的阴极环主视局部剖视示意图；
图11为本申请提供的阴极环俯视结构示意图；
图例说明：
带插针管壳1、金属碎屑11、有源像素传感器12、阴极环13、铟条131、填铟环132、负极电压线134、阴极透镜14、凸台面141、大平面142、传感器插针121、管壳接口122、喇叭状口123、金线124、陶瓷底座125、
插座21、插口211、管壳插针212、电路板22、陶瓷底23。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请中未详述的且并不用于解决本申请技术问题的技术手段，均按本领域公知常识进行设置，且多种公知常识设置方式均可实现。
参见图1～11，本申请提供的插针式EBAPS探测器，包括：带插针管壳1、金属碎屑2、有源像素传感器3、阴极环4、阴极透镜5。
带插针管壳1主体为金属结构，带插针管壳1的底部设置多个管壳插针212，管壳插针212插入插座21上的插口211中，插座21设置于对应机芯的电路板22上。
有源像素传感器12封装在陶瓷底座125上；陶瓷底座125底面是阵列设置多个传感器插针121；传感器插针121插设于带插针管壳1内部的管壳接口122内；管壳接口122内部设置喇叭状口123便于插入。
带插针管壳1的顶面上设置环状陶瓷圈；在使用时将剪切成碎屑的金属碎屑11置于管壳接口122内腔底部，然后传感器插针121插入管壳接口122中；
阴极环13整体呈环状凹槽，阴极环13的中心区域设置凹陷，用于容纳阴极透镜14。阴极透镜14底面周缘抵接于阴极环13顶面周缘上，阴极环13的顶面凹陷区周缘上设置填铟环132，填铟环132内填铟、化铟和铟封，填铟环132内所填铟物料与阴极透镜14底面封装。阴极透镜14底面设置凸台，在凸台面141上做有阴极，以产生外光电效应，凸台根部大平面142的内侧，凸台大平面142上做有导电层和封接层，凸台大平面142的外周缘与填铟环132内所填铟料进行铟封焊接，另一侧为普通平面。大平面142的上制作导电层和封接层。
阴极环13底面平度、粗糙度要求较高的平面，该平面和带插针管壳1顶面的环状陶瓷圈焊接，焊接结构满足不漏气要求。
有源像素传感器12周缘设置多个金线124，金线124负高压(≤-4000V)。有源像素传感器12与陶瓷底座125通过金线124电连接。
带插针管壳1底面上设置0V的陶瓷底23。
上述插针式EBAPS探测器的制造方法，包含以下步骤：
第一步，对带插针管壳1、阴极环13、阴极透镜14分别进行清洗、烧氢；
第二步，用合金焊料对带插针管壳1顶面周缘上的环形平面和阴极环13底面环形平面进行密封焊接，焊接后进行漏气检测，要求带插针管壳1顶面与阴极环13之间区域的真空度≤1×10-6pa。
第三步，填铟，化铟。向阴极环13的环形填铟环132中填入铟条，然后放入高温炉中高温加热至铟条熔点，待铟融化后缓慢降温，降温至室温时将阴极环13取出，并用刮刀等工具修整填铟环132中铟，使铟条高度与阴极环13的内环面平齐。
第四步，在带插针管壳1底部的管壳接口122中依次填入金属碎屑11，以增大有源像素传感器12的传感器插针121插入时的接触性和导电性。
第五步，在完成第四步后，向带插针管壳1中部区域的管壳接口122中插入有源像素传感器12的传感器插针121，注意均匀用力，缓慢插入，得到第一部件；
第六步，在完成第五步后，需在特定的电路板上测试有源像素传感器(陶瓷底座带插针)是否有光成像，若有，则说明第五步的接触性和导电性良好，则进行后续操作。
第七步，阴极制作。在阴极透镜14底面的凸台面141上制作多碱或三代阴极，并在凸台根部的大平面142的上制作依序叠置的导电层和封接层。阴极主要用于发生光电子发射效应，导电层和封接层的周缘与阴极环13的第一部件的环形凹槽(填铟、化铟后)进行铟封焊接，得到第二部件。
第八步，铟封焊接。将化铟后完成阴极环13、带插针管壳1组装的第一部件和做好阴极后阴极透镜14的第二部件，在铟封平台上进行铟封，要求封接后的第一部件和第二部件连接牢固，且整个器件各位置的真空度≤1×10-5pa。要求阴极透镜14底面凸台面141上设置的阴极面到有源像素传感器12的上表面间距(近贴距离)≤0.8mm。
按上述方法完成该器件的制作。
上述插针式EBAPS探测器的成像方法，包括以下步骤：
第九步，轰击成像测试。在插针式EBAPS探测器阴极环13外侧焊接负极电压线134，将带插针管壳1底部的高压接线柱接地，将带插针管壳1底部的管壳插针212插入到后端电路板22的插座21中，在电路板22的负极上加上≤-4000v的高压，产生电子轰击成像。
所述的第九步轰击成像测试。电子轰击成像时两极间先加≤4000v的高压，当光子通过阴极透镜到达凸台面141的阴极发生光电子发射效应时，产生的电子在真空度≤1×10-5pa的环境内，在高压电场的作用下，加速向有源像素传感器12表面运动，并轰击在其表面，有源像素传感器12内部产生电子轰击增益，最终被有源像素传感器12放大、存储、收集和输出，这些电信号经过金线124和带插针管壳1的管壳插针212传输到后端的插座21和电路板22上，经过信号处理，形成数字图像输出。
所得器件按现有检测方法，进行各项性能检测，所得结构如下：在夜晚照度为10- 4lx的检测环境下，信噪比10～25dB；高探测灵敏度是指其灵敏度可达900～1200uA/Lm；工作环境的照度低于10-5lx时可成像，实现超低工作；工作功耗低于3w；外形尺寸为50mm×50mm×20mm；重量小于80g；能实现低成本和数字化图像输出。
该器件具有低噪声、高探测灵敏度、超低照度下可工作、低功耗、体积小、重量轻、低成本和数字化图像输出的特性，结合了固体和真空像增强器的优点，且能实现电信号的向外传输。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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)

1.一种插针式EBAPS探测器，其特征在于，包括：带插针管壳、有源像素传感器、阴极环、阴极透镜、机芯模组、插座；带插针管壳通过底面阵列设置的管壳插针插接于插座上；插座与电路板电连接上；
有源像素传感器底面阵列设置多个传感器插针；传感器插针插接于带插针管壳内的管壳接口中；
阴极透镜通过阴极环封装设置于带插针管壳顶面上；
阴极透镜底面上设置的凸台面上设置阴极面；凸台面根部的大平面上制作导电层和封接层；阴极透镜底面周缘与阴极环内填充的铟料焊接；
整个器件各位置的真空度≤1×10-5pa；阴极透镜底面凸台面上设置的阴极面到有源像素传感器的上表面间距≤0.8mm；
电子轰击成像时，电路两极间先加≤4000v的高压，当光子通过阴极透镜到达凸台面的阴极发生光电子发射效应时，产生的电子在真空度≤1×10-5pa的环境内，在高压电场的作用下，加速向有源像素传感器表面运动，并轰击有源像素传感器表面，在源像素传感器12内部产生电子轰击增益，所得增益经过放大、存储、收集和输出得到数字图像输出；
插针式EBAPS探测器在照度为10-4lx的检测环境下，信噪比10～25dB；探测灵敏度为900～1200uA/Lm；照度低于10-5lx时可成像；工作功耗低于3w；外形尺寸为50mm×50mm×20mm；重量小于80g。
2.根据权利要求1所述的插针式EBAPS探测器，其特征在于，管壳接口内底部填充设置金属碎屑。
3.根据权利要求1所述的插针式EBAPS探测器，其特征在于，阴极环顶面凹陷区域周缘上设置填铟环；填铟环内填充设置铟料；阴极透镜底面大平面周缘与铟料焊接。
4.根据权利要求1所述的插针式EBAPS探测器，其特征在于，阴极环外侧焊接负极电压线。
5.根据权利要求1所述的插针式EBAPS探测器，其特征在于，管壳接口内上部设置喇叭状口。
6.根据权利要求1所述的插针式EBAPS探测器，其特征在于，包括：多根金线；金线两端分别与有源像素传感器、带插针管壳的陶瓷底座相连接。
7.根据权利要求1所述的插针式EBAPS探测器，其特征在于，包括：陶瓷底；陶瓷底设置于带插针管壳底面上。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的插针式EBAPS探测器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在带插针管壳顶面周缘平面上焊接阴极环，在阴极环内的环形填铟环中填入铟条，加热熔化铟条后降温至室温后修整至铟条高度与阴极环、的内环面平齐，并检测带插针管壳顶面与阴极环之间区域的真空度≤1×10-6pa；
2)在带插针管壳中部凹陷区域的管壳接口中填充金属碎屑后，将有源像素传感器的传感器插针插入管壳接口中，检测有源像素传感器的光成像，得到满足成像要求的第一部件；
3)在阴极透镜底面的凸台面上制作阴极，在阴极透镜底面的大平面上制作依序叠置的导电层和封接层后，封接层与第一部件的环形填铟环铟封焊接，得到第二部件；
4)在铟封平台上铟封第一部件和第二部件，并检测整个器件各位置的真空度≤1×10- 6pa，得到插针式EBAPS探测器。
9.根据权利要求8述的方法，其特征在于，步骤3)中阴极为多碱或三代阴极。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：对带插针管壳、阴极环、阴极透镜分别进行清洗、烧氢处理后进行步骤1)操作。
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