TWI717447B - 光電倍增器和夜視設備 - Google Patents

光電倍增器和夜視設備 Download PDF

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TWI717447B TW105144266A TW105144266A TWI717447B TW I717447 B TWI717447 B TW I717447B TW 105144266 A TW105144266 A TW 105144266A TW 105144266 A TW105144266 A TW 105144266A TW I717447 B TWI717447 B TW I717447B
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劉雨潤
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Abstract

本文公開光電倍增器，其包括：電子噴射器；檢測器；襯底；以及在襯底中的第一電極；在襯底中的第二電極；在襯底中的第三電極；其中第一、第二和第三電極中的每個包括與襯底的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面；其中第一、第二和第三電極中的每個包括第一端和第二端，該第一端比第二端更接近電子噴射器；其中在空間上設置第一、第二和第三電極中的每個使得第一、第二和第三電極的第二端在相同平面上，或使得第一和第三電極的第二端所在的平面與第二電極相交。

Description

光電倍增器和夜視設備
本文的公開涉及光電倍增器。
光電倍增器是能夠使入射光產生的光電子倍增許多倍的設備。光電倍增器從而可甚至在入射光很弱時檢測入射光。光電倍增器在核和粒子物理學、天文學、醫學診斷(包括驗血)、醫學成像、電影膠片掃描、雷達幹擾和高端圖像掃描器中具有重要應用。
圖1示意示出常規的光電倍增管(PMT)100，其包括外殼101，該外殼包含光電陰極102、若干倍增極104和電子集電極110。由於光電效應，進入PMT 100且入射在光電陰極102上的光導致光電陰極102發射光電子。光電陰極102發射的光電子可稱為一次電子。一次電子撞擊連續倍增極104，從而通過二次發射導致電子倍增。從倍增極104發射的電子可稱為二次電子。平均來看，從每個倍增極104發射的電子數量大於撞擊該倍增極104的電子數量。從最後的倍增極發射的二次電子被集電極110收集並且用於檢測入射光。儘管被廣泛使用，PMT 100的尺寸很大、笨重、易碎、昂貴且難以生產。
本文公開光電倍增器，其包括：電子噴射器，其配置成回應於到電子噴射器上的入射光來發射一次電子；檢測器，其配置成 收集電子並且提供代表入射光的輸出信號；襯底；和在襯底中並且在電子噴射器與檢測器之間的第一電極，該第一電極配置成回應於電子撞擊第一電極而發射二次電子；在襯底中並且在第一電極與檢測器之間的第二電極，該第二電極配置成回應於電子撞擊第二電極而發射二次電子；在襯底中並且在第二電極與檢測器之間的第三電極，該第三電極配置成回應於電子撞擊第三電極而發射二次電子；其中第一、第二和第三電極中的每個包括與襯底的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面；其中第一、第二和第三電極中的每個包括第一端和第二端，該第一端比第二端更接近電子噴射器；其中在空間上設置第一、第二和第三電極中的每個使得第一、第二和第三電極的第二端在相同平面上，或使得第一和第三電極的第二端所在的平面與第二電極相交。
根據實施例，光電倍增器進一步包括透明電極，其配置成在電子噴射器與檢測器之間建立電場。
根據實施例，第一、第二和第三電極中的每個包括MgO、鹼銻化物、鹼鹵化物、BeO、GaP、GaAsP、PbO或Cs2O。不在該列表中的其他材料可仍適合於電極。
根據實施例，檢測器包括一個或多個電極和電連接到該一個或多個電極的放大器。
根據實施例，襯底包括半導體或絕緣體。
根據實施例，角度在30與60度之間。
根據實施例，電子噴射器包括雙鹼、多鹼、Ag-O-Cs、Sb-Cs、InGaAs、GaAs、Cs-Te或Cs-I。不在該清單中的其他材料可仍適合於電子噴射器。
根據實施例，其中輸出信號是電壓改變或頻率改變。
根據實施例，第一、第二和第三電極至少部分被暴露。
根據實施例，第一、第二和第三電極至少部分在襯底中的孔中暴露。
根據實施例，彎曲表面是部分圓柱形表面、部分球形表面或部分橢圓形表面。
本文公開製作光電倍增器的方法，該方法包括：在襯底上製造第一多個支承結構，該支承結構具有與襯底的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面；在第一多個支承結構的平坦或彎曲表面上形成第一多個電極。
根據實施例，製造第一多個支承結構是通過微壓印。
根據實施例，方法進一步包括用材料層掩埋第一多個支承結構。
根據實施例，方法進一步包括在材料層上製造第二多個支承結構，該第二多個支承結構具有與襯底的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面，並且進一步包括在第二多個支承結構的平坦或彎曲表面上形成第二多個電極。
根據實施例，方法進一步包括至少部分使第一多個電極暴露。
根據實施例，形成第一多個電極包括在離襯底的法線方向一定角度的第一多個支承結構的平坦或彎曲表面上沉積材料。
根據實施例，形成第一多個電極包括沿襯底的法線方向在第一多個支承結構的平坦或彎曲表面上沉積材料並且選擇性地去除第一多個支承結構之間的區域上的材料。
本文還公開光電倍增器，其包括：電子噴射器，其配置成回應於到電子噴射器上的入射光來發射一次電子；檢測器，其配置成收集電子並且提供代表入射光的輸出信號；襯底；和在襯底中並且在電子噴射器與檢測器之間的第一電 極，該第一電極配置成回應於電子撞擊第一電極來發射二次電子；在襯底中並且在第一電極與檢測器之間的第二電極，該第二電極配置成回應於電子撞擊第二電極來發射二次電子；其中第一和第二電極中的每個包括與襯底的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面；其中第一和第二電極中的每個包括第一和第二端，該第一端比第二端更接近電子噴射器；其中在空間上設置第一和第二電極使得第一和第二電極的第二端在與襯底垂直的相同平面上，或使得第一和第二電極的第二端在與襯底垂直的平面的不同側上。
根據實施例，光電倍增器進一步包括透明電極，其配置成在電子噴射器與檢測器之間建立電場。
根據實施例，第一和第二電極中的每個包括MgO、鹼銻化物、鹼鹵化物、BeO、GaP、GaAsP、PbO或Cs2O。
根據實施例，檢測器包括一個或多個電極和電連接到該一個或多個電極的放大器。
根據實施例，襯底包括半導體或絕緣體。
根據實施例，角度在30與60度之間。
根據實施例，電子噴射器包括雙鹼、多鹼、Ag-O-Cs、Sb-Cs、InGaAs、GaAs、Cs-Te或Cs-I。
根據實施例，輸出信號是電壓改變或頻率改變。
根據實施例，第一和第二電極至少部分被暴露。
根據實施例，第一和第二電極至少部分在襯底中的孔中暴露。
根據實施例，彎曲表面是部分圓柱形表面、部分球形表面或部分橢圓形表 面。
本文公開夜視設備，其包括本文公開的光電倍增器，其中該夜視設備配置成用於檢測來自光源但對人類肉眼不可見的光子。
100:光電倍增管
101:外殼
102:光電陰極
104:倍增極
110:集電極
200:光電倍增器
201:透明電極
202:電子噴射器
203:襯底
207:蓋式晶圓
208:孔
209:檢測器
210:第一電極
210A:第一端
210B:第二端
213:平面
214:平面
215:第一電極
215A:第一端
215B:第二端
216:平面
217:平面
220:第二電極
220A:第一端
220B:第二端
225:第二電極
225A:第一端
225B:第二端
230:第三電極
230A:第一端
230B:第二端
250:電極
250A:電極層
250B:層
251:路徑
350:支承結構
400:陣列
1301:源
1302:閃爍體
1401:發光材料
1410:光譜
1420:衍射光柵
1501:伽瑪射線源
1502:人
1504:閃爍體
1510:肺部圖像
1600:夜視設備
1602:光學系統
1603:圖像感測器
1604:顯示器
圖1示意示出常規PMT的橫截面圖。
圖2A示意示出根據實施例的光電倍增器的橫截面圖。
圖2B和圖2C各自示意示出圖2A的光電倍增器中的電極子集的透視圖。
圖2D和圖2E各自示意示出圖2A的光電倍增器中的電極子集的透視圖。
圖3A-圖3F示意示出光電倍增器的製造過程。
圖4示意示出如通過圖3A-圖3F中的過程製作的光電倍增器的頂視圖。
圖5示出在一組支承結構上形成電極的一個方式。
圖6A-圖6E示出在一組支承結構上形成電極的另一個方式。
圖7A示意示出光電倍增器的橫截面圖。
圖7B示出電極的彎曲表面的示例。
圖8示意示出光電倍增器的頂視圖，其中電極具有彎曲表面。
圖9示意示出根據實施例的系統，其包括本文描述的光電倍增器。
圖10示意示出根據實施例的系統，其包括本文描述的光電倍增器。
圖11示意示出根據實施例的系統，其包括本文描述的光電倍增器。
圖12示意示出根據實施例的系統，其包括本文描述的光電倍增器。
圖2A示意示出根據實施例的光電倍增器200的橫截面圖。該光電倍增器200可包括透明電極201、電子噴射器202、一系列電極250和檢測器209。電極250可以在襯底203中。電子噴射器202和檢測器209還可以在蓋式晶圓207上。
透明電極201允許其上入射的光中的至少一些通過並且到達電子噴射器202。透明電極201配置成在電子噴射器202與檢測器209之間建立電場。
電子噴射器202配置成在光入射在電子噴射器202上時發射光電子。入射光可具有小於閾值的波長以便導致光電子發射。該閾值可取決於電子噴射器202的材料。例如，入射光可以是紫外、可見或近紅外光。從電子噴射器202發射的這些光電子可叫作一次電子。一次電子可以通過用透明電極201建立的電場朝電極250驅動。電子噴射器202可以非常薄，例如具有幾微米至幾百微米的厚度。電子噴射器202可以由以下材料中的至少一個製成：雙鹼(例如Na-K-Sb)、多鹼(例如Na-K-Sb-Cs)、Ag-O-Cs、Sb-Cs、InGaAs、GaAs、Cs-Te和Cs-I。不在該清單中的其他材料可仍適合於電子噴射器202。
檢測器209可包括一個或多個電子集電極和電連接到該一個或多個電子集電極的一個或多個放大器。電子集電極可配置成收集二次電子。一個或多個放大器可配置成測量收集的二次電子並且提供代表入射光的輸出信號。在一個示例中，輸出信號可指示電壓改變，其可以用於確定入射光的存在。檢測器209可在孔208的底部處形成。代替包括放大器，檢測器209可包括振盪器以用於提供代表入射光子的輸出信號。與產生電壓改變的放大器相比之下，振盪器可以產生頻率改變來檢測進入信號。
電極250可至少部分被暴露(例如，在襯底203中的孔208中)。電極250 可設置在電子噴射器202與檢測器209之間。在一次電子到達電極250中的一個時，它可導致從該電極發射不只一個二次電子。二次電子然後在電場下移動並且到達電極250中的另一個並且導致發射更多二次電子。二次電子循著路徑(例如路徑251)在電場下從一個電極級聯到另一個，並且可在二次電子所到達的電極中的每個處倍增。
在電極250之間，離電子噴射器202較遠的電極可在使用光電倍增器200期間保持在比更接近電子噴射器202的電極更多的正電勢處。
電極250可包括MgO、鹼銻化物、鹼鹵化物、BeO、GaP、GaAsP、PbO或Cs2O或另一個材料以通過降低電極250表面的功函來促進二次電子的發射。
電極250可具有與襯底203的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面。在這裡，短語“成一定角度”意指表面既不與法線方向平行也不與之垂直。在實施例中，電極250可與襯底203的法線方向平行或垂直。
圖2B和圖2C各自示意示出根據實施例的電極250的子集的透視圖，該子集包括第一電極210、第二電極220和第三電極230。第一電極210、第二電極220和第三電極230在離檢測器209的不同距離處設置。第一電極210比第二電極220更遠離檢測器209；並且第二電極220比第三電極230更遠離檢測器209。第一電極210比第二電極220更接近電子噴射器202；並且第二電極比第三電極230更接近電子噴射器202。第一電極210具有第一端210A和第二端210B；第二電極220具有第一端220A和第二端220B；並且第三電極230具有第一端230A和第二端230B。第一端210A比第二端210B更接近電子噴射器202；第一端220A比第二端220B更接近電子噴射器202；第一端230A比第二端230B更接近電子噴射器202。在空間上設置第一電極210、第二電極220和第三電極230使得第 二端210B、220B和230B在相同平面213上(如在圖2B中示出的)，或使得跨越第二端210B和230B的平面214與第二電極220相交，如在圖2C中示出的。
圖2D和圖2E各自示出根據實施例的電極250的子集的透視圖，該子集包括第一電極215和第二電極225。第一電極215和第二電極225在離檢測器209的不同距離處設置。第一電極215比第二電極225更遠離檢測器209。第一電極215比第二電極225更接近電子噴射器202。第一電極215具有第一端215A和第二端215B；第二電極225具有第一端225A和第二端225B。第一端215A比第二端215B更接近電子噴射器202；第一端225A比第二端225B更接近電子噴射器202。在空間上設置第一電極215和第二電極225使得第二端215B和225B在與襯底203垂直的相同平面216上(如在圖2D中示出的)，或使得第二端215B和225B在與襯底203垂直的平面217的不同側上，如在圖2E中示出的。
圖3A-圖3F示意示出光電倍增器200的製造過程。如在圖3A中示出的，在襯底203上用其上的檢測器209製造一組支承結構350。支承結構350具有與襯底203的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面。製作支承結構350的一個方式是微壓印。微壓印是製造微米尺度結構的方法。微壓印通過使具有承載逆向結構的範本的壓印抗蝕劑機械變形來創建結構。壓印抗蝕劑可以是單體或聚合物配方，其在壓印期間通過熱或UV光而可固化。控制抗蝕劑與範本之間的粘合以允許適當釋放。如在圖3B中示出的，在支承結構350的平坦或彎曲表面上形成電極250。例如，電極250可通過在平坦或彎曲表面上沉積合適的材料層而形成。如在圖3C中示出的，支承結構350和電極250用材料(例如，聚合物或氧化物)層掩埋。如在圖3D中示出的，電極250的額外層可通過重複製造支承結構、在其上形成電極以及掩埋支承結構和電極的步驟來製造。如在圖3E中示出的，形成孔208以至少部分使電極250暴露。孔208可通過去除掩埋支承結構350和電 極250的材料層(通過蝕刻)而形成。如在圖3F中示出的，蓋式晶圓207與電子噴射器202和透明電極201一起放置在孔208上。
圖4示意示出如由圖3A-圖3F中的過程製作的光電倍增器200的頂視圖，其中省略蓋式晶圓207、電子噴射器202和透明電極201。電極250之間的兩個電極層是可見的-最上面的電極層250A和正下方的層250B。
圖5示出在支承結構350上形成電極250的一個方式。合適材料層沉積到離襯底203的法線方向一定角度的支承結構350的平坦或彎曲表面上使得支承結構350的有限高度在支承結構350之間的區域上投影並且從而留下沒有沉積材料的區域。
圖6A-圖6E示出在支承結構350上形成電極250的另一個方式。如在圖6A中示出的，合適材料層沿襯底203的法線方向沉積在支承結構350的平坦或彎曲表面上。支承結構350之間的區域從而也被材料層覆蓋。如在圖6B中示出的，光致抗蝕劑層在支承結構350上沉積。如在圖6C中示出的，進行光刻並且支承結構350之間的區域被暴露。如在圖6D中示出的，支承結構350之間的區域上的材料層被去除。如在圖6E中示出的，去除光致抗蝕劑。
圖7A示意示出根據實施例的光電倍增器200的橫截面圖，其中電極250具有彎曲表面。該彎曲表面可以是部分圓柱形表面，或如在圖7B中示出的，是部分球形或橢圓形表面。
圖8示意示出光電倍增器200的頂視圖，其中電極250具有彎曲表面，其中省略蓋式晶圓207、電子噴射器202和透明電極201。電極250之間的兩個電極層是可見的-最上面的電極層250A和正下方的層250B。
圖9示意示出根據實施例的系統，其包括本文描述的光電倍增器。該系統 可用於檢測來自源1301的電離輻射。系統包括閃爍體1302和本文描述的光電倍增器200。閃爍體1302可吸收伽瑪射線、X射線和電磁譜的較高紫外部分(其從源1301輻射)並且發射可見光，這些可見光然後可以被光電倍增器200檢測。閃爍體1302可包括碘化鈉。
圖10示意示出根據本教導的實施例的系統，其包括本文描述的光電倍增器200。該系統可用於測量發光材料1401的強度和光譜。發光材料1401可以是發射光的化合物半導體或量子點。利用本文描述的光電倍增器200，圖10中的系統可通過用棱鏡或衍射光柵1420來散佈光並且用光電倍增器200檢測光而測量發光材料1401所發射的光的光譜1410。
圖11示意示出根據本教導的實施例的伽瑪拍攝裝置，其包括本文描述的光電倍增器。伽瑪拍攝裝置在這裡包括伽瑪射線源1501、閃爍體1504和光電倍增器(其可以是如本文公開的光電倍增器200)的陣列400。伽瑪拍攝裝置可用於在醫學應用中對伽瑪輻射成像。如在圖11中示出的，從伽瑪射線源1501發射的伽瑪射線穿過人1502、由於人1502的內部結構(例如，骨頭、肌肉、脂肪和器官，等)而衰減不同程度、被閃爍體1504轉換成可見光並且被投射到光電倍增器陣列400。伽瑪拍攝裝置可通過檢測伽瑪射線的強度分佈來形成人的身體部位的圖像(例如，肺部圖像1510)。
圖12示意示出根據本教導的實施例的夜視設備1600，其包括本文描述的光電倍增器。該夜視設備1600可能夠以接近全黑的光等級(例如在可見光強度比白天期間少約5個數量級時)產生場景的圖像。夜視設備1600可檢測弱的可見光或紅外光並且在人眼可感知的可見光中產生圖像。在該示例中，夜視設備1600包括配置成形成場景的光學圖像的光學系統1602和具有如本文公開的光電倍增 器200的陣列的圖像感測器1603。光電倍增器檢測光學圖像的局部光強度並且將強度轉換成電信號。這些電信號然後可在人眼可感知的顯示器1604上呈現。
儘管本文公開各種方面和實施例，其他方面和實施例對於本領域內技術人員將變得明顯。本文公開的各種方面和實施例是為了說明目的而不意在為限制性的，其真正範圍和精神由下列權利要求指示。
200:光電倍增器
201:透明電極
202:電子噴射器
203:襯底
207:蓋式晶圓
208:孔
209:檢測器
250:電極
251:路徑

Claims (12)

  1. 一種光電倍增器，其包括：電子噴射器，其配置成回應於到所述電子噴射器上的入射光來發射一次電子；檢測器，其配置成收集電子並且提供代表所述入射光的輸出信號；襯底；以及在所述襯底中並且在所述電子噴射器與所述檢測器之間的第一電極，所述第一電極配置成回應於所述一次電子撞擊(impinging)所述第一電極而發射二次電子；在所述襯底中並且在所述第一電極與所述檢測器之間的第二電極，所述第二電極配置成回應於所述二次電子自所述第一電極撞擊所述第二電極而發射二次電子；在所述襯底中並且在所述第二電極與所述檢測器之間的第三電極，所述第三電極配置成回應於所述二次電子自所述第二電極撞擊所述第三電極而發射二次電子；其中所述第一、第二和第三電極中的每個包括與所述襯底的法線方向成一定角度的平坦或彎曲表面；其中所述第一、第二和第三電極中的每個包括第一端和第二端，所述第一端比所述第二端更接近所述電子噴射器；其中在空間上設置所述第一、第二和第三電極中的每個使得所述第一和第 三電極的第二端所在的平面與所述第二電極相交。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其進一步包括透明電極，所述透明電極配置成在所述電子噴射器與所述檢測器之間建立電場。
  3. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述第一、第二和第三電極中的每個包括MgO、鹼銻化物、鹼鹵化物、BeO、GaP、GaAsP、PbO或Cs2O。
  4. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述檢測器包括一個或多個電極和電連接到所述一個或多個電極的放大器。
  5. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述襯底包括半導體或絕緣體。
  6. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述角度在30與60度之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述電子噴射器包括雙鹼、多鹼、Ag-O-Cs、Sb-Cs、InGaAs、GaAs、Cs-Te或Cs-I。
  8. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述輸出信號是電壓改變或頻率改變。
  9. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述第一、第二和第三電極至少部分被暴露。
  10. 如申請專利範圍第9項之光電倍增器，其中所述第一、第二和第三電極至少部分在所述襯底中的孔中暴露。
  11. 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述彎曲表面是部分圓柱形表面、部分球形表面或部分橢圓形表面。
  12. 一種夜視設備，其包括： 如申請專利範圍第1項之光電倍增器，其中所述夜視設備配置成用於檢測來自光源但對人類肉眼不可見的光子。
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