本發(fā)明屬于光電器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電極引線單元、真空光電器件及其制作方法。

背景技術(shù)：

真空光電器件由于其優(yōu)異的性能，如高靈敏度、快時間響應(yīng)、大有效面積、低暗電流以及優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性等，在高能物理、天文物理、醫(yī)療儀器、激光雷達、微光夜視、環(huán)境監(jiān)測和等離子體診斷等多個領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，是光電探測器件的一個重要分支。

真空光電器件主要由入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增器、陽極組成。其中光電陰極附著于入射窗上，用于將入射的光信號轉(zhuǎn)化為電信號；電子光學(xué)系統(tǒng)主要實現(xiàn)對電子的加速、聚焦和偏轉(zhuǎn)等功能；電子倍增器可產(chǎn)生很大的電子增益，用于對電信號的放大；陽極用于接收和讀出最終的信號。

由于真空光電器件是一種真空密封的探測器件，為了與外部電路連接進行信號采集與處理，必須有電極引線聯(lián)通器件內(nèi)部電極與外部電路，因此電極引線的制作是真空光電器件制備的一個重要工藝過程。

圖1是傳統(tǒng)的微通道板光電探測器件的結(jié)構(gòu)示意圖，包括入射窗11、光電陰極12、微通道板13、陽極14、芯柱15、電極連接線16、管殼17和在芯柱上焊接的可伐合金絲18。其中入射窗11、管殼17和芯柱15通過真空封接工藝密封，光電陰極12、微通道板13和陽極14均置于真空中?？煞ズ辖鸾z通過高溫熔接的方式與芯柱玻璃焊接，可伐合金絲的一端置于真空內(nèi)部，通過電極引線17與光電探測器件的各電極連接，可伐合金絲的另一端置于真空外部，可與外部電路連接進行信號的探測。

在專利CN101877297A、CN105424176A、CN103915311A、CN104733272A、US6285018B1中，真空光電器件電極引線是通過器件底部的芯柱連接的，其中芯柱的作用是支撐各電極零件以及電極引出，電極引線的作用是電流導(dǎo)通。這種電極引線制作的具體實現(xiàn)方式是：第一，形成芯柱。芯柱由玻璃和可伐合金絲高溫熔接而成，可伐合金絲由鐵鎳鈷金屬組成，直徑約1毫米，其熱膨脹系數(shù)與玻璃相近。在高溫下，玻璃的焊接面熔融軟化并與可伐合金絲表面的氧化層發(fā)生反應(yīng)，形成冶金結(jié)合面，從而可獲得很好的氣密封接結(jié)構(gòu)。第二，連接電極引線。電極引線的一側(cè)與器件內(nèi)各電極零件，如陰極、電子倍增極、陽極等通過金屬點焊工藝連接，電極引線的另一側(cè)與芯柱中的可伐合金絲點焊連接，在器件內(nèi)運動的電子最終通過引線和芯柱導(dǎo)出。最后，芯柱與器件的其他部分封接，形成真空密封的環(huán)境。

這種制作電極引線的工藝較容易實現(xiàn)，且生產(chǎn)成本低，但存在以下幾個問題：

1、芯柱的制作需要首先在可伐合金絲表面形成氧化層然后再與玻璃熔接，這些過程對工藝的溫度、時間、氣氛等均有嚴格的要求，工藝參數(shù)控制不當(dāng)極易直接導(dǎo)致熔接失敗或者器件在后續(xù)使用過程由于慢漏氣引起器件性能的降低，因此可靠性受到限制。

2、由于可伐合金絲與玻璃熱膨脹系數(shù)之間的差異，器件在高溫下進行光電陰極激活工藝時，會因為熱應(yīng)力不能有效釋放而導(dǎo)致芯柱炸裂，從而造成器件制作的失敗，因此器件制備的成功率不能得到保障。

3、由于可伐合金絲直徑的限制，如果要制作高密度的電極引線(如大于256個電極)，將使芯柱的體積成倍增大，器件重量增加，且一旦出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象也很難檢測，增加了器件制作的難度和成本。

綜上所述，真空光電器件的制作依賴于高效、可靠的電極引線制作方法；在一些新型的真空光電器件中，例如混合型光電探測器或者高時空分辨率的多陽極微通道型光電倍增管，需要上百個甚至更多的電極引線。因此，現(xiàn)有的真空光電器件制作方法難以滿足需求，尤其不能用于制作多通道高位置分辨率的真空光電器件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的真空光電器件制作方法無法滿足多電極引線需求的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種電極引線單元、真空光電器件及其制作方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種電極引線單元，其特殊之處在于：包括玻璃基板、玻璃管殼和多個電極引線；所述玻璃管殼熔接于玻璃基板的表面；所述電極引線分布于玻璃管殼與玻璃基板的熔接面上，電極引線一端位于玻璃管殼的內(nèi)側(cè)，電極引線的另一端位于玻璃管殼的外側(cè)。

較佳的，上述電極引線是在玻璃基板上采用半導(dǎo)體工藝制作的條狀的金屬薄膜。

較佳的，上述金屬薄膜為單一金屬薄膜或者多種金屬薄膜的堆疊結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供一種電極引線單元的制作方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)準備玻璃基板；

2)制作電極引線：采用半導(dǎo)體工藝在玻璃基板上制作電極引線；所述電極引線為單一金屬薄膜或者多種金屬薄膜的堆疊結(jié)構(gòu)；

3)熔接玻璃管殼：在玻璃基板上的玻璃管殼的安裝部位涂覆低熔點玻璃粉，玻璃粉的涂覆寬度大于玻璃管殼的厚度且小于電極引線的長度；將玻璃粉加熱固化后形成玻璃膠；將玻璃管殼放置于玻璃膠上，使電極引線一端位于玻璃管殼內(nèi)側(cè)，電極引線的另一端位于玻璃管殼的外側(cè)；在真空爐內(nèi)加熱使玻璃管殼與玻璃基板通過玻璃膠粘接在一起；降溫后取出，完成電極引線單元的制作。

較佳的，上述電極引線單元的制作方法還包括步驟4)對制作好的電極引線單元進行真空檢漏。

本發(fā)明還提供一種基于上述電極引線單元的真空光電器件，包括入射窗、陰極單元和陽極單元，其特殊之處在于：還包括電極引線單元；

所述電極引線單元包括玻璃基板、玻璃管殼和多個電極引線；所述玻璃管殼熔接于玻璃基板的表面；所述電極引線分布于玻璃管殼與玻璃基板的熔接面上；所述電極引線一端位于玻璃管殼的內(nèi)側(cè)，通過電極連接線與陽極單元相連；所述電極引線的另一端位于玻璃管殼的外側(cè)；

所述入射窗位于玻璃管殼的頂部，所述入射窗、玻璃管殼和玻璃基板共同圍成密閉的真空腔，所述陽極單元和陰極單元均位于真空腔內(nèi)；所述陽極單元固定于玻璃基板上，所述陰極單元固定于入射窗底部。

較佳的，上述陽極單元是在玻璃基板上采用半導(dǎo)體工藝制作的陽極陣列；所述陽極陣列與光電陰極之間安裝有微通道板。

較佳的，上述陽極單元是固定于玻璃基板上的半導(dǎo)體光電探測元件。

本發(fā)明還提供一種基于上述電極引線單元的真空光電器件的制作方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)準備玻璃基板；

2)制作電極引線：采用半導(dǎo)體工藝在玻璃基板上制作電極引線；所述電極引線為單一金屬薄膜或者多種金屬薄膜的堆疊結(jié)構(gòu)；

3)采用半導(dǎo)體工藝在玻璃基板上制作陽極陣列；

4)熔接玻璃管殼：在玻璃基板上的玻璃管殼的安裝部位涂覆低熔點玻璃粉，玻璃粉的涂覆寬度大于玻璃管殼的厚度且小于電極引線的長度；將玻璃粉加熱固化后形成玻璃膠；將玻璃管殼放置于玻璃膠上，使電極引線一端位于玻璃管殼內(nèi)側(cè)，電極引線的另一端位于玻璃管殼的外側(cè)；在真空爐內(nèi)加熱使玻璃管殼與玻璃基板通過玻璃膠粘接在一起，降溫后取出；

5)采用引線鍵合工藝將陽極陣列與電極引線連接導(dǎo)通；

6)安裝微通道板后，再將附著有光電陰極的入射窗與玻璃管殼的上端真空密封，形成多陽極微通道板真空光電探測器。

本發(fā)明還提供另一種基于上述電極引線單元的真空光電器件的制作方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)準備玻璃基板；

2)制作電極引線：采用半導(dǎo)體工藝在玻璃基板上制作電極引線；所述電極引線為單一金屬薄膜或者多種金屬薄膜的堆疊結(jié)構(gòu)；

3)將半導(dǎo)體光電探測元件固定于玻璃基板上；

4)采用引線鍵合工藝將半導(dǎo)體光電探測元件與電極引線連接導(dǎo)通；

5)熔接玻璃管殼：在玻璃基板上的玻璃管殼的安裝部位涂覆低熔點玻璃粉，玻璃粉的涂覆寬度大于玻璃管殼的厚度且小于電極引線的長度；將玻璃粉加熱固化后形成玻璃膠；將玻璃管殼放置于玻璃膠上，使電極引線一端位于玻璃管殼內(nèi)側(cè)，電極引線的另一端位于玻璃管殼的外側(cè)；在真空爐內(nèi)加熱使玻璃管殼與玻璃基板通過玻璃膠粘接在一起，降溫后取出；

6)將附著有光電陰極的入射窗與玻璃管殼的上端真空密封，形成混合型真空光電探測器。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明中電極引線單元的制作采用了成熟的半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)，工藝簡單，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)，且避免了由于熱膨脹系數(shù)不匹配引起的器件炸裂或慢漏氣現(xiàn)象，使真空器件的性能更可靠。

(2)與采用芯柱進行電極連接相比，本發(fā)明中制作電極引線的方法沒有金屬引腳，使制作的真空光電器件體積小，重量輕，更加緊湊。

(3)本發(fā)明制作的電極引線不受陽極末端可伐合金絲直徑的限制，因此可制作具有上百個讀出通道的探測器。電極尺寸最小可以到數(shù)十微米，利于實現(xiàn)高密度電極引線的制作，適用于混合型光電探測器、多陽極光電倍增管等多種真空光電器件，位置分辨率可優(yōu)于50微米，在高能物理、宇宙探測、微光夜視、醫(yī)療儀器等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的微通道板光電探測器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明制作電極引線單元的較佳實施方法流程圖。

圖3為本發(fā)明中電極引線在玻璃基板上的較佳分布示意圖。

圖4為本發(fā)明中玻璃管殼在玻璃基板上的熔接位置示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例一中的多陽極微通道板真空光電探測器的陽極單元電極連接示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例一中的多陽極微通道板真空光電探測器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例二中的混合型真空光電探測器的陽極單元電極連接示意圖。

圖8為本發(fā)明實施例二中的混合型真空光電探測器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

參見圖2，本發(fā)明制作電極引線單元的較佳實施方法主要包括以下步驟：

第一，玻璃基板的準備。通常玻璃基板的材料為硼硅玻璃，厚度為2毫米，表面平整，玻璃基板的尺寸大于20毫米×20毫米，采用玻璃清潔劑超聲清洗干凈并高溫烘干。

第二，電極引線的制作。采用標準的半導(dǎo)體工藝在玻璃基板上制作電極引線。標準的半導(dǎo)體工藝包括金屬薄膜沉積、光刻、刻蝕或腐蝕或剝離等，金屬薄膜可選擇金、銀等單一金屬或者鈦鉑金等多種金屬薄膜的堆疊結(jié)構(gòu)，金屬薄膜的厚度大于500納米。圖3是在玻璃基板上形成的一種典型的電極引線分布狀態(tài)，電極引線21分布于玻璃基板22的表面邊緣。電極引線的尺寸可根據(jù)電極數(shù)目以及玻璃基板的尺寸改變，在玻璃基板和電極數(shù)目一定的情況下要求電極引線尺寸盡可能大，以便承載足夠大的電流。典型的電極引線尺寸為1毫米×6毫米，電極引線間的間距為0.5毫米。

第三，玻璃基板與玻璃管殼的熔接。典型的玻璃管殼的邊長是玻璃基板的邊長減去4毫米，玻璃管殼的厚度為2毫米，玻璃管殼的高度大于5毫米。首先將低熔點玻璃粉涂敷于玻璃基板邊緣，玻璃粉涂敷的寬度小于3毫米，高溫固化形成玻璃膠后，將玻璃管殼放置于玻璃膠上，送入真空爐內(nèi)加熱，加熱溫度為略高于玻璃膠的熔化溫度。當(dāng)玻璃膠熔化后，玻璃管殼便與玻璃基板粘結(jié)在一起，降溫后取出。如圖4所示，玻璃管殼23熔接于玻璃基板上，電極引線的內(nèi)端在玻璃管殼23的內(nèi)部，電極引線的外端在玻璃管殼23的外部。電極引線21的其他部分被玻璃膠覆蓋，不會形成短路。

第四，對制作好的真空光電器件進行真空檢漏，漏率需小于10^-10Pa·m³/s。

本發(fā)明還提供一種基于以上電極引線單元的真空光電器件，即多陽極微通道板真空光電探測器。

圖5為多陽極微通道板真空光電探測器的陽極單元電極連接示意圖。與圖4不同的是，采用與制作電極引線同樣的半導(dǎo)體制作工藝在玻璃基板上構(gòu)造了陽極單元31以及電極連接線32組成的電流導(dǎo)通通道。典型的，每個陽極單元為方形結(jié)構(gòu)，尺寸為0.5毫米，相鄰陽極單元之間間隔0.5毫米，陽極單元呈陣列分布。

圖6為多陽極微通道板光電探測器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。在圖5的基礎(chǔ)上加入了入射窗33、光電陰極34、微通道板35、以及玻璃墊片36，構(gòu)成了多陽極微通道板光電探測器。其中光電陰極34附著于入射窗33上，微通道板35與光電陰極34及陽極單元31之間通過玻璃墊片36絕緣。該器件的工作原理是：入射光穿透入射窗與光電陰極相互作用，產(chǎn)生光電子，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電子在電場作用下入射微通道板將電子信號放大，出射后的電信號到達陽極單元。由于陽極單元通過電極連接線與玻璃基板上的電極引線導(dǎo)通，而電極引線的外端置于器件真空環(huán)境的外部，因此通過與電極引線外端電極連接即可進行信號讀取，最終實現(xiàn)了對光信號的探測。該器件的一個優(yōu)點是實現(xiàn)了多陽極的器件結(jié)構(gòu)，器件具有高的位置分辨能力，且可根據(jù)要求制作不同尺寸的陽極結(jié)構(gòu)，是一種具有高空間分辨能力的真空光電探測器件，在高能物理、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明還提供一種基于以上電極引線單元的真空光電器件，即混合型真空光電探測器。

圖7為混合型真空光電探測器的陽極單元電極連接示意圖。與圖5不同的是，該器件采用一個半導(dǎo)體光電探測元件41取代了陣列多陽極結(jié)構(gòu)。將半導(dǎo)體光電探測元件固定于玻璃基板中央，并將半導(dǎo)體光電探測單元的各個電極42與玻璃基板通過引線鍵合工藝的電極連接線43連接，實現(xiàn)各電極電流的流通。其中半導(dǎo)體探測元件可選雪崩光電二極管、電荷耦合器件、有源像素傳感器、硅光電倍增管等。

圖8為混合型真空光電探測器的立體結(jié)構(gòu)示意圖，其組成是在圖7的基礎(chǔ)上增加了入射窗44和光電陰極45。這種器件的工作原理是：入射光穿透入射窗與光電陰極相互作用產(chǎn)生光電子，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，光電子在高壓作用下轟擊半導(dǎo)體探測元件，從而在半導(dǎo)體探測元件內(nèi)部產(chǎn)生電子轟擊增益，將電信號放大，信號經(jīng)過半導(dǎo)體探測元件的電極、電極連接線和玻璃基板上的電極后到達器件真空環(huán)境外部的電極引線外端，進而可通過外部電路探測。采用本發(fā)明方法制作的混合型真空光電器件可將半導(dǎo)體探測元件上各個電極的信號很容易地探測到，工藝簡單可靠，制作成本低，與利用芯柱進行電極引線連接的方法相比還具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。這種真空光電器件可進行單光子成像，未來在微光夜視、天文物理等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

以上僅描述了本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例，但本發(fā)明不限于此，凡是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離本申請的精神下，做出的任何改進或變形，均屬于本發(fā)明所保護的范圍。