一种电极引线单元、真空光电器件及其制作方法与流程

本发明属于光电器件技术领域，涉及一种电极引线单元、真空光电器件及其制作方法。

背景技术：

真空光电器件由于其优异的性能，如高灵敏度、快时间响应、大有效面积、低暗电流以及优良的环境适应性等，在高能物理、天文物理、医疗仪器、激光雷达、微光夜视、环境监测和等离子体诊断等多个领域有重要的应用，是光电探测器件的一个重要分支。

真空光电器件主要由入射窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增器、阳极组成。其中光电阴极附着于入射窗上，用于将入射的光信号转化为电信号；电子光学系统主要实现对电子的加速、聚焦和偏转等功能；电子倍增器可产生很大的电子增益，用于对电信号的放大；阳极用于接收和读出最终的信号。

由于真空光电器件是一种真空密封的探测器件，为了与外部电路连接进行信号采集与处理，必须有电极引线联通器件内部电极与外部电路，因此电极引线的制作是真空光电器件制备的一个重要工艺过程。

图1是传统的微通道板光电探测器件的结构示意图，包括入射窗11、光电阴极12、微通道板13、阳极14、芯柱15、电极连接线16、管壳17和在芯柱上焊接的可伐合金丝18。其中入射窗11、管壳17和芯柱15通过真空封接工艺密封，光电阴极12、微通道板13和阳极14均置于真空中。可伐合金丝通过高温熔接的方式与芯柱玻璃焊接，可伐合金丝的一端置于真空内部，通过电极引线17与光电探测器件的各电极连接，可伐合金丝的另一端置于真空外部，可与外部电路连接进行信号的探测。

在专利CN101877297A、CN105424176A、CN103915311A、CN104733272A、US6285018B1中，真空光电器件电极引线是通过器件底部的芯柱连接的，其中芯柱的作用是支撑各电极零件以及电极引出，电极引线的作用是电流导通。这种电极引线制作的具体实现方式是：第一，形成芯柱。芯柱由玻璃和可伐合金丝高温熔接而成，可伐合金丝由铁镍钴金属组成，直径约1毫米，其热膨胀系数与玻璃相近。在高温下，玻璃的焊接面熔融软化并与可伐合金丝表面的氧化层发生反应，形成冶金结合面，从而可获得很好的气密封接结构。第二，连接电极引线。电极引线的一侧与器件内各电极零件，如阴极、电子倍增极、阳极等通过金属点焊工艺连接，电极引线的另一侧与芯柱中的可伐合金丝点焊连接，在器件内运动的电子最终通过引线和芯柱导出。最后，芯柱与器件的其他部分封接，形成真空密封的环境。

这种制作电极引线的工艺较容易实现，且生产成本低，但存在以下几个问题：

1、芯柱的制作需要首先在可伐合金丝表面形成氧化层然后再与玻璃熔接，这些过程对工艺的温度、时间、气氛等均有严格的要求，工艺参数控制不当极易直接导致熔接失败或者器件在后续使用过程由于慢漏气引起器件性能的降低，因此可靠性受到限制。

2、由于可伐合金丝与玻璃热膨胀系数之间的差异，器件在高温下进行光电阴极激活工艺时，会因为热应力不能有效释放而导致芯柱炸裂，从而造成器件制作的失败，因此器件制备的成功率不能得到保障。

3、由于可伐合金丝直径的限制，如果要制作高密度的电极引线(如大于256个电极)，将使芯柱的体积成倍增大，器件重量增加，且一旦出现漏气现象也很难检测，增加了器件制作的难度和成本。

综上所述，真空光电器件的制作依赖于高效、可靠的电极引线制作方法；在一些新型的真空光电器件中，例如混合型光电探测器或者高时空分辨率的多阳极微通道型光电倍增管，需要上百个甚至更多的电极引线。因此，现有的真空光电器件制作方法难以满足需求，尤其不能用于制作多通道高位置分辨率的真空光电器件。

技术实现要素：

为了解决现有的真空光电器件制作方法无法满足多电极引线需求的技术问题，本发明提供一种电极引线单元、真空光电器件及其制作方法。

本发明的技术解决方案是：一种电极引线单元，其特殊之处在于：包括玻璃基板、玻璃管壳和多个电极引线；所述玻璃管壳熔接于玻璃基板的表面；所述电极引线分布于玻璃管壳与玻璃基板的熔接面上，电极引线一端位于玻璃管壳的内侧，电极引线的另一端位于玻璃管壳的外侧。

较佳的，上述电极引线是在玻璃基板上采用半导体工艺制作的条状的金属薄膜。

较佳的，上述金属薄膜为单一金属薄膜或者多种金属薄膜的堆叠结构。

本发明还提供一种电极引线单元的制作方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)准备玻璃基板；

2)制作电极引线：采用半导体工艺在玻璃基板上制作电极引线；所述电极引线为单一金属薄膜或者多种金属薄膜的堆叠结构；

3)熔接玻璃管壳：在玻璃基板上的玻璃管壳的安装部位涂覆低熔点玻璃粉，玻璃粉的涂覆宽度大于玻璃管壳的厚度且小于电极引线的长度；将玻璃粉加热固化后形成玻璃胶；将玻璃管壳放置于玻璃胶上，使电极引线一端位于玻璃管壳内侧，电极引线的另一端位于玻璃管壳的外侧；在真空炉内加热使玻璃管壳与玻璃基板通过玻璃胶粘接在一起；降温后取出，完成电极引线单元的制作。

较佳的，上述电极引线单元的制作方法还包括步骤4)对制作好的电极引线单元进行真空检漏。

本发明还提供一种基于上述电极引线单元的真空光电器件，包括入射窗、阴极单元和阳极单元，其特殊之处在于：还包括电极引线单元；

所述电极引线单元包括玻璃基板、玻璃管壳和多个电极引线；所述玻璃管壳熔接于玻璃基板的表面；所述电极引线分布于玻璃管壳与玻璃基板的熔接面上；所述电极引线一端位于玻璃管壳的内侧，通过电极连接线与阳极单元相连；所述电极引线的另一端位于玻璃管壳的外侧；

所述入射窗位于玻璃管壳的顶部，所述入射窗、玻璃管壳和玻璃基板共同围成密闭的真空腔，所述阳极单元和阴极单元均位于真空腔内；所述阳极单元固定于玻璃基板上，所述阴极单元固定于入射窗底部。

较佳的，上述阳极单元是在玻璃基板上采用半导体工艺制作的阳极阵列；所述阳极阵列与光电阴极之间安装有微通道板。

较佳的，上述阳极单元是固定于玻璃基板上的半导体光电探测元件。

本发明还提供一种基于上述电极引线单元的真空光电器件的制作方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)准备玻璃基板；

2)制作电极引线：采用半导体工艺在玻璃基板上制作电极引线；所述电极引线为单一金属薄膜或者多种金属薄膜的堆叠结构；

3)采用半导体工艺在玻璃基板上制作阳极阵列；

4)熔接玻璃管壳：在玻璃基板上的玻璃管壳的安装部位涂覆低熔点玻璃粉，玻璃粉的涂覆宽度大于玻璃管壳的厚度且小于电极引线的长度；将玻璃粉加热固化后形成玻璃胶；将玻璃管壳放置于玻璃胶上，使电极引线一端位于玻璃管壳内侧，电极引线的另一端位于玻璃管壳的外侧；在真空炉内加热使玻璃管壳与玻璃基板通过玻璃胶粘接在一起，降温后取出；

5)采用引线键合工艺将阳极阵列与电极引线连接导通；

6)安装微通道板后，再将附着有光电阴极的入射窗与玻璃管壳的上端真空密封，形成多阳极微通道板真空光电探测器。

本发明还提供另一种基于上述电极引线单元的真空光电器件的制作方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)准备玻璃基板；

2)制作电极引线：采用半导体工艺在玻璃基板上制作电极引线；所述电极引线为单一金属薄膜或者多种金属薄膜的堆叠结构；

3)将半导体光电探测元件固定于玻璃基板上；

4)采用引线键合工艺将半导体光电探测元件与电极引线连接导通；

5)熔接玻璃管壳：在玻璃基板上的玻璃管壳的安装部位涂覆低熔点玻璃粉，玻璃粉的涂覆宽度大于玻璃管壳的厚度且小于电极引线的长度；将玻璃粉加热固化后形成玻璃胶；将玻璃管壳放置于玻璃胶上，使电极引线一端位于玻璃管壳内侧，电极引线的另一端位于玻璃管壳的外侧；在真空炉内加热使玻璃管壳与玻璃基板通过玻璃胶粘接在一起，降温后取出；

6)将附着有光电阴极的入射窗与玻璃管壳的上端真空密封，形成混合型真空光电探测器。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明中电极引线单元的制作采用了成熟的半导体工艺实现，工艺简单，成本低，易于大规模生产，且避免了由于热膨胀系数不匹配引起的器件炸裂或慢漏气现象，使真空器件的性能更可靠。

(2)与采用芯柱进行电极连接相比，本发明中制作电极引线的方法没有金属引脚，使制作的真空光电器件体积小，重量轻，更加紧凑。

(3)本发明制作的电极引线不受阳极末端可伐合金丝直径的限制，因此可制作具有上百个读出通道的探测器。电极尺寸最小可以到数十微米，利于实现高密度电极引线的制作，适用于混合型光电探测器、多阳极光电倍增管等多种真空光电器件，位置分辨率可优于50微米，在高能物理、宇宙探测、微光夜视、医疗仪器等多个领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为传统的微通道板光电探测器件的结构示意图。

图2为本发明制作电极引线单元的较佳实施方法流程图。

图3为本发明中电极引线在玻璃基板上的较佳分布示意图。

图4为本发明中玻璃管壳在玻璃基板上的熔接位置示意图。

图5为本发明实施例一中的多阳极微通道板真空光电探测器的阳极单元电极连接示意图。

图6为本发明实施例一中的多阳极微通道板真空光电探测器的立体结构示意图。

图7为本发明实施例二中的混合型真空光电探测器的阳极单元电极连接示意图。

图8为本发明实施例二中的混合型真空光电探测器的立体结构示意图。

具体实施方式

参见图2，本发明制作电极引线单元的较佳实施方法主要包括以下步骤：

第一，玻璃基板的准备。通常玻璃基板的材料为硼硅玻璃，厚度为2毫米，表面平整，玻璃基板的尺寸大于20毫米×20毫米，采用玻璃清洁剂超声清洗干净并高温烘干。

第二，电极引线的制作。采用标准的半导体工艺在玻璃基板上制作电极引线。标准的半导体工艺包括金属薄膜沉积、光刻、刻蚀或腐蚀或剥离等，金属薄膜可选择金、银等单一金属或者钛铂金等多种金属薄膜的堆叠结构，金属薄膜的厚度大于500纳米。图3是在玻璃基板上形成的一种典型的电极引线分布状态，电极引线21分布于玻璃基板22的表面边缘。电极引线的尺寸可根据电极数目以及玻璃基板的尺寸改变，在玻璃基板和电极数目一定的情况下要求电极引线尺寸尽可能大，以便承载足够大的电流。典型的电极引线尺寸为1毫米×6毫米，电极引线间的间距为0.5毫米。

第三，玻璃基板与玻璃管壳的熔接。典型的玻璃管壳的边长是玻璃基板的边长减去4毫米，玻璃管壳的厚度为2毫米，玻璃管壳的高度大于5毫米。首先将低熔点玻璃粉涂敷于玻璃基板边缘，玻璃粉涂敷的宽度小于3毫米，高温固化形成玻璃胶后，将玻璃管壳放置于玻璃胶上，送入真空炉内加热，加热温度为略高于玻璃胶的熔化温度。当玻璃胶熔化后，玻璃管壳便与玻璃基板粘结在一起，降温后取出。如图4所示，玻璃管壳23熔接于玻璃基板上，电极引线的内端在玻璃管壳23的内部，电极引线的外端在玻璃管壳23的外部。电极引线21的其他部分被玻璃胶覆盖，不会形成短路。

第四，对制作好的真空光电器件进行真空检漏，漏率需小于10^-10Pa·m³/s。

本发明还提供一种基于以上电极引线单元的真空光电器件，即多阳极微通道板真空光电探测器。

图5为多阳极微通道板真空光电探测器的阳极单元电极连接示意图。与图4不同的是，采用与制作电极引线同样的半导体制作工艺在玻璃基板上构造了阳极单元31以及电极连接线32组成的电流导通通道。典型的，每个阳极单元为方形结构，尺寸为0.5毫米，相邻阳极单元之间间隔0.5毫米，阳极单元呈阵列分布。

图6为多阳极微通道板光电探测器的立体结构示意图。在图5的基础上加入了入射窗33、光电阴极34、微通道板35、以及玻璃垫片36，构成了多阳极微通道板光电探测器。其中光电阴极34附着于入射窗33上，微通道板35与光电阴极34及阳极单元31之间通过玻璃垫片36绝缘。该器件的工作原理是：入射光穿透入射窗与光电阴极相互作用，产生光电子，将光信号转换为电信号，光电子在电场作用下入射微通道板将电子信号放大，出射后的电信号到达阳极单元。由于阳极单元通过电极连接线与玻璃基板上的电极引线导通，而电极引线的外端置于器件真空环境的外部，因此通过与电极引线外端电极连接即可进行信号读取，最终实现了对光信号的探测。该器件的一个优点是实现了多阳极的器件结构，器件具有高的位置分辨能力，且可根据要求制作不同尺寸的阳极结构，是一种具有高空间分辨能力的真空光电探测器件，在高能物理、医疗仪器等领域有广泛的应用前景。

本发明还提供一种基于以上电极引线单元的真空光电器件，即混合型真空光电探测器。

图7为混合型真空光电探测器的阳极单元电极连接示意图。与图5不同的是，该器件采用一个半导体光电探测元件41取代了阵列多阳极结构。将半导体光电探测元件固定于玻璃基板中央，并将半导体光电探测单元的各个电极42与玻璃基板通过引线键合工艺的电极连接线43连接，实现各电极电流的流通。其中半导体探测元件可选雪崩光电二极管、电荷耦合器件、有源像素传感器、硅光电倍增管等。

图8为混合型真空光电探测器的立体结构示意图，其组成是在图7的基础上增加了入射窗44和光电阴极45。这种器件的工作原理是：入射光穿透入射窗与光电阴极相互作用产生光电子，将光信号转化为电信号，光电子在高压作用下轰击半导体探测元件，从而在半导体探测元件内部产生电子轰击增益，将电信号放大，信号经过半导体探测元件的电极、电极连接线和玻璃基板上的电极后到达器件真空环境外部的电极引线外端，进而可通过外部电路探测。采用本发明方法制作的混合型真空光电器件可将半导体探测元件上各个电极的信号很容易地探测到，工艺简单可靠，制作成本低，与利用芯柱进行电极引线连接的方法相比还具有结构紧凑的优点。这种真空光电器件可进行单光子成像，未来在微光夜视、天文物理等领域有潜在的应用前景。

以上仅描述了本发明的几个优选实施例，但本发明不限于此，凡是本领域普通技术人员在不脱离本申请的精神下，做出的任何改进或变形，均属于本发明所保护的范围。