微型紫外光源及制备方法与流程

本发明属于紫外光源技术领域，具体涉及一种微型紫外光源及制备方法。

背景技术：

紫外光源用于产生紫外线，可应用于杀菌消毒、紫外固化等领域。传统的紫外光源通常是汞灯，但汞灯易产生汞污染，而且发光效率低，同时汞灯通常是由玻璃管封装制备而成，体积大，无法批量生产，而且工作时电极温度高，导致其寿命比较短。

技术实现要素：

本发明的目的是至少解决现有技术制备紫外光源效率低且污染严重的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种微型紫外光源，包括依次设置的光窗板、紫外阴极材料层、加速电极层、绝缘间隔体和微型电子源片，其中，所述绝缘间隔体的中间设有中空腔体，所述微型电子源片的中部和所述中空腔体相对应，其中，所述微型电子源片和所述加速电极层之间真空设置。

通过使用本技术方案中的微型紫外光源，微型电子源片用于产生电子束，由于加速电极层与微型电子源片之间具有很强的正电势差，致使微型电子源片发射的电子在中空腔体内加速向加速电极层的方向移动，具有一定能量的电子穿过加速电极层轰击紫外阴极荧光材料层，从而产生紫外线，紫外线再透过光窗板进入到外界，提升了工作效率，同时绿色无污染，其中，微型电子源片和加速电极层之间真空设置可以使得电子的移动不会受到其他作用力的干扰，提升了稳定性。

另外，根据本发明的微型紫外光源，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施方式中，所述微型电子源片包括第一衬底、第一电极、第二电极和热电子发射体，所述第一电极和所述第二电极分布在所述第一衬底的上表面的两侧，所述热电子发射体位于所述第一电极和所述第二电极之间并与所述中空腔体对应设置。

在本发明的一些实施方式中，所述第一衬底靠近所述绝缘间隔体的一侧的中间还设有第一沟槽结构，所述热电子发射体与所述第一沟槽结构相对应并位于所述第一沟槽结构的上方。

在本发明的一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极之间还设有相互嵌套的插指电极组，所述插指电极组在列方向上依次排布有多个第三电极，相邻两个所述第三电极之间具有一个所述热电子发射体。

在本发明的一些实施方式中，所述微型电子源片包括第二衬底、阻变材料层、第四电极和第五电极，所述第四电极和所述第五电极分布在所述阻变材料层的上表面的两侧，所述第二衬底位于所述阻变材料层的下表面。

在本发明的一些实施方式中，所述第四电极和所述第五电极之间还设有相互对应的第一对称电极组和第二对称电极组，所述第一对称电极组在列方向上依次排布有多个第六电极，所述第二对称电极组在列方向上依次排布有多个第七电极，多个所述第六电极和多个所述第七电极一一对应设置。

在本发明的一些实施方式中，所述第一对称电极组和所述第二对称电极组之间设有间隙。

在本发明的一些实施方式中，所述微型紫外光源包括电路板，所述电路板位于所述微型电子源片的下侧，所述电路板上设有若干焊盘，若干所述焊盘分别与所述微型电子源片和所述加速电极层相连接。

在本发明的一些实施方式中，所述微型紫外光源还包括吸气剂，所述吸气剂设于所述中空腔体内。

在本发明还提出了一种微型紫外光源的制备方法，包括：

采用微纳加工工艺技术，制备微型电子源片；

采用涂覆、退火以及镀膜技术，在光窗板的下表面依次制备紫外阴极荧光材料层和加速电极层；

采用机械打孔或激光打孔技术，在绝缘间隔体的中部制备中空腔体；

将吸气剂置于所述中空腔体内，用于维护所述中空腔体的真空度；

采用真空阳极键合工艺，将所述微型电子源片、所述绝缘间隔体和所述光窗板固定在一起，使所述微型电子源片和所述加速电极层之间形成真空结构；

采用粘贴或焊接技术，将所述微型电子源片固定在电路板上；

采用引线键合技术，将所述微型电子源片两侧的电极端和所述加速电极层分别连接在所述电路板的焊盘上。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的微型紫外光源的整体结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明第一种实施方式的无插指电极组的微型紫外光源的结构剖面示意图；

图3示意性地示出了根据本发明第二种实施方式的微型紫外光源的结构剖面示意图；

图4示意性地示出了根据本发明第一种实施方式的具有多阵列插指电极组的微型电子源片的整体结构示意图；

图5为图4中具有多阵列插指电极组的微型电子源的剖面结构示意图；

图6示意性地示出了根据本发明第二种实施方式的微型电子源片的整体结构示意图；

图7为图6中微型电子源片的剖面结构示意图；

图8示意性地示出了根据本发明第一种实施方式的加速电极层的结构剖面示意图；

图9示意性地示出了根据本发明第二种实施方式的加速电极层的结构剖面示意图；

图10示意性地示出了根据本发明实施方式的微型紫外光源的真空阳极键合机的结构示意图；

图11示意性地示出了根据本发明实施方式的微型电子源片和加速电极层的阳极键合示意图；

图12示意性地示出了根据本发明实施方式的绝缘间隔体和加速电极层的阳极键合示意图；

图13示意性地示出了根据本发明第一种实施方式的微型紫外光源的原理结构剖面示意图；

图14示意性地示出了根据本发明第二种实施方式的微型紫外光源的原理结构剖面示意图。

1：微型紫外光源、10：光窗板、20：紫外阴极荧光材料层、30：加速电极层、31：铝导电段、32：石墨烯段、40：绝缘间隔体、41：中空腔体、50：微型电子源片、51：第一衬底、511：第一沟槽结构、52：第一电极、53：第二电极、54：热电子发射体、55：插指电极组、551：第三电极、61：第二衬底、62：阻变材料层、63：第四电极、64：第五电极、65：第一对称电极组、651：第六电极、66：第二对称电极组、661：第七电极、70：电路板、71：焊盘；

101：真空室、102：平板、103：压头、104：电源、105：电缆、106：加热装置、107：真空泵、108：导电片。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的微型紫外光源的整体结构示意图。本发明提出了一种微型紫外光源及制备方法。如图1所示，本发明中的微型紫外光源包括依次设置的光窗板10、紫外阴极材料层20、加速电极层30、绝缘间隔体40和微型电子源片50，其中，绝缘间隔体40的中间设有中空腔体41，微型电子源片50的中部和中空腔体41相对应，其中，微型电子源片50和加速电极层30之间真空设置。

通过使用本技术方案中的微型紫外光源1，微型电子源片50用于产生电子束，由于加速电极层30与微型电子源片50之间具有很强的正电势差，致使微型电子源片50发射的电子在中空腔体41内加速向加速电极层30方向移动，具有一定能量的电子穿过加速电极层30轰击紫外阴极荧光材料层20，从而产生紫外线，紫外线再透过光窗板10进入到外界，提升了工作效率，同时绿色无污染，其中，微型电子源片50和加速电极层30之间的真空设置可以使得电子的移动不会受到其他作用力的干扰，提升了稳定性。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，如图2所示，微型电子源片50为片上微型热发射电子源，微型电子源片50包括第一衬底51、第一电极52、第二电极53和热电子发射体54，第一电极52和第二电极53分布在第一衬底51的上表面的两侧，用于为热电子发射体54提供电压，从而产生电子。其中，热电子发射体54位于第一电极52和第二电极53之间并与中空腔体41对应设置，使得热电子发射体54发出的电子能够通过中空腔体41，进而产生紫外光。

具体地，在本发明的一些实施方式中，如图2所示，第一衬底51靠近绝缘间隔体40的一侧的中间还设有第一沟槽结构511，热电子发射体54与第一沟槽结构511相对应并位于第一沟槽结构511的上方。第一沟槽结构511能够降低热电子发射体54通过第一衬底51的热量耗散，提高加热效率。

具体地，在本发明的一些实施方式中，如图4和5所示，第一电极52和第二电极53之间还设有相互嵌套的插指电极组55，插指电极组55在列方向上依次排布有多个第三电极551，相邻两个第三电极551之间具有一个热电子发射体54。采用插指电极组55可以提高电子的发射电流和发射效率，使得微型电子源片50释放更多的电子束，提升了作业效率。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，片上微型热发射电子源通过微纳加工工艺制备而成，包括：

s1：清洗第一衬底51，用丙酮、异丙醇和去离子水等溶剂超声清洗第一衬底51，除去黏附在第一衬底51上的杂质和污染物。

s2：在第一衬底51表面制备标志，一是用来后续铺设热电子发射体54，二是用来后续套刻工艺，可通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺，在第一衬底51表面制作任何形状的标志。

s3：在做好标志的第一衬底51表面铺设热电子发射体54，本发明中热电子发射体54优选为碳纳米管，在铺设过程中，尽可能地使碳纳米管密致均匀，不歪不斜，铺设的碳纳米管为单层或者多层，同时在铺设完成后，可以在第一衬底51上滴上水、酒精等溶剂以使碳纳米管和第一衬底51黏附地更牢。

s4：在第一衬底51表面制备插指电极组55。在本步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺，在定向碳纳米管两端制备插指电极组55。在本步骤中，插指电极组55与碳纳米管具有良好的欧姆接触，便于为碳纳米管提供电压，而且插指电极组55可以固定碳纳米管，防止预设范围内的碳纳米管脱落、移动。在本步骤中，插指电极组55的电极宽度为10μm-200μm，电极厚度为100nm以上，电极间距为10μm-200μm，采用较宽较厚的电极能够增强片上微型热电子源的耐热性能，从而延长使用寿命。电极宽度、厚度和间距可以基于需求设定，本申请对此不做具体限定。

s5：除去预设范围外的碳纳米管，由于插指电极组55内有一部分碳纳米管是属于预设范围外的，这部分碳纳米管相对区域与第一衬底51之间没有第一沟槽结构511，造成加热效率低，同时也为了防止预设范围外的碳纳米管造成的短路，在本步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、干法刻蚀、溶脱剥离等工艺，除去预设范围外的碳纳米管，只剩下预设范围内的碳纳米管。

s6：在第一衬底51表面制备第一电极52和第二电极53，在本步骤中，第一电极52和第二电极53本质上相同。第一电极52和第二电极53分别与插指电极组55有部分重叠，以形成良好的欧姆接触。本步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺，在第一衬底51表面制备第一电极52和第二电极53。第一电极52和第二电极53镀金厚度为30-100nm，太厚的金电极会影响后续真空阳极键合工艺的气密性。电极具体宽度、厚度和形状可以基于需求设定，本申请对此不做具体限定。

s7：在第一衬底51与碳纳米管的相对区域制备第一沟槽结构511，以降低碳纳米管通过第一衬底51的热量耗散，提高加热效率。可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、湿法腐蚀、溶脱去胶等工艺，将碳纳米管下方的第一衬底51腐蚀，使得碳纳米管悬空连接于插指电极组55之间。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，如图3、6和7所示，微型电子源片50为片上微型隧穿场发射电子源，片上微型隧穿场发射电子源包括第二衬底61、阻变材料层62、第四电极63和第五电极64，第四电极63和第五电极64分布在阻变材料层62的上表面的两侧，两个电极用于为片上微型隧穿发射电子源提供电压，致使在间隙下方的阻变材料层62由于电势差形成隧穿效应，从而产生电子。其中，第二衬底61位于阻变材料层62的下表面。

具体地，在本发明的一些实施方式中，如图3、6和7所示，第四电极63和第五电极64之间还设有相互对应的第一对称电极组65和第二对称电极组66，第一对称电极组65在列方向上依次排布有多个第六电极651，第二对称电极组66在列方向上依次排布有多个第七电极661。采用对称电极组可以提高电子的发射电流和发射效率，使得微型电子源片50释放更多的电子束，提升了作业效率。

具体地，在本发明的另一种实施方式中，如图3、6和7所示，第一对称电极组65和第二对称电极组66之间设有间隙，即第六电极651和相对应的第七电极661之间设有间隙，两端的电极、间隙与阻变材料层62相配合可以在微型紫外光源作业过程中形成隧穿效应，从而产生电子。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，片上微型隧穿场发射电子源同样是通过微纳加工的工艺制备而成，其制备工艺与微型热发射电子源片的制备工艺相似，本实施例不再进一步陈述。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，微型紫外光源1包括电路板70，电路板70位于微型电子源片50的下侧，电路板70上设有若干焊盘71，若干焊盘71分别与微型电子源片50和加速电极层30相连接，电路板70通过各电极能够为产生电子束提供电压环境，最终产生紫外线。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，还包括吸气剂，吸气剂设于中空腔体41的内部。吸气剂设于微型电子源片50和加速电极层30之间形成的真空结构内，用于调节或维持密闭真空腔体内的真空度，使得电子的电势移动不会受到其他作用力的干扰，提升了稳定性。其中，吸气剂可以在微型电子源片50上，也可以在中空腔体41的内壁上，也可以在加速电极层30的下表面，均能够使中空腔体41成为真空环境。

具体地，在本发明的一些实施方式中，绝缘间隔体40通常是bf33玻璃，且绝缘间隔体40的中部设有中空腔体41，便于微型电子源片50发射的电子在中空腔体41内运动，而且bf33玻璃具有很好的阳极键合性能。

具体地，在本发明的一些实施方式中，加速电极层30通常是铝导电层或铝与碳元素组成的导电层，用于提供高电压，便于电子束在中空腔体41内加速向上运动，并透过加速电极层30，轰击紫外阴极荧光材料层20。

具体地，在本发明的一些实施方式中，紫外阴极荧光材料层20通常是六方氮化硼(hbn)、kmgf3、zn2sio4、alxga1-xn/aln超晶格，一定能量的电子束轰击在紫外阴极荧光材料层20上，可产生紫外线。

具体地，在本发明的一些实施方式中，光窗板10通常是石英玻璃、caf2玻璃、mgf2玻璃或钠钙硅玻璃，用于透射紫外线。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，第一衬底51或者第二衬底61的材料通常是硅，阻变材料层62通常是氧化硅，第一电极52和第二电极53通常由金属材料组成，插指电极组55通常由金属、石墨烯和碳纳米管一种或多种材料组成。

具体地，在本发明的一些实施方式中，如图8和9所示，加速电极层30通常是铝导电层或者是铝与碳元素组合的导电层，加速电极层30为单一的铝导电段31，几十到几百纳米的铝导电段31具有良好的电子束穿透性，这样不仅为微型紫外光源1提供高电压，而且高速电子束也可以穿透铝导电段31轰击靶材产生紫外线，铝导电段31和bf33玻璃具有良好的阳极键合性能，便于固定封装。另外，加速电极层30也可以由铝导电段31和石墨烯段32组合，其中铝导电段31位于两端，石墨烯段32位于中部，铝导电段31主要为微型紫外光源1施加高电压，而石墨烯由于具有优异的电子穿透性，故可作为电子穿透材料，这样可以降低电子因被单一的铝导电层吸收或反射而造成的能量损失，提高电子穿透率，从而提高紫外线的发射效率，而且铝的厚度可以增加，便于和bf33玻璃发生阳极键合。

进一步地，如图10、11和12所示，在本发明的一些实施方式中，微型紫外光源1采用真空阳极键合工艺制备，主要包括真空室101、平板102、压头103、电源104、加热装置106和真空泵107，其中真空室101为阳极键合的操作环境。平板102用于安放需要键合的器件，压头103用于为需要键合的器件提供一定的压力，且平板102和压头103位于真空室101内。电源104可改变电极方向，且通过电缆105分别与平板102和压头103相连，使其平板102和压头103之间具有一定的正负电势差，从而为需要键合的器件提供一定的电压。加热装置106位于平板102的底部，为真空室101供热。真空泵107可以是机械泵或分子泵，真空泵107的抽气口与真空室101相连，为真空室101提供一定的真空度。

具体地，在本发明的一些实施方式中，在真空阳极键合工艺中真空室101的真空度为10^-2～10^-5pa，平板102和压头103之间的电势差为800～1500v或-800～-1500v，真空室101的温度为300～450℃。多个器件固定在平板102上时，其放置顺序具有多个选择，不同的放置顺序会改变不同的电源104电极方向，但根据阳极键合原理，其提供si⁴⁺或金属离子的器件需与电源104的正极相连，其提供o^2-的器件需与电源104的负极相连，正负电势差引起si⁴⁺或金属离子的器件与o^2-的器件在键合界面形成共价键，从而实现器件间的阳极键合，从而保证器件间具有良好的粘结性，也保证了绝缘间隔体40的中空腔体41内具有良好的真空度和和密封性。

进一步地，为了阐述微型紫外光源1的真空阳极键合工艺制备方法，图11-12是其中的一种放置顺序。

具体地，图11是一种微型电子源片50和绝缘间隔体40的阳极键合示意图，其中绝缘间隔体40放置在平板102上，微型电子源片50放置在绝缘间隔体40上，且微型电子源片50的核心发射区域完全位于绝缘间隔体40的中空腔体41内，微型电子源片50的上端用压头103压着，由于微型电子源片50的衬底为硅衬底或含有氧化硅的硅衬底，绝缘间隔体40为bf33玻璃，所以微型电子源片50与电源104正极相连，绝缘间隔体40与电源104负极相连，当施加一定的压力、温度、电压和真空度，即可实现微型电子源片50和绝缘间隔体40的阳极键合。

具体地，图12是一种图11键合后的绝缘间隔体40和加速电极层30的阳极键合示意图，其中光窗板10放置在平板102上，绝缘间隔体40放置在光窗板10上，且光窗板10的加速电极层30与绝缘间隔体40未键合的一面接触，由于光窗板10是一种绝缘玻璃，而加速电极层30导电，故可以将平板102与电源104正极相连，压头103与电源104负极相连，此时需通过一个导电片108将加速电极层30与平板102直接相连，这样就实现了加速电极层30与绝缘间隔体40之间具有正电势差，当施加一定的压力、温度、电压和真空度，即可实现加速电极层30和绝缘间隔体40的阳极键合。另外，也可以先将绝缘间隔体40和加速电极层30阳极键合，然后再与微型电子源片50阳极键合，也可以改变上下放置顺序，其阳极键合工艺与上文类似，本实施例不做进一步阐述。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，如图13所示，当加速电极层30接10kv时，微型紫外光源1的工作原理为：当加速电极层30接10kv，微型电子源片50的第一电极52和第二电极53分别接地(0v)和15v时，微型电子源片50发射电子，由于加速电极层30与微型电子源片50之间具有较大的正电势差，致使微型电子源片50发射的电子在中空腔体41内加速向加速电极层30方向移动，具有一定能量的电子穿过加速电极层30轰击紫外阴极荧光材料层20，从而产生紫外线，紫外线再透过光窗板10进入到外界，即实现了微型紫外光源1的工作。不同的紫外阴极荧光材料层20可以形成不同波长的紫外线，同样不同的光窗板10对不同波长的紫外线也有选择穿透性，一般情况下，当紫外阴极荧光材料层20为六方氮化硼(hbn)、kmgf3、zn2sio4或alxga1-xn/aln超晶格时，通常可以产生200～280nm的短波紫外线(uvc)，当光窗板10是透光的caf2玻璃、mgf2玻璃或钠钙硅玻璃时，对短波紫外线(uvc)具有良好的穿透性，这种短波紫外线(uvc)具有良好的杀菌消毒效果，有很好的应用前景。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，如图14所示，当加速电极层30接地(0v)时，紫外线产生原理为：当加速电极层30接地(0v)，微型电子源片50的第一电极52和第二电极53分别接-10kv和-10kv+15v时，微型电子源片50发射电子，由于加速电极层30与微型电子源片50之间具有很强的正电势差，致使微型电子源片50发射的电子在中空腔体41真空腔体内加速向加速电极层30方向移动，具有一定能量的电子穿过加速电极层30轰击紫外阴极荧光材料层20，从而产生紫外线，紫外线再透过光窗板10进入到外界，即实现了微型紫外光源1的工作。

本发明还提出了一种微型紫外光源的制备方法，包括：

采用微纳加工工艺技术，制备微型电子源片；

采用涂覆、退火以及镀膜技术，在光窗板的下表面依次制备紫外阴极荧光材料层和加速电极层；

采用机械打孔或激光打孔技术，在绝缘间隔体的中部制备中空腔体；

将吸气剂置于中空腔体内，用于维护中空腔体的真空度；

采用真空阳极键合工艺，将微型电子源片、绝缘间隔体和光窗板固定在一起，使微型电子源片和加速电极层之间形成真空结构；

采用粘贴或焊接技术，将微型电子源片固定在电路板上；

采用引线键合技术，将微型电子源片两侧的电极端和加速电极层分别连接在电路板的焊盘上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。