基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片，包括平行设置的光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，荧光膜层是由多个彼此间隔且电连接的荧光膜元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构，光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列的形状和阵列规模均相同，光学天线的天线元、荧光膜层中对应位置处的荧光膜元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥。本发明专利技术通过纳米尖锥的电子受控发射与荧光激励实现入射光放大以及红外光至可见光波谱转换，从而显著提高了探测灵敏度。

Photosensitive Imaging Detector Chip Based on Advanced Electron Fluorescence Excitation and Its Fabrication Method

The invention discloses a photosensitive imaging detection chip based on the tip electron fluorescence excitation, which comprises an optical antenna, a fluorescent film layer and a photosensitive array arranged in parallel. The optical antenna is an array structure composed of several antenna elements spaced and electrically connected with each other. The fluorescent film layer is an array structure composed of several fluorescent film elements spaced and electrically connected with each other, and the photosensitive array is composed of many fluorescent film elements. The shape and size of the optical antenna, the fluorescent film layer and the photosensitive array are the same. The antenna element of the optical antenna, the fluorescent film element at the corresponding position in the fluorescent film layer and the photosensitive element at the corresponding position in the photosensitive array are aligned vertically. The antenna element of the optical antenna includes at least one top surface which electrically electrifies each other. Connected nanocones. The invention realizes the amplification of incident light and the spectral conversion from infrared light to visible light by the controlled emission and fluorescence excitation of nano-tip cone, thereby significantly improving the detection sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片及其制备方法
本专利技术属于光学成像探测
，更具体地，涉及一种基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片及其制备方法。
技术介绍
目前，光敏成像阵列作为光敏探测器，已经在各个领域得到了极为广泛的应用。常见的光敏成像阵列包括光子探测器和热探测器两种，而光子探测器又包括可见光探测器(常见是CMOS器件)和红外探测器(常见是FPAs)两种类型。可见光探测器主要用在民用领域，其可探测的最小光功率也已低至纳瓦级；红外探测器主要用在军用领域，其成本相对高昂；热探测器是基于微热吸收与光电信号生成这一热探测模式工作。然而，现有的光敏成像阵列存在一些不可忽视的技术问题：第一、光子探测器无法同时探测可见光和宽谱红外光；第二、热探测器虽然能同时探测可见光和红外光，但其探测灵敏度比光子探测器低至少一个量级，且探测速度慢；第三、现有的光敏成像阵列针对功率在皮瓦级功率的弱光学信号探测能力不足。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片及其制备方法，其目的在于，解决现有光敏成像阵列中存在的上述技术问题，且本专利技术的基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片具有成像光波收集效能高的优点，并通过纳米尖锥的电子受控发射与荧光激励实现入射光放大以及红外光至可见光波谱转换，从而显著提高了探测灵敏度，并扩展了光谱响应范围。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片，包括平行设置的光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，荧光膜层是由多个彼此间隔且电连接的荧光膜元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构，光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列的形状和阵列规模均相同，光学天线的天线元、荧光膜层中对应位置处的荧光膜元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐，光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，纳米尖锥的尖端部位指向荧光膜元，光学天线的一端与荧光膜层的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。优选地，当所述光敏成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。优选地，该纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出，纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。优选地，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。优选地，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。优选地，纳米尖锥的尖端部位和荧光膜层的顶面之间的距离是150纳米到700纳米之间，荧光膜层的底面与光敏阵列顶面之间的距离是100纳米到800纳米之间，相邻荧光膜元之间的间隔为50到500纳米之间。优选地，所述光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部，芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线，芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。按照本专利技术的另一方面，提供了一种上述基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片的制备方法，包括：一、制作光学天线的过程，包括以下步骤：(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对硅基片进行超声清洗并烘干；(2)将聚焦电子束沿圆环形路径、或边缘矩形内圆环路径扫描刻蚀硅基片制成纳米尖锥图形，在基片表面移位并重复上述操作，从而获得硅基光学天线；(3)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干，并在烘干后的石英或硒化锌基片的一侧端面上涂覆光刻胶并烘干；(4)将硅基光学天线上有纳锥尖图形的一侧压印在石英或硒化锌基片上涂敷有光刻胶的一侧，并在石英或硒化锌基片的该侧上电镀金属(如铜或铝)，并对其进行清洁处理；(5)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；(6)将石英或硒化锌基片镀有金属的一侧与另一片石英或硒化锌基片进行分子键合处理，并对处理后的基片进行显影处理，以去除与金属膜贴合的光刻胶及其支撑基片，从而得到光学天线，对该光学天线进行清洁处理；二、制作荧光膜层的过程，包括以下步骤：(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对石英或硒化锌基片进行超声清洗并烘干；(2)在石英或硒化锌基片的一侧端面上涂覆光刻胶，并烘干；(3)将光刻版覆盖在石英或硒化锌基片涂覆有光刻胶的一侧进行光刻处理；(4)对石英或硒化锌基片光刻处理后的一侧进行显影处理，并用去离子水冲洗并烘干；(5)用平行离子束刻蚀石英或硒化锌基片上的光刻胶膜，以得到深度在100微米以上的网状栅格，并对其进行清洁处理；(6)通过湿法涂敷工艺在石英或硒化锌基片上的网状栅格内填充厚度在5至100微米的荧光膜层，并对其进行烘干和清洁处理；三、集成光学天线、荧光膜层与光敏阵列的过程，包括以下步骤：(1)分别从光学天线和荧光膜层的同一侧引出金属连接线；(2)将光学天线中的每个纳米尖锥与荧光膜层中对应位置的荧光膜元、以及光敏阵列中对应位置的光敏元对准；(3)将光学天线中的天线元与荧光膜层中对应位置的荧光膜元、以及光敏阵列中对应位置的光敏元对准；(4)用UV胶封住光学天线、荧光膜层和光敏阵列的上下和左右两侧并烘干，并将从光学天线和荧光膜层引出的金属连接线分别接入芯片外壳内部的管脚上。优选地，在对准过程中，纳米尖锥的尖端部位和荧光膜层的顶面之间的距离被保持在150纳米到700纳米之间，使荧光膜层与光敏阵列之间的距离被保持在100至800纳米之间。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、由于本专利技术采用了光学天线收集可见光和宽谱红外光，因此本专利技术的探测芯片可以同时探测可见光和宽谱红外光，从而实现了宽谱域探测；2、由于本专利技术通过光学天线的共振性表面电磁激励收集表面波，从而能够实现皮瓦级弱光学信号的放大性收集，探测灵敏度高；3、本专利技术通过采用电子激励荧光的方式，实现了快速响应和波谱转换；4、本专利技术通过光学天线表面电磁波和表面电子密度波的耦合关联性，实现对其表面“巡游态”电子分布密度的电控调节，进而能够调节其表面电磁波的纳聚焦强度。5、本专利技术通过光学天线高增益收集倾斜成像波束，在基本保持光敏结构噪声水平这一前提下，基于光学天线的尖端部位出射电子的较强荧光激励与光敏，从而高增益地提高可见光和红外光的探测灵敏度。6、本专利技术一方面可以通过调节外部控制信号的幅度，实现对光敏元输出的有效信号的调节，另一方面，可以通过改变外部控制信号的极性，实现改变光学天线的关闭和工作状态，因此本专利技术具有智能化特征。7、由于本专利技术采用可精密电驱控的光学天线，其具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，因此本专利技术具有控制精度高的特点。8、由于本专利技术的主体为封装在芯片外壳内的光学天线、荧光膜层及光敏阵列，通过设置的电子学接口，其在光路中接插方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合。附图说明图1是本专利技术基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片在光路中的配置示意图；图2是根据本专利技术一种实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片，包括平行设置的光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列，其特征在于，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，荧光膜层是由多个彼此间隔且电连接的荧光膜元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构；光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列的形状和阵列规模均相同；光学天线的天线元、荧光膜层中对应位置处的荧光膜元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐；光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，纳米尖锥的尖端部位指向荧光膜元；光学天线的一端与荧光膜层的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片，包括平行设置的光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列，其特征在于，光学天线是由多个彼此间隔且电连接的天线元组成的阵列结构，荧光膜层是由多个彼此间隔且电连接的荧光膜元组成的阵列结构，光敏阵列是由多个彼此间隔的光敏元组成的阵列结构；光学天线、荧光膜层、以及光敏阵列的形状和阵列规模均相同；光学天线的天线元、荧光膜层中对应位置处的荧光膜元、以及光敏阵列中对应位置处的光敏元在垂直方向上相互对齐；光学天线的天线元包括至少一个顶面彼此电连接的纳米尖锥，该纳米尖锥采用锥形结构，其顶面为曲面结构，纳米尖锥的尖端部位指向荧光膜元；光学天线的一端与荧光膜层的一端分别通过金属连接线连接到外部控制信号。2.根据权利要求1所述的光敏成像探测芯片，其特征在于，当所述光敏成像探测芯片被用于探测弱光学信号时，每个天线元中纳米尖锥的数量是大于1个，且这些纳米尖锥为均匀排列。3.根据权利要求2所述的光敏成像探测芯片，其特征在于，该纳米尖锥的数量下限值必须使得光敏元能够产生有效的信号输出；纳米尖锥的数量上限值必须使得单个天线元中的所有纳米尖锥均匀排列后，该天线元的总体尺寸不能大于单个光敏元的尺寸。4.根据权利要求1所述的光敏成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥顶面的横截面是圆形、椭圆形、三角形、或多边形。5.根据权利要求4所述的光敏成像探测芯片，其特征在于，当纳米尖锥顶面的横截面是圆形时，其直径为30纳米到600纳米之间。6.根据权利要求1所述的光敏成像探测芯片，其特征在于，纳米尖锥的尖端部位和荧光膜层的顶面之间的距离是150纳米到700纳米之间；荧光膜层的底面与光敏阵列顶面之间的距离是100纳米到800纳米之间；相邻荧光膜元之间的间隔为50到500纳米之间。7.根据权利要求1所述的光敏成像探测芯片，其特征在于，所述光敏成像探测芯片被封装在芯片外壳内部；芯片外壳靠近光学天线的一个侧面上设置有光窗，用于指示该侧设置有光学天线；芯片外壳上与光窗相邻的另一个侧面上设置有电子学接口，用于以插接的方式将所述光敏成像探测芯片接入不同的光路结构。8.一种根据权利要求1至7中任意一项所述基于尖端电子荧光激励的光敏成像探测芯片的制备方法，其特征在于，包括：一、制作光学天线的过程，包括以下步骤：(1)依次采用丙酮、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新宇，张汤安苏，
申请(专利权)人：南京奥谱依电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32