[实用新型]高性能场致发射阵列摄像管

说明书

本实用新型是一种采用场致发射阵列为阴极发射源的摄像管，属于真空微电子器件技术领域。

摄像器件从结构上可分成真空型摄像器件和非真空型摄像器件两大类，真空摄像器件以光电发射型和光电导型器件为主，非真空型摄像器件有电荷耦合型器件(CCD)和斗链式器件(BBD)。真空型摄像器件采用电子束扫描方式读取信号，具有分辨率和灵敏度高、噪声和成本低、工作温度范围宽等优点，但存在惰性大、怕强光照、抗振性差、体积大和重量重等问题。非真空型摄像器件即固体摄像器件不采用电子束扫描方式读取信号，而是采用电荷耦合和电荷转移原理读取信号，具有无图像畸变、低惰性、无余像、不怕强光照、耐振动、体积小、重量轻、低电耗、长寿命和高可靠性等优点，但存在分辨率和灵敏度不高、工作温度范围窄、易受静电和辐射干扰等问题。

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高性能的场致发射阵列摄像管，可以综合真空器件和固体器件两者的优点。

本实用新型可以由基底、阴极和靶面装置组成，其特点是阴极采用场致发射阴极阵列结构，靶面装置由靶面、透明导电膜和玻璃构成，阴极与靶面装置之间设有由绝缘体支撑的多孔状场网。场致发射阴极阵列的发射体可以为金属锥体或半导体锥体，也可以采用平面薄膜材料(例如金刚石薄膜)。场致发射阴极阵列可采用双门极结构，也可以采用薄膜二极管结构。在双门极结构的场致发射阴极阵列的阴极中，阴极由发射体、下门极(栅极)和上门极(聚焦极)构成，下门极和上门极均由绝缘体支撑。当下门极加上适当的电压时，锥体顶端形成高场强而产生场致发射，在上门极加上合适的电压可以起到调节电子束聚焦的作用，故将上门极称为聚焦极。如果没有上门极的作用，从锥体顶部发射的电子将近贴聚焦上屏，这样，门极与靶之间间距的大小将使得电子束扩散开，并且不能保证电子束垂直上靶。因此，上门极对器件性能的影响是很大的。如果上门极加上合适电压使电子束聚焦，形成层流特性，则可保证电子束垂直上靶。在薄膜二极管结构的场致发射阴极阵列中，发射体金刚石薄膜与孔状电极(场网)结合形成二极管结构，场网既相当于栅极起到了产生场致发射的作用，又起到了矩阵选址的作用。

本实用新型与现有技术相比，既有分辨率和灵敏度高、噪声和成本低、工作温度范围宽的特点，又有功耗低、体积小、重量轻、抗振性好和抗静电、抗辐射能力强、响应速度快等优点。采用场致发射冷阴极来代替热阴极，利用场致发射电子速度零散小的特点，可以大大降低惰性和功耗；采用双门极结构，形成电子束层流状态，实现电子束垂直上靶读取信号，可以大大减弱交叉点的影响，同时又保留了原摄像管分辨率和灵敏度高、响应速度快、工作温度范围宽的优点；采用矩阵选址技术，大大减少了摄像管的体积和重量，简化了摄像管的制备工艺过程，具有抗振动、抗静电和抗辐射的特点；对金刚石薄膜阴极，采用二极管结构和场网辅助选址技术，大大简化了结构，降低了制备工艺难度，实现了真空型微电子器件的一体化。

图1为本实用新型的正面结构示意图；图2为双门极场致发射阵列摄像管的结构示意图；图3.为双门极场致发射阵列单个阴极结构示意图，其中(a)为锥体结构发射体，(b)为薄膜结构发射体；图4为矩阵选址原理示意图；图5为金刚石薄膜场致发射阵列摄像管的结构示意图；图6为单元二极管结构和场网辅助选址原理示意图。

本实用新型可按附图所示的方案实现。图1中的靶面1位于基底2的中心部位，即有效阵列范围，其有效面积与阴极阵列相对应；排气孔3开在基底2的边缘无效部位。双门极场致发射阵列摄像管的结构如图2所示，靶面装置由透明玻璃4、透明导电膜5、靶材料层6构成；透明导电膜5、靶材料层6和场网膜8均可采用薄膜工艺制备而成，例如场网膜8可采用在靶材料层6上沉积SiO₂绝缘层7，再溅射一层金属薄膜，通过光刻腐蚀形成孔状电极场网膜8，绝缘层7既起到电绝缘作用又起到了防止电子束的扩散影响，支撑体9采用密封材料制作而成，例如采用低熔点玻璃，既起到密封作用，又起到控制靶面与阴极阵列间距的作用。排气孔3开在基底2的背面，基底2的正面有一层金属膜10，金属膜10上的双门极阴极阵列11的单个阴极可采用图3所示的结构。图3中的(a)为锥体结构，发射体16可采用金属锥体或半导体锥体，发射体16的上方有下门极(栅极)14和上门极(聚焦极)12，金属膜10、下门极14和上门极12之间分别隔有绝缘体15和13；金属锥体(例如Mo材料)的单尖发射电流可达10μA，如果采用4×4个阴极对应一个像素，最大电流为160μA，考虑到50％的电流被栅极和场网截获，发射的电流完全可以达到读取信号的需要；半导体锥体(例如Si材料)的单尖发射电流可达0.5～10μA，采用阵列集束，同样可使发射的电流达到读取信号的需要；如果栅孔直径为1μm，间距为3μm，靶上对应的像素尺寸的大小限于12μm×12μm之内。图3中的(b)为薄膜结构，发射体由金属层17和金刚石薄膜18构成，由于金刚石薄膜的(111)面具有负电子亲和势，在20～40V/μm的场强下，电流密度可达0.5～1mA/μm²。为了实现电子束扫描功能，可采用矩阵选址技术，其原理如图4所示。阴极阵列19根据像素大小的要求按块分布并且水平分条；下门极20的栅孔相对应于阴极呈现块状分布，按垂直方向分条与阴极水平分条垂直交叉，当阴极某一条和下门极某一条施加适当电压后，其交叉点处的块状阴极阵列产生场致发射，并通过上门极21聚焦，在场网22的作用下，电子束垂直打到靶面23，使靶面受扫描的位置电位降至为零。二极管场致发射阵列摄像管的结构如图5所示，在基底24上有金属膜25，发射体由金属层26和金刚石薄膜27构成，靶面装置由透明玻璃33、透明导电膜32和靶面材料层31构成，靶面材料层31与多孔状场网29之间有绝缘层30，场网29与金属膜25之间有绝缘支撑体28，既可起到密封作用，又可起到控制阴极与靶面间距的作用。场网29与金刚石薄膜27组成二极管结构，场网29既起到了产生场致电子发射的作用，又起到矩阵选址的作用。如图6所示，阴极阵列34根据像素大小的要求按块状分布并且水平分条，场网36的矩形场网37相对应于阴极呈块状分布，按垂直方向分条与阴极水平分条垂直交叉。根据金刚石薄膜35的场致发射要求，场网36与金刚石薄膜35之间的绝缘层厚度约为10～25μm，场网电压约为200～400V之间，当阴极某一水平条和场网某一垂直条施加适当的电压时，其交叉处的金刚石薄膜阴极产生场致发射电子，并在场网电压的作用下，近贴聚焦垂直上靶，使靶面受扫描位置的电位降至为零。