(57)【要約】イメージインテンシファイアは、光に応答して光電子を生成するための真空窓と、真空パッケージと、光電子を受け取る陽極アセンブリとを含む光電陰極アセンブリを備える。陽極アセンブリは、コンプライアント、弾力のある支持構造を介して真空パッケージに取り付けられる。陽極は、光電陰極面に対する陽極アセンブリの位置を精密にインデックスするために、光電陰極に向かう表面で1つ以上の絶縁スペーサをさらに含む。光電陰極および真空窓アセンブリを真空パッケージ内に圧入し、封止された耐漏真空エンベロープを生成する。光電陰極アセンブリを真空パッケージアセンブリへの押圧操作の間に、光電陰極アセンブリの内面が陽極アセンブリの絶縁スペーサ/スペーサに接触し、それによってコンプライアントの支持構造を圧縮する。この構造及びアセンブリの方法は、精密にインデックスされた光電陰極-陽極アセンブリ封止イメージインテンシファイアをもたらす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージインテンシファイアであって、
真空パッケージアセンブリと、
前記真空パッケージセンブリに密封的に取り付けられることにより真空チャンバを画定し、光電子放出面を含む底面を有する光電陰極と、
前記真空チャンバの内部に配置され、前記光電子放出面に面するように配向される電子感応面を含む前面を有する陽極と、
前記真空パッケージアセンブリに部分的に取り付けられ、前記陽極の裏面に部分的に取り付けられる弾性バネアセンブリと、を含むイメージインテンシファイア。
【請求項２】
前記バネアセンブリは、前記パッケージアセンブリに取り付けられる第１のセットのボンドパッドと、前記陽極の前記裏面に取り付けられる第２のセットのボンドパッドとを有する単一のバネプレートを含む、請求項１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項３】
前記第1のセットのボンドパッドのパッドは、前記第２のセットのボンドパッドのパッドと空間的にずらされる、請求項２に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項４】
前記弾性バネアセンブリは、可鍛性の接合剤によって、前記真空パッケージアセンブリに部分的に取り付けられ、前記陽極の裏面に部分的に取り付けられる、請求項１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項５】
前記バネアセンブリは、複数の個別のバネを含み、各バネが、一端で前記真空パッケージアセンブリにおける接合パッドに取り付けられ、反対端で前記陽極における接合パッドに取り付けられる、請求項１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項６】
前記バネアセンブリは、前記前面に平行な方向に前記陽極が横方向に移動するのを防止するように構成されている、請求項１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項７】
前記バネアセンブリは、前記陽極の前記電子感応面を前記光電陰極の前記光電子放出面と位置合わせして維持するように構成される、請求項１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項８】
前記光電陰極と前記陽極の前記前面との間に設けられるスペーサアセンブリをさらに含む、請求項１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項９】
前記スペーサアセンブリは、前記陽極の前記前面に取り付けられる、請求項８に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１０】
前記スペーサアセンブリは、それぞれが前記陽極の前記前面に取り付けられる複数のスペーサを含む、請求項８に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１１】
前記スペーサアセンブリは、前記陽極の前記電子感応面とマッチするように、切り出されるサイズを有する単一のスペーサを含む、請求項８に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１２】
前記単一のスペーサは、前記陽極の前記前面に取り付けられる、請求項１１に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１３】
前記スペーサアセンブリは、絶縁材料を含む、請求項８に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１４】
前記スペーサアセンブリは、前記光電子放出面と前記電子感応面との間の所定の分離を維持するために前記底面に接触するように構成される、請求項８に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１５】
イメージインテンシファイアであって、
真空パッケージアセンブリと、
前記真空パッケージセンブリに密封的に取り付けられることにより真空チャンバを画定し、光電子放出面を含む底面を有する光電陰極と、
前記真空チャンバの内部に柔軟に配置され、前記光電子放出面に面するように配向される電子感応面を含む前面を有する陽極と、
前記光電子放出面と前記電子感応面との間の所定の分離を維持するために、前記陽極の前面に取り付けられ、前記光電陰極の前記底面に接触するスペーサアセンブリと、を含むイメージインテンシファイア。
【請求項１６】
前記スペーサアセンブリは、それぞれが前記陽極の前記前面に取り付けられる複数のスペーサを含む、請求項１５に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１７】
前記スペーサアセンブリは、前記陽極の前記電子感応面とマッチするように、切り出されるサイズを有する単一のスペーサを含む、請求項１５に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１８】
前記スペーサアセンブリは、絶縁材料を含む、請求項１５に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項１９】
前記真空パッケージアセンブリに部分的に取り付けられ、前記陽極の裏面に部分的に取り付けられる弾性バネアセンブリを含む、請求項１５に記載のイメージインテンシファイア。
【請求項２０】
前記バネアセンブリは、前記パッケージアセンブリに取り付けられる第１のセットのボンドパッドと、前記陽極の前記裏面に取り付けられる第２のセットのボンドパッドとを有する単一のバネプレートを含む、請求項１９に記載のイメージインテンシファイア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、２０１５年７月１６日に出願された米国仮出願第１４／８０１，８０７号の優先権利益を主張し、そのすべての内容が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
［政府支援］
本発明は、海軍航空戦争センター（Ｎａｖａｌ  Ａｉｒ  Ｗａｒｆａｒｅ  Ｃｅｎｔｅｒ）によって発行された契約番号Ｎ００４２１−１１−Ｄ−００３４引渡命令０００４の下で政府支援によりなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
［技術分野］
本発明は、近接焦点式の暗視イメージインテンシファイア分野に関し、具体的に、電気出力信号を生成するイメージインテンシファイアに関するものである。
【背景技術】
【０００４】
インテンシファイアは、電子衝撃式アクティブピクセルセンサ（ＥＢＡＰＳ）（米国特許第６，２８５，０１８  Ｂ１号）および電子衝撃式電荷結合装置（ＥＢＣＣＤｓ）を含むがこれらに限定されない。米国特許第６，２８５，０１８号は、この特許の開示された背景に参考として援用される。これらのセンサは、近接焦点電子光学を主に使用する真空イメージングセンサの種類に分類される。近接焦点センサは、通常、平面光電陰極と平面陽極とを用いる。光電陰極から放出された電子の強度パターンに含まれる画像情報は、電場を介して電子を加速することによってセンサの真空ギャップにわたって転送される。電場は、光電陰極および陽極を異なる電圧にバイアスすることによって確立される。ＥＢＡＰＳ内部部品の一般的なバイアス電圧は、光電陰極で−１２００Ｖであり、陽極アセンブリで０Ｖである。光電子は、真空ギャップを横切るにつれて、それらの光電陰極上の放出位置から陽極アセンブリにおける衝突位置に近接しても必ずしも転換されずに広がる。この広がりは、画像の鮮明度を失うことをもたらす。真空ギャップにわたる電子の通過時間を最小化することによって、この画質の損失が最小化される。陰極と陽極の間のギャップを最小化することによって、通過時間を最小化する。既定のバイアス電圧における通過時間の改善は、電場強度の増加に伴って低下する傾向の他の性能属性に対して比較検討しなければならない。具体的に、光電陰極暗電流の放出は、電場強度が増加するにつれて増加する傾向がある。光電陰極暗電流の増加は、暗視適用に使用される時、イメージインテンシファイアの性能に悪影響を与える。近接焦点式の暗視イメージインテンシファイアのための光電陰極に使用される一般的な電場は、約３０００〜８０００Ｖ／ｍｍの範囲である。電場強度の正確な制御は、イメージインテンシファイアの製造に使用される部品のための正確な寸法上の要件につながる。イメージインテンシファイア部品のための正確な寸法公差を指定すると、通常、これらの部品の製造コストを上昇させる。
【０００５】
ＥＢＡＰＳ、ＥＢＣＭＯＳおよびＥＢＣＣＤｓを含む間接視界イメージインテンシファイアの陽極アセンブリは、コリメート構造を援用することができる。米国特許第８，６９８，９２５  Ｂ２号は、この従来技術の態様のための基礎を文書化し、設定するために、この特許が参考として援用される。
【０００６】
イメージインテンシファイア製造業者が過去に使用しようとするアプローチの一つは、光電陰極の直上にあり、印加される電場にわたる真空ギャップを特定するために光電陰極に取り付けられたスペーサを使用するアプローチである。Ｉｏｓｕｅ（米国特許第６，８４７，０２７  Ｂ２号）は、光電陰極製造プロセスの一体化部分として製造される絶縁スペーサの使用を記載している。記載された製造プロセスおよび構造は、光電陰極を覆う真空ギャップの最小限度を設定するという目標を達成することができるが、この設計は多くの欠点がある。これらの問題の中で最も重要なのはおそらくコストである。ガラス接合光電陰極の生成は、Ｉｏｓｕｅによって記載されるように、比較的複雑なプロセスである。光電陰極の一体化部品としてのスペーサの援用は、光電陰極アセンブリの必要な取扱い及び処理を増加させる。ＧａＡｓ光電子放出面は、損傷および汚染に対して非常に敏感である。製造プロセスの複雑さおよび必要な取扱いの増加は、部品歩留まり損失の増加につながることにより、コストを増加させる。また、Ｉｏｓｕｅは、スペーサによって接触される表面の物理的コンプライアンスに関連する問題に対処することができない。Ｋｅｎｎｅｄｙ（米国特許第４,１７８,５２８号）は、１平方インチ当たり１５０〜２００ポンドの力程度での力を使用するものとしてイメージインテンシファイアに一般的に用いられる室温インジウムシールを記載している。この力が加えられる間に、窓と真空本体との間の真空シールを確実に組み立てるために使用されるインジウムは、光電陰極と、対向する表面との間のギャップが縮小される時に、変位される。前述の説明から得られる観点は、Ｉｏｓｕｅに記載されているイメージインテンシファイアに使用されるＭＣＰまたは本発明の陽極アセンブリを損傷するのに必要な力は、真空シールに影響を及ぼすために加えられる力より非常に小さい。これにより、シールする間に光電陰極に対向する表面の力対コンプライアンス特性は、損傷を避けるために対向する部品を光電陰極停止点に対して配置しなければならない精度を特定する。十分なコンプライアンスで設計を行うことができない場合、センサの歩留まりが低い（コストがかかる）、センサ部品に対する厳しい幾何仕様要求（コストがかかる）、特に高電圧ゲート利得制御方法が使用されている時に、光電陰極と対向する表面との間の一貫性のない力のため、衝撃/振動の損傷および信頼性の問題の可能性が存在することをもたらす可能である。
【０００７】
ＭＣＰ−ＣＭＯＳ（米国特許第７，８８０,１２８号に記載）、ＥＢＣＣＤｓ（米国特許第６，２８１，５７２号Ｒｏｂｂｉｎｓ）またはＥＢＡＰＳ（米国特許第７，６０７，５６０号）のような間接視界イメージインテンシファイアは、一般的に、半導体陽極アセンブリをサポートするように、真空パッケージの部分を構成する多層セラミックヘッダを使用する。引用された特許に示されるように、近接焦点式イメージインテンシファイアにおける半導体ダイを取り付けるために、多種多様なアプローチが採用されている。しかし、米国特許第７，６０７，５６０号の以外に、従来の間接視界イメージインテンシファイアのパッケージングアプローチは、いずれも光電陰極アセンブリに直接インデックスするコンプライアント陽極アセンブリを含まない。米国特許第７，６０７，５６０号の場合、光電陰極が真空パッケージアセンブリに封止される時、陽極アセンブリと真空パッケージとの間に溶融したろう付けまたははんだ材料を使用することによって、コンプライアント陽極アセンブリが実現される。これは、望ましくないイメージインテンシファイアの処理制約を追加する必要がある。具体的に、真空シールを生成するために必要なハードウェアにおいて高精度な真空温度制御を行うことは困難である。さらに、真空密封プロセスの間の如何なる押し合いは、溶融したろう付け／はんだ材料の制御されない変位をもたらすことができるため、非機能的なイメージインテンシファイアをもたらす。
【発明の概要】
【０００８】
以下の本開示の概要は、本発明の一部の態様や特性の基本的に理解を得るために含まれる。この概要は、本発明の広範な概説ではなく、またこれ自体が本発明の要所若しくは重要な要素を具体的に特定したり、又は本発明の範囲を明確化したりすることを意図するものではない。その唯一の目的は、後述されるより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を単純な形で提示することにある。
【０００９】
開示の実施形態は、一貫性のある高性能の近接焦点式イメージインテンシファイアを製造するために、高精度の陰極・陽極アセンブリの寸法制御（<10μmの精度）を達成するための低コストの方法を容易にする。この実施形態は、光電陰極に向かう陽極アセンブリの表面に固定された絶縁スペーサを含む。さらなる実施形態は、コスト効率の高いセンサ部品に関連する機械的許容誤差と、必要な衝撃および振動環境にさらされたときに完成されたセンサの信頼性があることを保証するために必要される、最小化の必要な陽極アセンブリへの陰極アセンブリ力との両方を満たすように、陽極コンプライアンス対力の挙動を設計する機構をセンサ設計者に提供する
【００１０】
開示の実施形態は、陽極アセンブリを真空パッケージアセンブリに取り付けるバネ支持構造を含む。それにより、陽極はパッケージに柔軟に取り付けられる。高い剛性は、バネ支持構造において、加えられたバネ力の方向に対して横方向の変位に達成される。開示の実施形態は、必要な最小サイズおよび重量をイメージインテンシファイアに加える時、力対変位目標を達成する。
【００１１】
開示の実施形態は、陽極アセンブリから真空パッケージアセンブリへの良好な熱伝達も達成し、センサが暗い環境にある時に光電陰極と陽極アセンブリとの間に高電圧バイアス（通常約〜−１２００Ｖ）が印加される時、光電陰極アセンブリと陽極アセンブリとの間の低い漏れ電流（＜１０ｎＡ）も確実に達成する。
【００１２】
さらなる実施形態は、真空パッケージ、真空シールに対する光電陰極の信頼性を維持するために、バネによって光電陰極に加えられる力を制限する。開示の実施形態は、市販のワイヤボンド装置が、コンプライアント陽極アセンブリから真空パッケージの内面のボンドパッドまで信頼性の高いワイヤボンドを生成できるように、陽極アセンブリに十分に高い有効バネ定数を提供する。
【００１３】
開示の実施形態によれば、真空シールの作成時に、イメージインテンシファイアコンポーネントから存在するすべての溶融したろう付けまたははんだが除去される。また、陽極アセンブリが必要な衝撃および振動環境における光電陰極アセンブリに対して静止状態を保つための必要なバネ力を最小化にするように、ばね下（ｕｎ−ｓｐｒｕｎｇ）陽極アセンブリの重量を最小に保つことが開示されている。
【００１４】
開示の態様は、接触点における光電陰極アセンブリへの損傷を避けるために、バネに関連する圧縮荷重を光電陰極アセンブリの十分に広い領域にわたって広げるスペーサ設計を採用する。
【００１５】
上記の態様および目標は、ＥＢＡＰＳセンサの初期製造および試験を通じて満たされ、達成され、検証される。衝撃試験は、５００ｇ’ｓを超えて（>５００ｇ’ｓ）実施されており、このアプローチが大部分のイメージインテンシファイア応用に適していることを実証する。本発明の特定の例示的な実施形態を以下に説明し、以下の図面に示す。
【００１６】
開示の態様は、真空パッケージアセンブリと、前記真空パッケージセンブリに密封的に取り付けられることにより真空チャンバを画定し、光電子放出面を含む底面を有する光電陰極と、前記真空チャンバの内部に配置され、前記光電子放出面に向かうように配向される電子感応面を含む前面を有する陽極と、前記真空パッケージアセンブリに部分的に取り付けられ、前記陽極の裏面に部分的に取り付けられる弾性バネアセンブリと、を含むイメージインテンシファイアを備える。前記バネアセンブリは、前記パッケージアセンブリに取り付けられる第１のセットのボンドパッドと、前記陽極の前記裏面に取り付けられる第２のセットのボンドパッドとを有する単一のバネプレートを含んでもよい。前記第１のセットのボンドパッドのパッドは、前記第２のセットのボンドパッドのパッドと空間的にずらされ得る。
【００１７】
さらなる態様によれば、前記弾性バネアセンブリは、可鍛性の接合剤によって、前記真空パッケージアセンブリに部分的に取り付けられ、陽極の裏面に部分的に取り付けられ得る。前記バネアセンブリは、複数の個別のバネを含むことができ、各バネが、一端で前記真空パッケージアセンブリにおける接合パッドに取り付けられ、反対端で前記陽極における接合パッドに取り付けられる。
【００１８】
前記バネアセンブリは、前記前面に平行な方向に前記陽極が横方向に移動するのを防止するように構成することができる。また、前記バネアセンブリは、前記陽極の前記電子感応面を前記光電陰極の前記光電子放出面と位置合わせして維持するように構成され得る。
【００１９】
前記イメージインテンシファイアは、前記光電陰極と前記陽極の前記前面との間に設けられるスペーサアセンブリをさらに含むことができる。前記スペーサアセンブリは、前記陽極の前記前面に取り付けられ得る。前記スペーサアセンブリは、それぞれが前記陽極の前記前面に取り付けられる複数のスペーサを含むことができる。好ましくは、前記スペーサアセンブリは、前記陽極の前記電子感応面とマッチするように、切り出されるサイズを有する単一のスペーサを含むことができる。前記単一のスペーサは、前記陽極の前記前面に取り付けられ得、絶縁材料からなってもよい。前記スペーサアセンブリは、前記光電子放出面と前記電子感応面との間の所定の分離を維持するために前記底面に接触するように構成され得る。
【００２０】
さらなる態様によれば、真空パッケージアセンブリと、前記真空パッケージセンブリに密封的に取り付けられることにより真空チャンバを画定し、光電子放出面を含む底面を有する光電陰極と、前記真空チャンバの内部に柔軟に配置され、前記光電子放出面に向かうように配向される電子感応面を含む前面を有する陽極と、前記光電子放出面と前記電子感応面との間の所定の分離を維持するために、前記陽極の前面に取り付けられ、前記光電陰極の底面に接触するスペーサアセンブリと、を含むイメージインテンシファイアを提供する。
【００２１】
前記スペーサアセンブリは、それぞれが前記陽極の前記前面に取り付けられる複数のスペーサを含むことができる。前記スペーサアセンブリは、前記陽極の前記電子感応面とマッチするように、切り出されるサイズを有する単一のスペーサを含むこともできる。前記スペーサアセンブリは、絶縁材料を含んでもよい。
前記イメージインテンシファイアは、前記真空パッケージアセンブリに部分的に取り付けられ、前記陽極の裏面に部分的に取り付けられる弾性バネアセンブリを含んでもよい。前記バネアセンブリは、前記パッケージアセンブリに取り付けられる第１のセットのボンドパッドと、前記陽極の前記裏面に取り付けられる第２のセットのボンドパッドとを有する単一のバネプレートを含んでもよい。
【００２２】
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、明細書とともに本発明の原理を説明し図示する役割を担う。図面は、例示的な実施形態の主要な構成要素を図式で示すことを意図したものである。図面は、実際の実施形態のすべての構成要素や図示された要素の相対的な寸法を描くことを意図せず、正確な縮尺で描かれない。
【００２３】
本発明は、詳細な説明が添付する一組の図面を参照する時に最もよく理解される。図面は、次の図を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態によるイメージインテンシファイアの断面図を示す。
【図２】図２は、半導体陽極アセンブリを支持して用いられる時に設計されたコンプライアンスを容易にするのに適している例示的なバネを示す。
【図３】図３は、図２の例示的なバネに対する模擬的な力対コンプライアンス応答を示す。
【図４】図４は、本発明の適応において経験された力と同様の力が負荷される時の図２の例示的なバネの非常に強調された模擬的な偏向を示す。図面に示すベースは、単にシミュレーションの一部であり、本発明を表すものではない。この図は、リーダがバネの機能を見ることができるように助けるために含まれる。
【図５】図５は、陽極アセンブリの外側コーナーにろう付けまたははんだ付けされる例示的な絶縁スペーサを示す。
【図６】図６は、複合真空パッケージと陽極アセンブリを示す。この図は、光電陰極によって一般的にカバーされる方向から示される。この図は、４つの絶縁スペーサを使用する例示的な実施形態を示す。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態にいて使用するのに適した複合真空パッケージおよび陽極アセンブリを示す。この図は、光電陰極によって一般的にカバーされる方向から示される。この図は、単一の絶縁スペーサを使用する例示的な実施形態を示す。
【図８】図８は、光電陰極アセンブリの断面図を示す。
【図９】図９は、好ましい複数バネアプローチを用いて陽極アセンブリに連結される真空パッケージアセンブリの一部のクローズアップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の例示的な実施形態を援用するＥＢＡＰＳイメージインテンシファイアの断面図を示す。真空パッケージアセンブリ（１１０）は、通常、従来の手段を介して製造された密閉型の多層高温共焼成セラミックパッケージに基づくものである。図１に示すように、セラミックパッケージは、米国特許第６，８３７，７６６号の特許請求の範囲によって保護されているセラミック設計を採用している。米国特許第６，８３７，７６６  Ｂ２号に詳述されるように、真空パッケージの非単調に変化する内部セラミック側壁は、壁の高電圧スタンドオフ電位を増加させるため、センサ歩留まりを向上させる。米国特許第６，８３７，７６６  Ｂ２号が参考として援用される。真空パッケージアセンブリ（１１０）は、真空外囲器を完成させるために、シール材料（１５０）によって光電陰極アセンブリ（１２０）に封止される。真空外囲器は陽極アセンブリ（１３０）を囲む。光電陰極アセンブリの光電子放出部分は、陽極アセンブリの電子感応部分（１３２）に面するアセンブリの裏面（１２２）に位置する。光電陰極の光電子放出部分（１２２）は、一般的に平面である。光は、光電子放出面（１２２）と実質的に垂直な光軸（１０）の周りの光電陰極アセンブリ（１２０）を通ってセンサに入る。検出された光は、光電子放出面（１２２）で吸収されて、光電子放出の可能性が大きくなることをもたらす。光子吸収および光電子放出は、一般的に、例示的な実施形態で用いられるＧａＡｓ光電陰極に対して数ミクロン以内に空間的に相関する。ＧａＡｓ光電陰極の基本的な物理は、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｅ  Ｓｐｉｃｅｒによる、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １２，１１５−１３０（１９７７）  Ｎｅｇａｔｉｖｅ  ａｆｆｉｎｉｔｙ  ３−５  ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅｓ：  Ｔｈｅｉｒ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」という刊行物に記載されている。陽極アセンブリの電子感応面は、米国特許第８，６９８，９２５号明細書に詳述されるように、必要に応じて視準器で覆われ得る。この対向配置される光電陰極および陽極アセンブリは、一般的に、近接焦点式イメージインテンシファイアである。米国特許第６，９９８，６３５  Ｂ２号において、Ｓｉｌｌｍｏｎにより、新型フィルタ構造を用いるＧａＡｓ／/ＡｌＧａＡｓ光電陰極アセンブリについて詳細に説明する。本発明の好ましい実施形態は、Ｓｉｌｌｍｏｎによって説明されたものと同様のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ光電陰極アセンブリを援用している。フィルタ構造は、特定のシステムレベルアプリケーションに利点を追加することができるが、本発明にとって重要ではないと理解されるべきである。米国特許第６，９９８，６３５号は、適切な光電陰極アセンブリの背景の参考として援用される。本明細書の教示に違反せず、他の光電陰極アセンブリのタイプおよび変形が援用され得る。具体的に、光電陰極アセンブリは、米国特許第５，０４７，８２１号に記載されているものと同様の電子遷移光電陰極を援用することができる。また、特許出願ＷＯ２０１４０５６５５０に記載されるような半透明アルカリ光電陰極が本発明の教示に適用可能である。シール材料（１５０）は、Ｋｅｎｎｅｄｙによって説明される米国特許第４，１７８��５２８号に記載されているようなインジウムまたはインジウムの合金であってもよい。ろう付けシール（ｂｒａｚｅ  ｓｅａｌｓ）、はんだシール（ｓｏｌｄｅｒ  ｓｅａｌｓ）または他の直接金属対金属シール（ｄｉｒｅｃｔ  ｍｅｔａｌ  ｔｏ  ｍｅｔａｌ  ｓｅａｌｓ）を含む他のシール方法も、本明細書の教示に違反せずに用いられ得る。図１の断面図に示すように、陽極アセンブリ（１３０）は、陽極アセンブリが真空パッケージの内部空洞に押し込まれる時、制御コンプライアンス対力応答を容易にするために、１つまたは複数のバネ（１６０）を介して真空パッケージアセンブリによって物理的に支持されて連結される。これにより、陽極をパッケージに柔軟に取り付けることを提供する。この例示的な実施形態において、バネは、陽極アセンブリ（１３０）および真空パッケージアセンブリ（１１０）の両方にろう付けまたははんだ付けされる。ろう付けまたははんだ材料（１７０）は、超高真空（ＵＨＶ）ダイアタッチの当業者によく知られている幅広い種類の材料から選択することができる。ろう付け／はんだ付け材料（１７０）に適切する材料は、インジウム、インジウム合金、および、チタンまたは他の反応性金属を含有する「活性」ろう付け材料を含む幅広い種類の市販の金属合金を備える。活性ろう付け材料の使用により、パッケージングされる金属化パッドまたは陽極アセンブリの裏面における金属化パッドを不要にすることができる。ろう付け材料（１７０）の物理的高さは、光電陰極アセンブリからパッケージアセンブリへの真空シールが生成される時、バネ（１６０）がパッケージに接触せずに十分な距離を偏向することができるように設計されるか、またはバネ（１６０）が陽極アセンブリの裏面に交互に接触するように設計される。図１にも示すように、例示的な実施形態において、バネ（１６０）と陽極アセンブリ（１３０）との間の取り付け点は、バネ（１６０）と真空パッケージアセンブリ（１１０）との間の取り付け点と空間的にずらされる。この構成は基本的に改良された板バネである。例示的な実施形態において、好ましいろう付けまたははんだ材料（１７０）は、可鍛性の接合剤によってわずかに可鍛性となる。この可鍛性は、材料間の接触領域の端部におけるバネ（１６０）のピーク応力を制限する。インジウムは、好ましいろう付け／はんだ材料（１７０）である。ワイヤボンド（１８０）、ろう付け/はんだ（１７０）及びバネ（１６０）または両方の経路のいずれかを介して、陽極アセンブリから真空パッケージの内面へ電気的に接続する。信号および電力接続をサポートするように、陽極アセンブリに複数の絶縁される電気経路を提供するために、複数の電気的に絶縁されるバネは陽極アセンブリの下に配列される。同様に、絶縁バネ基板における金属化トレースは、電気的再分配層（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）としてバネを使用するためにビアと共に使用され得る。しかし、ワイヤボンドは、一般的に、高性能ＣＭＯＳベースの陽極アセンブリに共通する高いリード数に対処するために、費用効果が最も高く信頼性のあるアプローチを提供する。図１も、接合材料（１９０）を介して陽極アセンブリに取り付けられる絶縁スペーサ（１４０）を示す。スペーサ（１４０）を絶縁するために用いられ得る材料は、ガラス、石英、サファイア、アルミナ、ムライト、ＳｉＮｘ、ＡｌＮｘ、AｌNxOyおよび、幅広い種類の他の鉱物ならびにセラミックを含むがこれらに限定されない。接合材料（１９０）は、同様に、Ｉｎ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＣｕ、ＩｎＰｂ、ＳｎＰｂ、ＩｎＰｂＡｇ、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ、ＡｌＧｅ、前述の材料の組み合わせを含むろう付けまたははんだとすることができ、または幅広い種類の他の市販の結合材料とすることができる。図１に示すように、陽極アセンブリの絶縁スペーサ１４０と光電陰極アセンブリ１２０との間の接触は、真空シールプロセスの間にバネ１６０の偏向によって生じる力に起因する。
【００２６】
図８は、図１に見えない追加の特徴を示す光電陰極アセンブリ（１２０）の断面図である。入射光は、光電陰極アセンブリ（１２０）を通って進み、光電陰極アセンブリの表面上の領域（１２２として示される）における光放射材料によって少なくとも部分的に吸収される。図８に示す例示的な実施形態において、露光された光電子放出面は、Ｐ型ＧａＡｓからなる。本発明の教示に違反せず、複数の他の光電子放出面を用いることができる。図８における１２４は、光電子放出面に対して名目上同一平面上にある接触領域を示す。図８における１２６は、１２４と組み合わされた表面１２２と、組み合わされた表面１２８および１２９からなる真空シール表面とからなるプラトーを分離するトラフをコーティングする導電性表面を示す。図８における１２８で示される領域は、導電層によりコーティングされている。セクション１２９は、セクション１２８と名目上同一平面であるが、導電層によりコーティングされていない。セクション１２９は露出したガラス表面（ｂａｒｅ  ｇｌａｓｓ  ｓｕｒｆａｃｅ）であってもよい。図８に示す例示的な実施形態において、コーニングコード７０５６ガラスが適切な材料であることが実証されている。図８における１２４、１２６および１２８によって示される表面にわたる導電層は、連続層である。この層は、一般的に金属である。多くの金属は許容可能な接触層を提供することができる。可能な候補金属は、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃ、Ｓｉよび前述の材料の合金を含むがこれらに限定されない。この層は、光電子放出面１２２から放出された光電子を補充するように十分な導電性を有さなければならない。一般的な接触層の厚さは０．０５〜２ミクロン程度である。これにより、光電子放出面１２２は、接触層１２４と基本的に同一平面上にある。スペーサ１４０は、不利な結果なしに、光電子放出面１２２、接触層１２４、または両方の領域の組み合わせを覆うことができることと理解されるべきである。
【００２７】
図２は、陽極アセンブリを支持するように用いられる適切なバネ（１６０）の例示的な実施形態を示す。バネは、セラミックス、シリコン、酸化シリコン、ガラス、金属化ガラス、窒化シリコン、ニッケル、コバルトを含む種々の材料、スチール、コバール、ベリリウム銅、Ｎｉ−ＣｏおよびＦｅ−Ｃｏのような金属合金を含む種々の材料から製造することができる。以上のリストで特に言及されていない材料の選択は、本開示の教示に違反せず、好ましい機械的および熱的特性に基づいて行われ得る。バネの製造方法は、エッチング、機械加工、レーザ切断、電鋳、および付加的な３Ｄ印刷を含むことができる。圧縮されない場合、バネは平坦になる必要がない。実際的に、無負荷状態で形成されるバネは、真空パッケージアセンブリと陽極アセンブリとの間の容積をとても効率的に使用するように設計することができる。繰り返し可能なろう付けまたははんだプロファイルを達成するために、所定のろう付け／はんだパッドが好ましい実施形態において用いられる。図２の露光される表面上に見えるろう付けパッド（１６２）は、斜線の丸によって示されている。図２の隠れた面に存在するろう付けパッドの投影は、白丸（１６４）で示されている。バネのレイアウトおよび厚さは、選択された材料の機械的特性に基づくものである。例示的なレイアウトは、５０ミクロンの厚さの電鋳コバルトニッケル合金を用いる。図２に示すバネ設計のコンピュータモデリングは、陽極アセンブリに使用されるＣＭＯＳデバイスの電力損失に対して十分な熱伝導率を示すことを実証した。また、コンピュータモデリングは、選択される設計が、材料の限界を超えるピーク応力を経験せず、図３に示すコンプライアンス性能を達成することを示す。センサが環境の衝撃および振動にさらされる時、真空パッケージアセンブリ（１１０）および光電陰極アセンブリ（１２０）の両方に対する陽極アセンブリ（１３０）の動きを最小にすることが、センサ設計の目標である。陽極アセンブリに対する総有効「ばね上質量（ｓｐｒｕｎｇ  ｍａｓｓ）」が計算され、センサの予想されるピーク加速環境暴露によって生成された力と比較される。センサが光軸（１０）に平行に加速されると、質量と加速度とのベクトル積は、バネ（１６０）によって加えられ、陽極アセンブリ（１３０）を通してスペーサ（１４０）に伝達される力を合計する。センサの加速に関連する力がバネ（１６０）によって加えられる力を完全に補償する場合、陽極アセンブリ（１３０）とセンサのバランスとの間に動きが生じ得る。この解析は、安全性のエンジニアリングマージンを含み、バネから要求される最小限の力を特定するために用いられた。この例示的な実施形態のために選択された最大の力は、光電陰極アセンブリを真空パッケージアセンブリに押し付ける海面大気圧力に等しくなるように選択された。これは、ある程度任意の上限力ですが、控えめな制限として選ばれた。力および偏向の両方の目標が確立されて、図３に示す偏向対力プロファイルが得られるまで、バネのレイアウトの幾何形状および厚さが繰り返される。光軸（１０）に垂直な軸上の加速度の影響下で、陽極アセンブリ（１３０）と真空センサのバランスとの間の動きの最小化は、複数の手���によって保証される。最初に、バネ（１６０）の設計は、光軸に垂直な平面における偏向に対して非常に強い。図２に示す例示的なバネは、モデル化され、光軸に垂直な最大の予想加速度に対して１ミクロン未満の偏向が予測された。また、バネ（１６０）によって生成された力は、光電陰極アセンブリ（１２０）の裏面とスペーサ（１４０）の表面との間に圧縮荷重（負荷）をもたらす。スペーサ（１４０）と光電陰極アセンブリ（１２０）表面との間の摩擦係数は、２つの表面間の剪断に抵抗する。この構成は、可視の劣化なしに必要な衝撃および振動の環境暴露にパスすることが示される。一方、記載された実施形態は、高加速環境における、陽極アセンブリ（１３０）とセンサのバランスとの間の動きに対して高い耐性があり、温度サイクルおよびミスマッチした熱膨張係数に関連する部品の相対的な動きに対応する。
【００２８】
図４は、非常に強調された偏向を有するテストスタンドにおけるバネ（１６０）のモデル化された偏向のスケッチを示し、これは、例示的な実施形態におけるバネの機能の方法を説明するためのガイドとして意味する。一方、この幾何形状は、例示的な発明の熱的および機械的要求を満たし、当業者に、本開示の教示に違反せず、複数の代替え可能なバネ設計が作成され得ることは明らかである。
【００２９】
図５は、陽極アセンブリ１３０の角に配置される絶縁スペーサ１４０のクローズアップ図を示す。この図において、光電陰極アセンブリは存在しないので、陽極アセンブリの詳細をよりよく見ることができる。陽極アセンブリの電子感応撮像領域の投影は、１３２として表示された表面によって示される。絶縁スペーサ１４０は、領域１３２と重ならないように寸法決めて配置される。この例示的な実施形態において、陽極アセンブリは、符号１３４で示されるコリメータを含む。図５で見ることができないが、絶縁スペーサ１４０は、図１に示すように、コリメータにはんだ付けまたはろう付けされる。コリメータは、米国特許第７，４７９，６８６号に記載されているように、背面薄型ＣＭＯＳセンサのシリコンからモノリシックに形成されるか、または米国特許第７，４７９，６８６号若しくは第８，６９８，９２５号に記載されるように陽極表面に接合される。ワイヤボンドパッドは、図５に示され、１３６として表示される。陽極アセンブリパッド１３６を真空パッケージアセンブリの内部表面上のワイヤボンドパッド（図６の１３８）に電気的に接続するボンドワイヤ（１８０）は、一般的に、ボンドパッド（１３６）の表面上に非常に低い立ち上がり（ｌｏｗ  ｒｉｓｅ）を有するように配線される。これにより、ボンドウェア上の電場強度を最小化することにより、光電陰極アセンブリ（図１の１２０）の裏面上の粒子またはシャープな形状からの電界放出がセンサを損傷する可能性を最小化する。実際に、ボンドワイヤの高さは、一般的に絶縁スペーサ１４０の底面の高さより低い。
【００３０】
図６は、陽極アセンブリと組み合わされた真空パッケージアセンブリの透視図を示す。この例示的実施形態において、四つの絶縁スペーサ１４０が用いられる。図面に示すように、スペーサの配置は対称的である必要はない。しかし、光電陰極から真空パッケージアセンブリへの連結プロセスが完了すると、コンプライアント陽極アセンブリが光電陰極アセンブリからインデックスし、平面光電陰極アセンブリ表面に対して平らにするように、バネによって生成された力を設計しなければならない。絶縁スペーサ１４０を下部の陽極アセンブリ１３０に連結するために、幅広い種類のろう付けまたははんだ材料を接合材料１９０として用いることができる。一般的なＣＭＯＳ陽極アセンブリに関連する限られたサーマルバジェットにより、この場所では、蒸気圧が低く、低融点のろう付けまたははんだ合金が好ましい。絶縁スペーサの幾何学的形状、材料、予想される熱処理およびスペーサの数の選択は、接合材料１９０の選択に影響を及ぼすことができる。一般的に、光電陰極アセンブリ（１２０）の平面に対して陽極アセンブリの相対平面を確実に特定するために、最少３つのスペーサ（１４０）または単一のスペーサに対する３つの取り付け配置の結合材料（１９０）を必要とする。接合材料１９０に、一般的に、インジウムおよびあるインジウム合金のような可鍛性のろう付け材料を用いることは、結合材料（１９０）の変形を介して光電陰極アセンブリ（１２０）から真空パッケージアセンブリ（１１０）への連結プロセスの間に、スペーサ（１４０）と光電陰極アセンブリ表面（１２２または１２４）との間の平坦性の適度な欠如に対応することができるという実用上の利点を持つ。
【００３１】
ボンドワイヤ１８０とスペーサ１４０との相対間隔は、スペーサが干渉なしでボンドワイヤにわたって配置されることを可能にする。本発明の別の実施形態において、図６に示す４つの絶縁スペーサ構成は、図７の単一絶縁スペーサによって置き換えられる。図７のスペーサは、陽極の電子感応面のサイズにマッチする切り欠きを有する単一のパッドとして作られる。図７に示すように、スペーサはボンドワイヤと重なることができる。材料、熱膨張係数および予期される加速荷重を慎重に考慮する時、幅広い種類のスペーサ構成および幾何形状を実施できることは、当業者には明らかである。
【００３２】
図９は、本発明で使用するのに適した複合真空パッケージアセンブリ及び陽極アセンブリの別の実施形態を示す。図９に示す例示的な実施形態において、前に示された好ましい実施形態に対するいくつかの可能な変更が示されている。最初に、図１、２および４に示されたモノリシックコンプライアントバネ１６０が、複数のバネ要素１６１に置き換えられている。また、ボンドワイヤ１８０は、個別の電気的に独立したバネ要素によって機能的に置き換えられている。図９において、バネ要素１６１は、真空パッケージボンドパッド１３８に取り付けられる。バネ要素は、さらに、陽極アセンブリ１３０の裏に存在するボンドパッドに接触して取り付けられる。バネは、熱圧着、はんだおよびろう付けを含むがこれらに限定されない様々な手段によってパッドに取り付けられ得る。陽極アセンブリの裏におけるボンドパッドは、本開示における教示の範囲に影響を与えずに、当業者に知られているいくつかの方法によって生成することができる。裏側ボンドパッドを生成するための可能な方法は、米国特許第７，６０７，５６０Ｂ２号明細書に記載されているように、シリコン貫通ビアおよびラップアラウンドメタライゼーションの使用を含む。
【００３３】
本明細書に記載される処理及び技術について、特定の装置には本質的に関連していないこと、そして構成部のあらゆる適切な組合せによって適用され得ることが理解されるべきである。さらに、本明細書に記載の教示に従って、様々なタイプの汎用デバイスが用いられ得る。また、本明細書に記載の方法を行なうために、特別な装置を構成することは有益である。
【００３４】
本発明は、あらゆる点で限定的というより例示的であることが意図される特定の実施例について記載されている。当業者は、ハードウェア、ソフトウエア、及びファームウエアの多くの種々の組合せが、本発明の実施に適するであろうことを理解する。さらに、本明細書及び本明細書に開示の実施形態を考慮することから、本発明の他の適用は当業者には明らかである。本明細書と実施例とは、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の本来の範囲や趣旨と共に、例示としてのみ考慮されるということが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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