УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРКИ МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области рентгенографии, в частности к полупроводниковым фотоприемникам, на основе которых строятся рентгенографические детекторы. Смежной областью техники является микрофотоэлектроника, в частности высокочувствительные камеры для астрономических телескопов систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
На современном рынке фотоприемников для построения цифровых рентгеновских детекторов, в том числе в маммографии, существует потребность в так называемых «плоскопанельных» детекторах видимого изображения, содержащих плоские панели, которые представляют собой полноформатный пространственный (матричный) сенсор изображения с масштабом преобразования 1:1, способный к регистрации конвертированного рентгеновского изображения («тень» в рентгеновских лучах) исследуемого объекта, например: Orich1500R, Orich Medical Equipment (Tianjin) Co., Ltd.; Nanospectr Dextor, ООО «Наноспектр»; PaxScan 2520D, Varian Medical Systems, Inc..
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна фотоприемная матрица большого размера, содержащая матричные фотоприемники (SU 1519470, H01L 27/14, 12.05.1987). Указанное устройство не позволяет получить общую фокальную плоскость для нескольких фотоприемников, в частности, оставив чувствительную поверхность фотоприемников свободной от каких-либо дополнительных деталей (в данном случае прозрачной подложки).
Другим примером сборки фотоприемников в единую матрицу является технология, предложенная Carnegie Institution for Science и описанная в печатной публикации международного сообщества оптики и фотоники (Proc. SPIE 4841-81). В данном труде описывается сборка фотоприемной матрицы в фокальной плоскости астрономического телескопа. Технология подразумевает отдельную калибровку установочных площадок каждого фотоприемника и окончательную сборку с контролем высокоточного профилометра на базе конфокальной лазерной камеры (Keyence LT-8110) и микрометрического координатного стола (NEAT XY8080). Недостатком такого решения являются высокая трудоемкость, а также большие временные и технологические затраты на одну сборку. Соответственно, данная технология с трудом адаптируема к условиям массового производства.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для совмещения нескольких фотоприемников с образованием их общей фокальной плоскости, устранения неплоскостности отдельных детекторов и всей сборки в целом, описанное в опубликованной международной заявке (WO 2012145038, H01L 23/48, 17.04.2012).
Указанное устройство обеспечивает отсутствие дополнительных деталей на чувствительной поверхности фотоприемников, но не позволяет производить выравнивание непосредственно чувствительной поверхности фотоприемников, поскольку фотоприемники выравниваются через тыловую поверхность при закреплении на подложку во время сборки, а также не позволяет выравнивать уже собранные фотоприемники, каждый из которых имеет свою собственную подложку.
Задачей, которую решает полезная модель, является улучшение функционально-эксплуатационных характеристик устройства для сборки матричного фотоприемника путем:
- улучшения процесса юстировки большеразмерной матрицы фотоприемников, чувствительные стороны которых должны лежать в одной геометрической плоскости, совпадающей с фокальной плоскостью системы, которая формирует изображение, подлежащее регистрации. Из фотоприемников составляется сборная матрица фоточувствительной системы, с фокальной плоскостью, выровненной по высоте, в частности, на эталонной плоскости, путем установки фотоприемников на эталонную опорную плиту чувствительной стороной и дополнительным вакуумным прижатием к эталонной опорной плите для получения общей для всех фотоприемников, входящих в состав матрицы, фокальной плоскости, на которой формируется изображение;
- более точного горизонтального совмещения фотоприемников между собой, необходимого для минимизации расстояния между крайними чувствительными пикселами соседних фотоприемников. В частности, это позволяет снизить зоны изображения, которые не могут быть зафиксированы фотоприемниками и упростить процедуру выравнивания изображений, получаемых с нескольких фотоприемников, в одно общее изображение, для чего устройство имеет линейные микроперемещатели на базе шаговых электродвигателей. Данное совмещение должно контролироваться, по возможности, более точно с учетом обязательного наличия конечного зазора между фотоприемниками, который является буферной зоной, препятствующей их соприкосновению в процессе температурных расширений, имеющих место во время эксплуатационных процессов.
Отдельные фотоприемники матрицы имеют много геометрических погрешностей, которые накапливаются в процессе производства. К ним относятся различия по высоте фотоприемников, которые складываются из погрешностей изготовления подложки, нанесения клеевого слоя между подложкой и кремниевым чипом и погрешностей изготовления самого чипа. В горизонтальном направлении расположение кремниевого чипа относительно подложки также имеет значительные погрешности, которые складываются из погрешностей изготовления подложки, погрешностей позиционирования кремниевого чипа во время склеивания с подложкой, погрешностей отрезки чипа от заготовки в процессе его изготовления. Поэтому в предложенной полезной модели, чтобы устранить влияние описанных выше погрешностей на изготовленную большеразмерную сборную матрицу, все измерения, позиционирование и выравнивание плоскостей ведутся непосредственно от чувствительной поверхности кремниевых чипов фотоприемников. Предлагаемая полезная модель позволяет снизить затраты производителя на использовании дорогостоящих средств контроля поверхности.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается тем, что устройство для сборки матричного фотоприемника, содержащее эталонную опорную плиту с отверстиями, связанными с воздушными магистралями, и предназначенную для установки, по меньшей мере, двух фотоприемников и совмещения их в единую фоточувствительную матрицу, выполнено с возможностью установки фотоприемников чувствительной поверхностью на эталонную опорную плиту. Устройство снабжено съемными плитами, устанавливаемыми на тыловой поверхности каждого фотоприемника и общей плитой-носителем, фиксирующей фотоприемники на длительное время и устанавливаемой вместо съемных плит, причем Эталонная опорная плита выполнена из оптически прозрачного материала, а под эталонной плитой в зоне границ фотоприемников установлены видеомикроскопы для контроля процесса совмещения, при этом устройство снабжено микроперемещателями фотоприемников, установленными с возможностью взаимодействия с торцевыми сторонами фотоприемников.
Предпочтительно, торцевые кромки съемных плит снабжены магнитными отталкивателями, установленными с возможностью магнитного взаимодействия между соседними фотоприемниками в процессе горизонтального совмещения.
Предпочтительно, воздушные магистрали подключены к пневмовакуумному источнику для обеспечения возможности фиксации и воздушной поддержки фотоприемников.
Предпочтительно, отверстия в эталонной опорной плите сгруппированы по зонам с независимым подключением каждой из зон воздушными магистралями к пневмо-вакуумному источнику.
Предпочтительно, фотоприемник соединен с блоком считывания сигнала для осуществления контроля работоспособности упомянутого фотоприемника на всех технологических стадиях сборки.
Указанное выполнение устройства позволяет улучшить функционально-эксплуатационные характеристики путем расширения возможностей изготовления фокальной плоскости сборных матриц большого размера путем совмещения нескольких фотоприемников в одно изделие с общей фокальной плоскостью, и получения фокальной плоскости сборной матрицы фотоприемников, свободной от вспомогательных деталей, в том числе обеспечивающей непосредственное нанесение необходимых фильтров, сцинтилляторов и т.п. на фоточувствительную поверхность фотоприемников.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показана принципиальная схема (общий вид) устройства;
на фиг. 2 иллюстрируется схематическое изображение эталонной опорной плиты;
на фиг. 3 иллюстрируется один фотоприемник, установленный на эталонную опорную плиту;
на фиг. 4 иллюстрируется установка второго фотоприемника на эталонную опорную плиту;
на фиг. 5 иллюстрируются в аксонометрическом разрезе четыре позиционированных фотоприемника с установленной на них плитой-носителем;
на фиг. 6 и фиг. 7 иллюстрируется разрез двух фотоприемников состыкованных со ступенькой по вертикали;
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Как показано на фиг. 1, устройство для сборки матричного фотоприемника позволяет выравнивать фоточувствительные матрицы фотоприемников в одну общую фокальную плоскость. Устройство содержит эталонную опорную плиту 1, являющуюся оптически плоской опорной плитой, на которой расположены фотоприемники 2 во время сборки, в частности, четыре фотоприемника 2, состоящих из кремниевого чипа 3 и подложки 4. На фотоприемники 2 установлены съемные плиты 5 с магнитными отталкивателями 6. В эталонной опорной плите 1 образованы воздушные магистрали 7, осуществляющие подачу и откачку воздуха из области контакта фотоприемных матриц с эталонной оптической плитой. Показаны микроперемещатели 8 и видеомикроскопы 9, причем видеомикроскопы 9 располагаются в характерных зонах контроля позиционирования фотоприемников 2.
Как показано на фиг. 2, в эталонной опорной плите 1, образованы отверстия 10, соединенные с воздушными магистралями 7, сгруппированные по зонам 11 расположения фотоприемников 2, ограниченных условными границами 12. Показаны зоны контроля 13 видеомикроскопами 9 при позиционировании фотоприемников 2.
На фиг. 3 показан один фотоприемник 2, установленный на эталонную опорную плиту 1 и состоящий из кремниевого чипа 3 и подложки 4.
Как показано на фиг. 4, второй фотоприемник 2 устанавливается последовательно с уже установленной съемной плитой 5 с магнитными отталкивателями 6, на эталонную опорную плиту 1, где первый фотоприемник 2 уже установлен и зафиксирован вакуумом через воздушную магистраль 7. Обозначены микроперемещатели 8, видекамеры 9 и детализированное устройство фотоприемника 2, состоящего из кремниевого чипа 3 и подложки 4, показана подача избыточного давления в воздушные магистрали 7 зоны установки второго фотоприемника 2.
Как показано на фиг. 5, четыре позиционированных фотоприемника 2, зафиксированных вакуумом на эталонной опорной плите 1 и установленная сверху общая плита-носитель 14, которая содержит отверстия 15 для приклеивания фотоприемников.
На фиг. 6 показаны два фотоприемника 2 состыкованных со ступенькой по вертикали. Обозначена плоскость сфокусированного изображения 16 объекта 17, формируемого оптической системой 18 и сцинтилляционный экран 19.
Как показано на фиг. 7, два фотоприемника 2 состыкованы со ступенькой по вертикали (масштаб по вертикали для наглядности увеличен). Обозначен сцинтилляционный экран 19, неплотно прилегающий к поверхности фотоприемника 2 из-за дефекта стыковки. Показаны лучи рассеяния 20 между сцинтилляционным экраном 19 и кремниевым фотоприемником 2, направление которых может быть произвольным ввиду ламбертовского характера излучения экрана. Таким образом, изображение, сформированное в люминофоре переносится на фотоприемник с паразитным рассеянием.
Устройство работает следующим образом:
Для совмещения отдельных фотоприемников 2 в одну общую фокальную плоскость используется эталонная плита 1 с высоким уровнем плоскостности. Фотоприемники 2 устанавливаются манипулятором на данную плиту чувствительной стороной (кремниевым чипом 3). После установки первого фотоприемника 2 начинается процесс его точного позиционирования с помощью микроперемещателей 8. Микроперемещатели 8 двигают фотоприемник 2, толкая его в торцевые поверхности подложки 4. Процесс позиционирования контролируется в характерных зонах контроля 13 при помощи видеомикроскопов 9. Камеры 9 расположены под эталонной опорной плитой 1, сквозь эту плиту они отслеживают положение границы краевых пикселей кремниевого фотоприемника 2. Эталонная опорная плита 1 имеет воздушные магистрали 7, выходящие на поверхность отверстиями 10, сгруппированные по зонам 11 для каждого из фотоприемников 2. Воздушные зоны имеют независимые воздушные контуры, что обеспечивает независимость их работы. При достижении первым фотоприемником заранее определенного положения подается команда на остановку микроперемещателей 8 и подключение к вакуумной магистрали воздушного контура зоны с установленным фотоприемником 2, обеспечивая фиксацию фотоприемника на эталонной опорной плите 1 после позиционирования. Затем устанавливается соседний фотоприемник с необходимым зазором. Отверстия 10 соответствующей зоны 11 установки фотоприемников 2 используются так же и для подачи избыточного давления через воздушные магистрали 7 во время установки фотоприемника 2 на эталонную опорную плиту 1, что обеспечивает более мягкое укладывание фотоприемников 2 для исключения стрессовых механических воздействий на чувствительную поверхность фотоприемников. Затем давление в воздушных магистралях 7 снимается и микроперемещатели 8 начинают сближать вновь установленный фотоприемник с первым. Магнитные отталкиватели 6, установленные на съемной плите 5, которая крепится на подложках 4 фотоприемников 2 на время позиционирования, предназначены для отталкивания позиционируемого фотоприемника 2 от соседнего (ранее установленного) в случае чрезмерного их сближения. Видеомикроскопы 9 контролируют расстояние между границами краевых пикселей кремниевых чипов 3 соседних фотоприемников 2 при позиционировании второго и последующих фотоприемников и при достижении необходимого расстояния между границами пикселей подается команда на остановку микроперемещателей 8 и включение вакуумной откачки из воздушных магистралей 7 в зоне с только что установленным фотоприемником 2.
После совмещения всех фотоприемников 2 и получения единой фокальной плоскости 16, они остаются зафиксированными вакуумом в воздушных магистралях 7. Вакуум в воздушных магистралях 7, прижимая фотоприемники 2 к эталонной плите 1, дополнительно выравнивает их фоточувствительные поверхности 3 по поверхности эталонной опорной плиты 1 для получения единой фокальной плоскости 16. С подложек 4 фотоприемников 2 снимают съемные плиты 5 с магнитными отталкивателями 6. Общая плита-носитель 14 устанавливается на зафиксированные после позиционирования фотоприемники 2. Отверстия 15 в плите-носителе 14 необходимы для ее скрепления с зафиксированными фотоприемниками 2 клеем, что сохраняет полученную общую фокальную плоскость 16 фото приемников 2. Подача избыточного давления через воздушные магистрали 7 во все отверстия 10 зон расположения фотоприемников 11, после закрепления фотоприемников 2 на плите-носителе 14 позволяет безболезненно снять полученную большеразмерную сборную матрицу с эталонной опорной плиты 1, избежав проявления эффектов микровакуумного сцепления в тонких слоях, мешающих разделению совмещенных гладких поверхностей.
Предложенная конструкция устройства для сборки матричного фотоприемника с одной общей фокальной плоскостью позволяет получить промышленные рентгеновские детекторы изображения большой площади, в том числе, маммографические и рентгенографические приемники. Кроме того, предложенное устройство позволяет точно выровнять плоскости отдельных фотоприемников в общую фокальную плоскость и совместить их в горизонтальной плоскости, и тем самым повысить качество получаемых изображений. В частности позволяет значительно уменьшить эффект рассеяния лучей 20 падающих на чувствительную поверхность кремниевых чипов 3 от установленного сцинтилляционного экрана 19, благодаря чему увеличивается контрастность получаемого изображения.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящая полезная модель охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.