CN102468109B - 光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电倍增管(1)，具有：互相相对配置、各自的相对面(20a)、(40a)由绝缘材料构成的上侧框架(2)以及下侧框架(4)；与框架(2)、(4)一起构成框体的侧壁框架(3)；从下侧框架(4)的相对面(40a)上的一端侧朝向另一端侧依次隔开排列的多级的电子倍增部(33)；在一端侧与电子倍增部(33)隔开设置的、将来自外部的入射光转换为光电子的光电面；在另一端侧与电子倍增部(33)隔开设置的、将由电子倍增部(33)倍增的电子作为信号读取的阳极部(34)；以及壁状电极(32)，其从与相对面(401)正对的方向看被配置成包围光电面(41)，在与另一端侧的电子倍增部(33)相对的部位上形成切口部(35)，与光电面(41)电连接。

Description

光电倍增管

技术领域

本发明涉及检测来自外部的入射光的光电倍增管。

背景技术

历来，使用精细加工技术的小型的光电倍增管的开发一直在进行。例如，公知在构成框体的基板上配置有光电面、倍增极以及阳极的薄型的光电倍增管(参照下述专利文献1)。通过这样的结构，能够用两阶段的制造过程实现装置的精细加工。

专利文献1：美国专利第5,568,013号说明书

但是，在上述那样的现有的光电倍增管中，从光电面射出的光电子由于框体的电位有时其一部分不入射到电子倍增部而入射到构成框体的侧管或者基板等。这样当光电子散逸入射到电子倍增部以外时就成为检测灵敏度降低的原因。

发明内容

因此本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的是提供一种光电倍增管，其能够通过使从光电面射出的光电子高效地入射到电子倍增部从而提高检测灵敏度。

为解决上述课题，本发明的光电倍增管具有：互相相对配置、各自的相对面由绝缘材料构成的第一以及第二基板；与第一以及第二基板一起构成框体的侧壁部；从第一基板的相对面上的一端侧朝向另一端侧依次隔开排列的多级的电子倍增部；在一端侧与电子倍增部隔开设置的、将来自外部的入射光转换为光电子并射出光电子的光电面；在另一端侧与电子倍增部隔开设置的、将由电子倍增部倍增的电子作为信号读取的阳极部；以及壁状电极，其被配置成从与相对面正对的方向看包围光电面，在与另一端侧的电子倍增部相对的部位上形成有切口部，与上述光电面电连接。

通过这样的光电倍增管，入射光通过入射到光电面而被转换为光电子，该光电子通过入射到第一基板的相对面上的多级的电子倍增部而被倍增，被倍增后的电子作为电信号从阳极部读取。这里，光电面从正对基板的相对面的方向看，由与光电面电连接的壁状电极包围，在该壁状电极的另一端侧形成有切口部分，所以能够形成适合将来自光电面的光电子导向电子倍增部的电场，高效地将来自光电面的光电子导向电子倍增部，其结果，能够提高向光电面的入射光的检测灵敏度。

另外，优选为切口部在与电子倍增部的电子倍增通道的区域对应的部位形成。通过采用这样的结构，能够更有效地将光电子导向电子倍增部中的电子倍增区域，进一步提高入射光的检测灵敏度。

进而，优选为在切口部的内侧设置由用于将从光电面射出的光电子聚集并导向电子倍增部的聚焦电极。在这种情况下，能够更有效地将光电子导向电子倍增部，进一步提高入射光的检测灵敏度。

另外，优选为在壁状电极上设置有用于进行与光电面的电连接的连接部，进而优选为，具有跨越连接部的上表面以及相对面的一部分而设置的导电膜，连接部是厚度比壁状电极的包围光电面的板状部更薄的平板状，光电面在相对面上以及导电膜上设置。在这种情况下，能够可靠地电连接壁状电极与光电面。

另外，连接部的上表面的导电膜与在相对面的一部分上设置的导电膜，通过由导电材料构成的线部件电连接。在该种情况下，即使在连接部与光电面之间有高度差的情况下，也能够可靠地电连接壁状电极与光电面。

附图说明

图1是本发明的一个优选的实施方式的光电倍增管的立体图。

图2是图1的光电倍增管的分解立体图。

图3是图1的侧壁框架的平面图。

图4(a)是从背面侧看图1的上侧框架的底面图，(b)是图1的侧壁框架的平面图。

图5是表示图4的上侧框架与侧壁框架的连接状态的立体图。

图6是本发明的变形例的光电倍增管的分解立体图。

图7是本发明的别的变形例的光电倍增管的分解立体图。

图8是本发明的别的变形例的光电倍增管的分解立体图。

图9是本发明的别的变形例的光电倍增管的分解立体图。

图10是从图3的侧壁框架中去除了壁状电极的侧壁框架的平面图。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的光电倍增管的优选的实施方式。此外，在附图的说明中，给同一或者相当部分附以同一符号，省略重复的说明。

图1是本发明的一个优选的实施方式的光电倍增管1的立体图，图2是图1的光电倍增管1的分解立体图，图3是图1的侧壁框架3的平面图。

图1所示的光电倍增管1是具有透过型的光电面的光电倍增管，具有通过上侧框架(第二基板)2、侧壁框架(侧壁部)3、对于上侧框架2夹着侧壁框架3而相对的下侧框架(第一基板)4构成的框体。该光电倍增管1是如下所述的电子管，向光电面的光的入射的方向与电子倍增部内的电子的倍增方向交叉，即当光从图1的箭头A表示的方向入射时，从光电面射出的光电子向电子倍增部入射，在用箭头B表示的方向上级联放大二次电子，从阳极部读取信号。

此外，在以下的说明中，将沿电子倍增方向、电子倍增路径(电子倍增通道)的上游侧(光电面侧)作为“一端侧”，把下游侧(阳极部侧)作为“另一端侧”。接着详细说明光电倍增管1的各结构要素。

如图2所示，将以矩形平板状的绝缘性的陶瓷为主材料的配线基板20作为基材而构成上侧框架2。作为这样的配线基板，使用能够进行精细的配线设计、而且能够自由设计正反面的配线图案的LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同时烧结陶瓷)等的多层配线基板。在配线基板20中，在其主面20b上设置有多个导电端子201A～D，其与侧壁框架3、后述的光电面41、聚焦电极31、壁状电极32、电子倍增部33以及阳极部34电连接并且实行从外部的供电和信号读取。导电端子201A是作为侧壁框架3的供电用端子，导电端子201B是作为光电面41、聚焦电极31以及壁状电极32的供电用的端子，导电端子201C是作为电子倍增部33的供电用端子，导电端子201D是作为阳极部34的供电以及信号读取用的端子而被分别设置。这些导电端子201A～D与导电膜或者与导电端子(下文详细描述)互相连接，所述导电膜或者与导电端子在配线基板20的内部与主面20b相对的绝缘性相对面20a上，并且这些导电膜、导电端子与侧壁框架3、光电面41、聚焦电极31、壁状电极32、电子倍增部33、以及阳极部34相连接。另外，上侧框架2并不限于设置有导电端子201的多层配线基板，也可以是进行从外部的供电和信号读取的导电端子被贯通设置、由玻璃基板等的绝缘材料构成的板状部件。

侧壁框架3以矩形平板状的硅基板30作为基体而构成。从硅基板30的主面30a朝着与其相对的面30b形成有被框状侧壁部302围绕的贯通部301。该贯通部301其开口为矩形，并且以其外周沿着硅基板30的外周的方式形成。

在该贯通部301内从一端侧向另一端侧配置有壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33、以及阳极部34。这些壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33、以及阳极部34通过使用RIE(Reactive IonEtching)等方法加工硅基板30而形成，以硅作为主要材料。

壁状电极32从与后述的玻璃基板40的相对面40a进行正对的方向(与相对面40a的大致垂直方向，与用图1的箭头A表示的方向相反的方向)看是以围绕后述的光电面41的方式而形成的框状电极。另外，聚焦电极31是用于将从光电面41射出的光电子聚集并导向电子倍增部33的电极，被设置于光电面41与电子倍增部33之间。

电子倍增部33由沿从光电面41朝向阳极部34的电子倍增方向设定为不同的电位的N级(N是2以上的整数)的倍增极(电子倍增部)构成，具有跨越各级的多个电子倍增路径(电子倍增通道)。另外，阳极部34在与光电面41一起配置于夹着电子倍增部33的位置。

这些壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33、以及阳极部34分别通过阳极接合、扩散接合、进而使用低熔点金属(例如铟)等的密封材料的接合等而在下侧框架4上固定，由此在该下侧框架4上以二维方式配置。

下侧框架4以矩形平板状的玻璃基板40作为基材而构成。该玻璃基板40由作为绝缘材料的玻璃而形成与配线基板20的相对面20a相对的相对面40a。在相对面40a上，在作为与侧壁框架3的贯通部301相对的部位(与侧壁部302的接合区域以外的部位)的、与阳极部34侧相反侧的端部，形成作为透过型光电面的光电面41。另外，在相对面40a上的装载有电子倍增部33以及阳极部34的部位形成有用于防止倍增电子向相对面40a入射的矩形形状的凹陷部42。

参照图3，更详细地说明光电倍增管1的内部结构。贯通部301内的电子倍增部33由从相对面40a上的一端侧朝向另一端侧(朝向作为电子倍增方向的箭头B表示的方向)依次隔开排列的多级的倍增极而构成。这些多级的倍增极沿箭头B表示的方向具有多个并排的电子倍增通道C，这些电子倍增通道C由从一端侧的第一级的倍增极33a到另一端侧的最终级(第N级)的倍增极33b以连续方式设置的N个电子倍增孔而构成。

另外，光电面41在夹着聚焦电极31的相对面40a上的一端侧与一端侧的第一级的倍增极33a隔开设置。该光电面41在玻璃基板40的相对面40a上作为矩形形状的透过型光电面而形成。当从外部透过作为下侧框架4的玻璃基板40的入射光到达光电面41时，射出与该入射光对应的光电子，该光电子通过壁状电极32以及聚焦电极31被导向第一级的倍增极33a。

另外，阳极部34在相对面40a上的另一端侧，与另一端侧的最终级的倍增极33b隔开设置。该阳极部34是用于将在电子倍增部33的电子倍增通道C内在箭头B表示的方向上经倍增的电子作为电信号读取到外部的电极。

另外，壁状电极32是在贯通部301内从相对面40a朝向上侧框架2沿侧壁部302的内壁、由具有与侧壁部302相同的厚度且大致垂直延伸的多个板状部32a构成的矩形框状的电极，以包围相对面40a上的光电面41的形成区域的状态在相对面40a上竖立设置。在作为该壁状电极32的另一端侧壁部的与第一级的倍增极33a中的电子倍增通道C形成的区域相对的部位上，形成切割后的大致矩形的切口部35。另外，由以连结该切口部35的相对面40a上的两端部的方式设置的薄板状部件35a，以与上侧框架2侧大致垂直延伸方式而形成柱状的聚焦电极31。此外，在本实施方式中，壁状电极32和薄板状部件35a以及聚焦电极31一体形成，但是也可以各自分别形成。

接着参照图4以及图5说明光电倍增管1的配线结构。图4中，(a)是从反面20a侧看上侧框架2的底面图，(b)是侧壁框架3的平面图，图5是表示上侧框架2与侧壁框架3的连接状态的立体图。

如图4(a)所示，在上侧框架2的背面20a上，设置有与导电端子201B、201C、201D的各个在上侧框架2的内部电连接的多个导电膜202，以及与导电端子201A在上侧框架2的内部电连接的导电端子203。另外如图4(b)所示，在电子倍增部33以及阳极部34的端部上，分别竖立设置有与导电膜202连接用的供电部36、37，在壁状电极32的角部，竖立设置有与导电膜202连接用的供电部38。另外聚焦电极31通过与薄板状部件35a一起在下侧框架4侧与壁状电极32一体形成，从而与壁状电极32电连接。进而，在壁状电极32上，在下侧框架4的相对面40a侧一体形成厚度比壁状电极32的板状部32a薄的矩形平板状的连接部39。从该连接部39的上表面跨越至相对面40a的一部分以连续方式形成例如用铝等导电材料构成的导电膜39a。另外，因为在连接部39和相对面40a之间存在高度差，所以高度差部分处的连续性被中断，存在连接部39上的导电膜39a与相对面40a上的导电膜39a不能电连接的可能性。因此，通过用例如金(Au)等导电性材料组成的线(线部件)39b对于连接部39上的导电膜39a与相对面40a上的导电膜39a进行线搭接，使导电膜39a全体成为相同电位。另外，通过在导电膜39a以及线39b上也形成在用壁状电极32围起来的相对面40a上形成的光电面41，可靠地电连接壁状电极32与光电面41。此外，当在壁状电极32的内壁面即在板状部32a的光电面41侧的面上也形成光电面时，也作为反射型光电面而起作用。在这种情况下，在光电面不转换为电子，而对透过来的光进行光电转换，能够提高光的检测效率。

当接合上述结构的上侧框架2与侧壁框架3时，导电端子203与侧壁框架3的侧壁部302电连接。并且，电子倍增部33的供电部36、阳极部34的供电部37、以及壁状电极32的供电部38，分别通过由金(Au)等组成的导电部件与对应的导电膜202独立连接。通过这样的连接结构，侧壁部302、电子倍增部33、阳极部34分别可与导电端子201A、201C、201D电连接，并且壁状电极32、聚焦电极31以及光电面41一起与导电端子201B电连接(图5)。

根据以上说明的光电倍增管1，入射光通过透过下侧框架4并入射到光电面41而被转换为光电子，该光电子通过入射到下侧框架4的相对面40a上的多级的电子倍增部33而被倍增，倍增后的电子作为电信号从阳极部34读取。这里，因为光电面41从与相对面40a正对的方向看，通过壁状电极32被围起，在该壁状电极32的另一端侧形成切口部35，所以能够防止来自光电面41的光电子入射到侧壁框架3等的框体，有效地将该光电子导向电子倍增部33，其结果能够提高向光电面41的入射光的检测灵敏度。

这里参照图3以及图10具体说明本实施方式的效果。图10是从图3的侧壁框架3中去除壁状电极32的情况下的侧壁框架903的平面图。在使用侧壁框架903的情况下，伴随入射光从光电面41产生的光电子，大半朝向第一级的倍增极33a入射，但是一部分被导向侧壁部302的方向(图10的箭头E₁、E₂的方向)，恐怕会对检测信号没有贡献。这点在侧壁部302的电位不稳定的状态下更为显著。另外，在光电面41中，从越靠近侧壁部302的区域产生的电子，侧壁部302的影响越大。即在光电面41中，可以说难以受侧壁部302的影响的区域是实质的有效区域，所以光电面41的实质的有效面积变小。为应对这样的问题，可以考虑对于侧壁部302赋予与光电面41相同的电位，但是在这种情况下侧壁部302与电子倍增部33以及阳极部34之间的电位差变大，有发生耐电压不良的可能性。该问题特别在阳极部34中显著，继而即使在电子倍增部33中在后级侧中也十分显著。由于为防止这样的耐电压不良的发生需要确保充分的空间，结果使1个芯片所需要的材料面积增大，恐怕会引起成本上升。另外，在贯通部301内的另一端侧等，经倍增的二次电子对于绝缘体的冲击而发光的情况存在。该光如箭头E₃那样前进，当到达光电面41时，射出与入射光无关联的光电子，使在检出信号中产生噪声，恐怕会使SN比降低。

与此不同，在本实施方式中，从光电面41发生的光电子，由于设定为稳定的电位的壁状电极32的存在，能够与侧壁部302的电位无关地高效率地朝向第一级的倍增极33a(图3的箭头E₄的方向)入射。另外，即使在贯通部301内的另一端侧等处产生的光在朝向光电面41的方向(图3的箭头E₅的方向)上前进，通过壁状电极32的遮蔽能够防止向光电面41的入射。由此，即使自由地设定侧壁部302的电位也能够维持检测灵敏度，而且能够改善噪声特性从而提高SN比。例如，通过将侧壁部302设定为作为所期望的电位的地电位，能够提高光电倍增管1的电气的噪声特性。特别地，通过设定为地电位能够使噪声降低效果为最大，并且也能够减低人体触电的危险性。另外，可以说由壁状电极32包围的区域实质上是有效的光电面区域，所以从光电倍增管1的外观上看的情况下，能够容易地确定适当的光入射区域。

另外，因为光电面41与壁状电极32电连接从而设定为相同电位，所以不会发生来自光电面41的光电子入射到壁状电极32的情况，因为形成了适合向电子倍增部33引导的电场，所以检测灵敏度被进一步提高。

另外，壁状电极32的切口部35，因为在与电子倍增部33的电子倍增通道C的区域相对的部位形成，所以能够高效地倍增被引导到电子倍增部33的光电子，进一步提高入射光的检测灵敏度。

此外，本发明不限于上述的实施方式。例如，如图6表示的作为本发明的变形例的光电倍增管1A那样，也可以在上侧框架2A的背面(相对面50a)侧设置光电面41A。在这种情况下，作为上侧框架2A可以使用在玻璃基板等的具有透光性的绝缘基板中埋入供电端子的部件，作为下侧框架4A在玻璃基板外可以使用各种绝缘基板。另外，壁状电极32从正对上侧框架2A的相对面50a的方向(对于相对面50a的大致垂直方向)看，以包围光电面41A的方式配置。

另外，如图7表示的作为本发明的变形例的光电倍增管1B那样，作为光电面也可以使用反射型的光电面。例如，作为上侧框架2B使用具有透光性的绝缘基板，在侧壁框架3B的壁状电极32B的内侧，形成相对于相对面40a向另一端侧倾斜的倾斜面。而且，从该倾斜面到相对面40a形成光电面41B。作为这样的倾斜面的形状，只要是伴随透过上侧框架2B来的入射光从光电面41B产生的光电子朝向电子倍增部33那样的形状，平面或者曲面均可以。

进而，即使关于本实施方式的配线结构也可以采用各种变形方式。例如，如图8所示，也可以构成为贯通下侧框架4C形成导电端子401，通过该导电端子401对光电面41、壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33、以及阳极部34进行供电。通过这样的结构，能够对在上侧框架2内形成的导电膜202(图4(a))和各电极独立地进行供电。

另外如图9所示，也可以组合设置有导电端子401的下侧框架4C与除去了导电端子201A～201D的上侧框架2C。在该种情况下，作为上侧框架2C，使用在背面侧形成有多个导电膜202的绝缘基板。通过在这样的组合中使用参照图4说明的配线结构，能够从下侧框架4C的导电端子401通过壁状电极32、电子倍增部33、以及阳极部34向上侧框架2C的导电膜202进行供电。

另外在任何一种实施方式以及变形例中都不需要壁状电极32一定包围光电面41全体，只要包围能够将射出的光电子导向电子倍增部33那样的实质的有效区域，关于边缘部也可以以不包围的方式配置。

Claims (5)

1.一种光电倍增管，其特征在于，具有：

互相相对配置、且各自的相对面由绝缘材料构成的第一以及第二基板；

与第一以及第二基板一起构成框体的侧壁部；

从所述第一基板的所述相对面上的一端侧朝向另一端侧依次隔开排列的多级的电子倍增部；

在所述一端侧与所述电子倍增部隔开设置的、将来自外部的入射光转换为光电子并射出所述光电子的光电面；

在所述另一端侧与所述电子倍增部隔开设置的、将由所述电子倍增部倍增的电子作为信号读取的阳极部；以及

壁状电极，其被配置成从与所述相对面正对的方向看包围所述光电面的形成区域，在与所述另一端侧的所述电子倍增部相对的部位上形成有切口部，与所述光电面电连接，

在所述切口部的内侧，设置有用于将从所述光电面射出的所述光电子导向所述电子倍增部的聚焦电极。

2.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，

所述切口部在与所述电子倍增部的电子倍增通道的区域对应的部位形成。

3.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，

在所述壁状电极上设置有用于进行与所述光电面电连接的连接部。

4.根据权利要求3所述的光电倍增管，其特征在于，

还具有跨越所述连接部的上表面以及所述相对面的一部分而设置的导电膜，

所述连接部是厚度比所述壁状电极的包围所述光电面的板状部更薄的平板状，

所述光电面在所述相对面上以及所述导电膜上设置。

5.根据权利要求4所述的光电倍增管，其特征在于，

所述连接部的上表面的所述导电膜与在所述相对面的一部分上设置的所述导电膜，通过由导电材料构成的线部件电连接。