電(diàn)磁(cí)波紫外(wài)（UV）波(bō)段(duàn)在一般被分(fēn)為三(sān)個波段(duàn)：

• UVA（315至(zhì)400nm）

• UVB（280至315nm）

• UVC（100至280nm）

對(duì)應於barium-silex，barium silex- Pyrex和Pyrex濾光片(piàn)。這三種濾光(guāng)片都(dū)有廣(guǎng)泛的應用。

蝴蝶(dié)在紫外(左) 和可見(jiàn)波段下(xià)成(chéng)像。紫外成(chéng)像提(tí)供給(gěi)客(kè)戶(hù)新的視(shì)野，該方法在(zài)環(huán)境和(hé)工(gōng)業(yè)的一(yī)係列(liè)應用中廣(guǎng)泛使用(yòng)。

作為(wéi)光譜(pǔ)中較短和(hé)較(jiào)高能(néng)量的波段，不(bù)同紫外波段表現(xiàn)出(chū)不同(tóng)的(dí)特征，這些(xiē)特征(zhēng)可(kě)以在(zài)各個領(lǐng)域得到(dào)利(lì)用(yòng)（下(xià)方：圖(tú)1）。例(lì)如：

• UVA對(duì)熒(yíng)光成像(xiàng)很(hěn)有(yǒu)價值

• UVB光(guāng)可(kě)用於(yú)牛皮(pí)癬治療等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

• 高(gāo)能(néng)UVC波段通常用於消(xiāo)毒

▲圖1：按(àn)波(bō)長(cháng)對UV CMOS應用進(jìn)行(háng)圖形表示，並附(fù)有(yǒu)按不同(tóng)的(dí)UV光(guāng)譜波段(duàn)分(fēn)組的具體示例。

▌技(jì)術挑(tiāo)戰(zhàn)與(yǔ)CMOS的崛起 

相(xiāng)應地(dì)，紫(zǐ)外綫(xiàn)光(guāng)源(yuán)也已(yǐ)經在(zài)工業和研發(fā)領(lǐng)域得(dé)到(dào)了廣(guǎng)泛的應用(yòng)。現(xiàn)在(zài)，使用紫外(wài)敏(mǐn)感的傳感器(qì)來記錄(lù)隨(suí)時(shí)間(jiān)變(biàn)化的數(shù)據(jù)以供後(hòu)續分析(xī)的(dí)應用(yòng)前(qián)景越(yuè)來越(yuè)受(shòu)到(dào)人(rén)們的關(guān)注。

然(rán)而(ér)，大多數(shù)用於(yú)可見(jiàn)光(guāng)成(chéng)像(xiàng)的(dí)CMOS傳感器都(dū)是矽(guī)基的(dí)。這種材(cái)料在(zài)紫(zǐ)外範圍(wéi)內表(biǎo)現出(chū)較低(dī)的透(tòu)射(shè)率(shuài)。

為了(liǎo)優化(huà)透(tòu)射(shè)率，相(xiāng)機光路中的所有元件，包括集成到(dào)CMOS傳(chuán)感(gǎn)器中(zhōng)的微(wēi)透(tòu)鏡和保護窗，都(dū)必須(xū)經過(guò)精(jīng)心設計(jì)和紫(zǐ)外優(yōu)化處(chǔ)理（圖2 a，b）。

與(yǔ)可見(jiàn)光相比，較短的(dí)紫外(wài)波長(cháng)和(hé)較低的穿(chuān)透深度意味著光子不太容(róng)易(yì)被傳(chuán)感器(qì)內的光(guāng)電二極管吸(xī)收。此(cǐ)外(wài)，量子效(xiào)率(shuài)通常低於可見光。

▲圖(tú)2：背照式(shì)和前(qián)照(zhào)式(shì)UV CMOS圖像傳感器的(dí)設(shè)計架構（a，b）。一(yī)種氮(dàn)化镓(jiā)（GaN）基(jī)CMOS圖(tú)像(xiàng)傳感器及(jí)隔離(lí)材料(liào)層(céng)設計(jì)架(jià)構（c）

傳感器製造(zào)商正在研(yán)發(fā)能夠更廣(guǎng)泛地適應紫(zǐ)外成像的圖像(xiàng)傳感(gǎn)器來(lái)克服(fú)這一限(xiàn)製。在早(zǎo)期(qī)的應用中(zhōng)，CCD傳(chuán)感(gǎn)器因其更高(gāo)的靈(líng)敏度和更低(dī)的噪聲而廣受歡迎(yíng)。然(rán)而，CCD傳感(gǎn)器(qì)存(cún)在速度(dù)和(hé)必須要使(shǐ)用(yòng)機械(xiè)快門(mén)的(dí)局限性。

在(zài)過去(qù)的(dí)幾十年裏，CMOS技(jì)術突飛猛進。得益於光刻(kè)技(jì)術(shù)的進(jìn)步(bù)，這(zhè)些(xiē)技(jì)術(shù)進(jìn)步(bù)在傳(chuán)感器(qì)處(chǔ)理(lǐ)噪聲的能力方麵最(zuì)為明顯(xiǎn)。CMOS的圖像質(zhì)量(liáng)已(yǐ)經接近CCD傳感器的水平。除了圖(tú)像質(zhì)量(liáng)外(wài)，現(xiàn)在(zài)用於紫(zǐ)外探測的(dí)CMOS傳感(gǎn)器為(wéi)CCD傳(chuán)感器(qì)提(tí)供(gōng)了(liǎo)一(yī)種(zhǒng)有效的替代方(fāng)案(àn)，因(yīn)為(wéi)除了(liǎo)速度更快和不需(xū)要機(jī)械快門外，CMOS成本(běn)更(gēng)低，且功耗比(bǐ)CCD低(dī)約(yuē)100倍。

▌技(jì)術與材(cái)料(liào)的(dí)革(gé)新

要讓CMOS技(jì)術(shù)適應紫外範(fàn)圍(wéi)，研(yán)發人員(yuán)需(xū)要考慮紫(zǐ)外光(guāng)子的(dí)高能(néng)量(liáng)以(yǐ)及(jí)穿透深度較低這種特(tè)性(xìng)對傳感器設計的影(yǐng)響(xiǎng)。CMOS傳感器製造(zào)商(shāng)探(tàn)索(suǒ)了多種方(fāng)法來(lái)解決(jué)低(dī)穿(chuān)透深(shēn)度的(dí)問(wèn)題：

• 背(bèi)照式(shì)設計：使光(guāng)敏(mǐn)矩(jǔ)陣更(gēng)靠近(jìn)表(biǎo)麵(miàn)，實現更好(hǎo)的(dí)紫(zǐ)外光(guāng)收集。

• 薄(báo)化矽(guī)基(jī)底：增(zēng)強(qiáng)紫外(wài)光子收(shōu)集(jí)效率。

• 抗反射(shè)塗層：最大(dà)限度(dù)提高(gāo)光(guāng)子透射率。

• 先進算(suàn)法(fǎ)：如相關雙采樣，在像(xiàng)素級別上(shàng)減(jiǎn)去(qù)背景(jǐng)噪聲。

2011年，索尼(ní)發布(bù)了背照(zhào)式(shì)CMOS傳(chuán)感(gǎn)器(qì)，與(yǔ)前(qián)照(zhào)式傳(chuán)相(xiāng)比(bǐ)，背照(zhào)式CMOS傳感器(qì)的光(guāng)敏(mǐn)矩陣更靠(kào)近表麵。因此實(shí)現(xiàn)了(liǎo)更好(hǎo)的(dí)光收(shōu)集(jí)，包括更短的紫(zǐ)外(wài)波長（圖(tú)2a）。

隨(suí)著紫外應用(yòng)的興(xīng)起，各(gè)種具有(yǒu)大帶(dài)隙並(bìng)有(yǒu)高紫外(wài)透射(shè)的(dí)材料逐(zhú)步成為紫(zǐ)外成像(xiàng)和(hé)傳感器的好選擇。目(mù)前(qián)，各(gè)種材(cái)料(liào)製成的(dí)光(guāng)電探測(cè)器(qì)正(zhèng)在開發中。在這些材料(liào)中受(shòu)歡迎的是(shì)：

• 氮化物合金(jīn)：如(rú)镓(jiā)，鋁和銦鋁合金，它們具(jù)有較(jiào)大的帶(dài)隙(xì)；

• 氧化(huà)物材(cái)料(liào)：如氧(yǎng)化鋅(xīn)，對(duì)紫(zǐ)外光子有很(hěn)好的(dí)響應。但(dàn)在某些應用(yòng)中(zhōng)，客(kè)戶可能(néng)需要(yào)選擇(zé)特定(dìng)的(dí)紫(zǐ)外波段，例(lì)如(rú)，三元(yuán)鋅鍺(zhě)氧化(huà)物對(duì)UVC反(fǎn)應(yīng)良(liáng)好(hǎo)，但對(duì)UVA或UVB反應不佳；

• 高能(néng)粒子(zǐ)成像候(hòu)選者：基(jī)於金(jīn)剛石和(hé)碳化(huà)矽(guī)材(cái)料的(dí)傳感器，具(jù)有寬(kuān)帶隙(xì)和(hé)抗惡劣(liè)環(huán)境(jìng)的(dí)特點。由(yóu)於(yú)光(guāng)子能(néng)量較高(gāo)，在高(gāo)能(néng)粒子長(cháng)時間(jiān)輻射(shè)下(xià)工(gōng)作的(dí)CMOS傳感(gǎn)器可(kě)能會隨著(zhuó)時間的推移(yí)性能(néng)下(xià)降(jiàng)，或(huò)者在最壞的情(qíng)況(kuàng)下(xià)遭受不可(kě)逆的損壞。

盡管將CMOS技(jì)術與大(dà)帶隙材料(liào)相結合的多像(xiàng)素傳感器(qì)的製造仍然復雜且(qiě)昂(áng)貴，但是(shì)研究人員(yuán)仍(réng)未停(tíng)止SiC等(děng)材(cái)料(liào)用(yòng)於傳感(gǎn)器探索(suǒ)。

▌應(yīng)用簡介(jiè)：工業與研發(fā)

盡(jìn)管(guǎn)在(zài)許(xǔ)多(duō)情況下仍在改進，UV CMOS技(jì)術仍(réng)然擁有廣泛的應(yīng)用(yòng)。典型的應用如：

• 工業檢(jiǎn)測(cè)：檢測(cè)高壓(yā)電纜的(dí)電(diàn)暈放(fàng)電。

• 材料識(shí)別(bié)：識別(bié)不同類型(xíng)的(dí)塑料。

• 法醫(yī)科學(xué)：利用大多數體液強(qiáng)烈吸收紫(zǐ)外(wài)綫(xiàn)的特性(xìng)進行檢測。

工業(yè)製(zhì)造業(yè)對自(zì)動化係(xì)統的(dí)需求(qiú)越來(lái)越大，以處理(lǐ)高(gāo)通量帶來的重復(fù)和(hé)繁(fán)瑣的(dí)任務。紫外成像(xiàng)技(jì)術在(zài)提(tí)供詳(xiáng)細和快(kuài)速(sù)的成(chéng)像(xiàng)方(fāng)麵表現出(chū)色(sè)。

在半導體(tǐ)行業，識別晶(jīng)圓上的細微(wēi)裂紋，缺(quē)陷和灰塵汙染至(zhì)關(guān)重(zhòng)要(yào)。更(gēng)短的(dí)紫外(wài)波(bō)長相對(duì)可見光在細(xì)節和分辨率(shuài)上占有優勢(shì)，可與電(diàn)子(zǐ)顯微(wēi)鏡互(hù)補。

▌紫(zǐ)外(wài)更廣闊的(dí)應用(yòng)天地(dì) 

在(zài)工(gōng)業之外(wài)，UV CMOS技(jì)術同(tóng)樣大(dà)放(fàng)異彩。

• 農業(yè)：安裝在無人機上的UV CMOS傳感器(qì)可識別用於(yú)人(rén)工授(shòu)粉的果樹(shù)。

• 監控(kòng)：與紅(hóng)外成像一(yī)樣，可用(yòng)於檢(jiǎn)測危險(xiǎn)生(shēng)物製劑。

• 人工智(zhì)能：高速(sù)CMOS傳感器生成(chéng)的大量圖(tú)像(xiàng)可用(yòng)於訓練輔助(zhù)模(mó)型。

天體物理(lǐ)學中的潛力(lì)：

隨著UV CMOS技(jì)術的最(zuì)新進(jìn)展，天體物理(lǐ)學(xué)家正致(zhì)力於(yú)揭示有關(guān)高(gāo)能(néng)過程(chéng)的關(guān)鍵(jiàn)信息，如恒(héng)星形成(chéng)，熱源(yuán)和星際介(jiè)質(zhì)。這項技術(shù)使科(kē)學家能(néng)夠(gòu)追蹤(zōng)恒星孕(yùn)育(yù)空間的(dí)情況，更好地(dì)了(liǎo)解恒星形成的(dí)早(zǎo)期(qī)階(jiē)段機理。此(cǐ)外(wài)，UV CMOS傳(chuán)感(gǎn)器可以安(ān)裝在衛星(xīng)上，以探測係外行星的大氣成(chéng)分。有(yǒu)些氣(qì)體(tǐ)氣體，如(rú)氦氣，氫(qīng)氣甚至臭(chòu)氧(yǎng)在(zài)紫外區有(yǒu)強烈的吸收，這種(zhǒng)吸(xī)收(shōu)可以用來輔(fǔ)助判(pàn)斷(duàn)係(xì)外行(háng)星是(shì)否(fǒu)可能(néng)存在生(shēng)命(mìng)。

例如，UV CMOS技術(shù)被(bèi)集(jí)成(chéng)在一(yī)顆(kē)名為(wéi)ULTRASAT的衛(wèi)星(xīng)上。這台位於(yú)軌(guǐ)道上的(dí)寬(kuān)視(shì)場施(shī)密(mì)特望(wàng)遠鏡(jìng)旨在(zài)全麵了解(jiě)高(gāo)能瞬態(tài)宇宙(zhòu)現象，即宇(yǔ)宙空(kōng)間中短時(shí)間(jiān)內發生(shēng)的高(gāo)能事(shì)件(jiàn)。ULTRASAT在(zài)230至290nm的(dí)波段範(fàn)圍(wéi)內表現出(chū)色。它(tā)的觀測有(yǒu)望(wàng)為(wéi)超新星和中子星，星係和引(yǐn)力(lì)波等的(dí)研(yán)究做出貢(gòng)獻(xiàn)。

計(jì)劃於2027年發射的(dí)ULTRASAT使用(yòng)UV CMOS技(jì)術來實(shí)時(shí)捕(bǔ)獲高(gāo)分辨率(shuài)圖(tú)像。由Deutsches Elektronen Synchrotron（DESY）開(kāi)發(fā)的(dí)這款相機(jī)，其(qí)特(tè)點(diǎn)是焦平(píng)麵(miàn)陣列，帶(dài)有四(sì)個獨(dú)立的45×45mm背照(zhào)式(shì)CMOS傳(chuán)感(gǎn)器(qì)，像(xiàng)素(sù)尺寸為9.5×9.5μm。為(wéi)了解(jiě)決紫外(wài)光穿(chuān)透深度低(dī)的問(wèn)題，DESY設(shè)計(jì)了一種名為T2增透膜(mó)塗(tú)層，對於目標(biāo)應用，該塗(tú)層(céng)在近(jìn)紫外(wài)範(fàn)圍(wéi)內(nèi)具(jù)有(yǒu)較(jiào)高(gāo)量(liáng)子效(xiào)率。

▌氣體光(guāng)譜學(xué)

在氣體研(yán)究(jiū)領域，氣體檢(jiǎn)測，特(tè)別是有毒(dú)氣體的檢測，也(yě)是一(yī)個重(zhòng)要的(dí)焦(jiāo)點。在過(guò)去的幾(jī)十(shí)年裏(lǐ)，科學(xué)家們(mén)對全(quán)球(qiú)變暖的(dí)認(rèn)識越來(lái)越(yuè)高，經(jīng)常強(qiáng)調臭(chòu)氧的重(zhòng)要(yào)性，這(zhè)種(zhǒng)氣(qì)體(tǐ)保護地(dì)球免受(shòu)有害輻射(shè)。臭氧在深紫(zǐ)外（<300 nm）有很強的(dí)吸收。另(lìng)外(wài)，環(huán)境中也(yě)可(kě)能有大(dà)量的有害(hài)氣(qì)體(tǐ)汙染大氣(qì)，當它們(mén)進(jìn)入(rù)呼吸(xī)道時會(huì)對(duì)健康產生負(fù)麵影(yǐng)響(xiǎng)。因此，監測和量化(huà)這(zhè)些(xiē)氣體對於(yú)最(zuì)大限度地降(jiàng)低風險(xiǎn)至關重要，比(bǐ)如來(lái)自汽車尾氣，火(huǒ)力(lì)發(fā)電廠和(hé)鋼鐵製造業(yè)的二氧化氮(dàn)；來自(zì)化石燃料的(dí)二氧(yǎng)化硫；來(lái)自(zì)住宅(zhái)木材(cái)加(jiā)熱的苯等(děng)都是(shì)在(zài)紫外波段有(yǒu)強(qiáng)烈吸(xī)收的氣體。

因此，可以使用(yòng)UV CMOS傳(chuán)感器(qì)進行檢測和定量，以降低(dī)環境與健康風險(xiǎn)。

▲圖3：煉油(yóu)廠(chǎng)煙(yān)囪排放的二(èr)氧(yǎng)化硫(liú)（SO2）在紫(zǐ)外波(bō)段(duàn)（左(zuǒ)）和(hé)可(kě)見光波(bō)段(duàn)（右）的成(chéng)像對(duì)比(bǐ)

UV CMOS氣體應用案(àn)例

配置(zhì)方(fāng)案：

• 相機：牛津儀(yí)器公司 CB2-UV相機(jī) (聯係先鋒泰坦，可了(liǎo)解(jiě)詳情(qíng))

• 鏡(jìng)頭：f/2.8 100 mm紫(zǐ)外(wài)復(fù)消(xiāo)色差(chà)鏡頭(CERCO生(shēng)產(chǎn))

• 濾光片(piàn)：310 nm±5 nm帶(dài)通濾(lǜ)光片(piàn)

這(zhè)種配置允許從(cóng)幾十米外(wài)對(duì)排放(fàng)氣體(tǐ)進(jìn)行檢測(cè)，因(yīn)為SO2的吸(xī)收峰在可見(jiàn)光波段不可(kě)見(jiàn)，而(ér)在紫外(wài)波段非(fēi)常明顯。

▌UV CMOS的前景(jǐng)

盡(jìn)管UV CMOS技術取得(dé)了重(zhòng)大進(jìn)展(zhǎn)，但(dàn)一些(xiē)挑戰仍限(xiàn)製(zhì)了其(qí)全(quán)部潛(qián)力：

• 與可見(jiàn)光傳感(gǎn)器(qì)相比，在(zài)靈敏(mǐn)度和量(liáng)子效(xiào)率方(fāng)麵相對較(jiào)低(dī)

克(kè)服這些(xiē)障礙(ài)並改進傳感(gǎn)器製造工藝，將(jiāng)擴大(dà)UV CMOS傳(chuán)感(gǎn)器的應用(yòng)範圍(wéi)，並提高其在(zài)惡(è)劣(liè)環(huán)境(jìng)中的(dí)整(zhěng)體效率(shuài)，耐用性(xìng)和性能(néng)。

▌參考文獻(xiàn)

1. M. Bigas et al. (2006). Review of CMOS image sensors. Microelectronics J, Vol. 37, No. 5, pp. 433-451.

2. N.G. Wright et al. (2008). Prospects for SiC electronics and sensors. Mater Today, Vol. 11, No. 1-2, pp. 16-21.

*本篇(piān)技術應用原文(wén)出自牛津儀(yí)器科技(上(shàng)海(hǎi))有限(xiàn)公司(sī)。