電磁波紫外（UV）波段在一般被分為三個波段：

• UVA（315至400nm）

• UVB（280至315nm）

• UVC（100至280nm）

對應于barium-silex、barium silex- Pyrex和Pyrex濾光片。這三種濾光片都有廣泛的應用。

蝴蝶在紫外(左) 和可見波段下成像。紫外成像提供給客戶新的視野，該方法在環境和工業的一系列應用中廣泛使用。

作為光譜中較短和較高能量的波段，不同紫外波段表現出不同的特征，這些特征可以在各個領域得到利用（下方：圖1）。例如：

• UVA對熒光成像很有價值

• UVB光可用于牛皮癬治療等醫學領域

• 高能UVC波段通常用于消毒

▲圖1：按波長對UV CMOS應用進行圖形表示，并附有按不同的UV光譜波段分組的具體示例。

▌技術挑戰與CMOS的崛起 

相應地，紫外線光源也已經在工業和研發領域得到了廣泛的應用。現在，使用紫外敏感的傳感器來記錄隨時間變化的數據以供后續分析的應用前景越來越受到人們的關注。

然而，大多數用于可見光成像的CMOS傳感器都是硅基的。這種材料在紫外范圍內表現出較低的透射率。

為了優化透射率，相機光路中的所有元件，包括集成到CMOS傳感器中的微透鏡和保護窗，都必須經過精心設計和紫外優化處理（圖2 a，b）。

與可見光相比，較短的紫外波長和較低的穿透深度意味著光子不太容易被傳感器內的光電二極管吸收。此外，量子效率通常低于可見光。

▲圖2：背照式和前照式UV CMOS圖像傳感器的設計架構（a，b）。一種氮化鎵（GaN）基CMOS圖像傳感器及隔離材料層設計架構（c）

傳感器制造商正在研發能夠更廣泛地適應紫外成像的圖像傳感器來克服這一限制。在早期的應用中，CCD傳感器因其更高的靈敏度和更低的噪聲而廣受歡迎。然而，CCD傳感器存在速度和必須要使用機械快門的局限性。

在過去的幾十年里，CMOS技術突飛猛進。得益于光刻技術的進步，這些技術進步在傳感器處理噪聲的能力方面最為明顯。CMOS的圖像質量已經接近CCD傳感器的水平。除了圖像質量外，現在用于紫外探測的CMOS傳感器為CCD傳感器提供了一種有效的替代方案，因為除了速度更快和不需要機械快門外，CMOS成本更低，且功耗比CCD低約100倍。

▌技術與材料的革新

要讓CMOS技術適應紫外范圍，研發人員需要考慮紫外光子的高能量以及穿透深度較低這種特性對傳感器設計的影響。CMOS傳感器制造商探索了多種方法來解決低穿透深度的問題：

• 背照式設計：使光敏矩陣更靠近表面，實現更好的紫外光收集。

• 薄化硅基底：增強紫外光子收集效率。

• 抗反射涂層：最大限度提高光子透射率。

• 先進算法：如相關雙采樣，在像素級別上減去背景噪聲。

2011年，索尼發布了背照式CMOS傳感器，與前照式傳相比，背照式CMOS傳感器的光敏矩陣更靠近表面。因此實現了更好的光收集，包括更短的紫外波長（圖2a）。

隨著紫外應用的興起，各種具有大帶隙并有高紫外透射的材料逐步成為紫外成像和傳感器的好選擇。目前，各種材料制成的光電探測器正在開發中。在這些材料中受歡迎的是：

• 氮化物合金：如鎵、鋁和銦鋁合金，它們具有較大的帶隙；

• 氧化物材料：如氧化鋅，對紫外光子有很好的響應。但在某些應用中，客戶可能需要選擇特定的紫外波段，例如，三元鋅鍺氧化物對UVC反應良好，但對UVA或UVB反應不佳；

• 高能粒子成像候選者：基于金剛石和碳化硅材料的傳感器，具有寬帶隙和抗惡劣環境的特點。由于光子能量較高，在高能粒子長時間輻射下工作的CMOS傳感器可能會隨著時間的推移性能下降，或者在最壞的情況下遭受不可逆的損壞。

盡管將CMOS技術與大帶隙材料相結合的多像素傳感器的制造仍然復雜且昂貴，但是研究人員仍未停止SiC等材料用于傳感器探索。

▌應用簡介：工業與研發

盡管在許多情況下仍在改進，UV CMOS技術仍然擁有廣泛的應用。典型的應用如：

• 工業檢測：檢測高壓電纜的電暈放電。

• 材料識別：識別不同類型的塑料。

• 法醫科學：利用大多數體液強烈吸收紫外線的特性進行檢測。

工業制造業對自動化系統的需求越來越大，以處理高通量帶來的重復和繁瑣的任務。紫外成像技術在提供詳細和快速的成像方面表現出色。

在半導體行業，識別晶圓上的細微裂紋、缺陷和灰塵污染至關重要。更短的紫外波長相對可見光在細節和分辨率上占有優勢，可與電子顯微鏡互補。

▌紫外更廣闊的應用天地 

在工業之外，UV CMOS技術同樣大放異彩。

• 農業：安裝在無人機上的UV CMOS傳感器可識別用于人工授粉的果樹。

• 監控：與紅外成像一樣，可用于檢測危險生物制劑。

• 人工智能：高速CMOS傳感器生成的大量圖像可用于訓練輔助模型。

天體物理學中的潛力：

隨著UV CMOS技術的最新進展，天體物理學家正致力于揭示有關高能過程的關鍵信息，如恒星形成、熱源和星際介質。這項技術使科學家能夠追蹤恒星孕育空間的情況，更好地了解恒星形成的早期階段機理。此外，UV CMOS傳感器可以安裝在衛星上，以探測系外行星的大氣成分。有些氣體氣體，如氦氣、氫氣甚至臭氧在紫外區有強烈的吸收，這種吸收可以用來輔助判斷系外行星是否可能存在生命。

例如，UV CMOS技術被集成在一顆名為ULTRASAT的衛星上。這臺位于軌道上的寬視場施密特望遠鏡旨在全面了解高能瞬態宇宙現象，即宇宙空間中短時間內發生的高能事件。ULTRASAT在230至290nm的波段范圍內表現出色。它的觀測有望為超新星和中子星、星系和引力波等的研究做出貢獻。

計劃于2027年發射的ULTRASAT使用UV CMOS技術來實時捕獲高分辨率圖像。由Deutsches Elektronen Synchrotron（DESY）開發的這款相機，其特點是焦平面陣列，帶有四個獨立的45×45mm背照式CMOS傳感器，像素尺寸為9.5×9.5μm。為了解決紫外光穿透深度低的問題，DESY設計了一種名為T2增透膜涂層，對于目標應用，該涂層在近紫外范圍內具有較高量子效率。

▌氣體光譜學

在氣體研究領域，氣體檢測，特別是有毒氣體的檢測，也是一個重要的焦點。在過去的幾十年里，科學家們對全球變暖的認識越來越高，經常強調臭氧的重要性，這種氣體保護地球免受有害輻射。臭氧在深紫外（<300 nm）有很強的吸收。另外，環境中也可能有大量的有害氣體污染大氣，當它們進入呼吸道時會對健康產生負面影響。因此，監測和量化這些氣體對于最大限度地降低風險至關重要，比如來自汽車尾氣、火力發電廠和鋼鐵制造業的二氧化氮；來自化石燃料的二氧化硫；來自住宅木材加熱的苯等都是在紫外波段有強烈吸收的氣體。

因此，可以使用UV CMOS傳感器進行檢測和定量，以降低環境與健康風險。

▲圖3：煉油廠煙囪排放的二氧化硫（SO2）在紫外波段（左）和可見光波段（右）的成像對比

UV CMOS氣體應用案例

配置方案：

• 相機：牛津儀器公司 CB2-UV相機 (聯系先鋒泰坦，可了解詳情)

• 鏡頭：f/2.8 100 mm紫外復消色差鏡頭(CERCO生產)

• 濾光片：310 nm±5 nm帶通濾光片

這種配置允許從幾十米外對排放氣體進行檢測，因為SO2的吸收峰在可見光波段不可見，而在紫外波段非常明顯。

▌UV CMOS的前景

盡管UV CMOS技術取得了重大進展，但一些挑戰仍限制了其全部潛力：

• 與可見光傳感器相比，在靈敏度和量子效率方面相對較低

克服這些障礙并改進傳感器制造工藝，將擴大UV CMOS傳感器的應用范圍，并提高其在惡劣環境中的整體效率、耐用性和性能。

▌參考文獻

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.

*本篇技術應用原文出自牛津儀器科技(上海)有限公司。