sCMOS图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置的制作方法

scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置
技术领域
1.本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种简单、高效、可靠的scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置。


背景技术：

2.科学级图像传感器，即：scmos图像传感器，因其高灵敏的特征被广泛应用于天文观测、生命科学等微弱光信号检测领域，并且在使用过程中大多需要对scmos图像传感器进行深度制冷以进一步降低成像暗电流、提升探测能力。在深度制冷中，为了防止空气中的水蒸气及其他杂质冷凝污染成像焦平面，需要将scmos图像传感器置于隔绝空气的密闭腔体内。构建密闭腔体的典型方案有将腔体内充满惰性气体以及将腔体内抽至真空环境这两种方式，其中真空密闭腔体方案还具有进一步隔绝热传导、提升制冷深度的作用，在scmos图像传感器深度制冷中最为有效，但其所需的真空环境制造及保持也增大了设计难度。究其原因，是scmos图像传感器工作所需的成像电路系统复杂、电子元器件众多，而构建高可靠真空密闭腔体则需要使腔体内元件尽可能少以降低元件对真空度保持的长期影响，最理想的情况就是真空腔体内只放置scmos图像传感器，其余所有外围控制及处理电路系统均在腔体外。但由于scmos图像传感器结构复杂、功能全面，一般都具有信号种类众多、输入输出引脚(io)数量庞大的特点，例如：国产高端scmos图像传感器gsense400就具有模拟电源、数字电源、像素电源、电压参考源、参考时钟、spi、lvds、数字控制io等共计114个pga引脚。将这些种类多样、数量众多、要求各异的引脚直接从真空腔体内逐一引出无疑会增大潜在漏点数量、降低真空可靠性、增加密封难度，显然难以实现。目前也已有厂家开发出真空贯穿连接器，但采用现有的真空贯穿连接器，一方面受制于连接器的io数量不足、体积较大，另一方面对于scmos图像数据输出所采用的高达几百兆赫兹的多通道高速lvds传输技术，常规真空贯穿连接器会严重损坏高速信号质量，也难以满足scmos图像传感器严苛的使用需求。因此，如何实现scmos图像传感器包括低噪声电源及高速lvds图像数据等在内的多种类信号进行便捷高效地跨真空整合传输是困扰相关从业者的重大问题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是如何实现scmos图像传感器包括低噪声电源及高速lvds图像数据等在内的多种类信号进行跨真空整合传输，同时既保证真空腔体的长期可靠性、降低潜在漏点数量，又能够解决传统常规真空贯穿连接器体积大、io数量受限、无法保证高速信号传输质量的问题。为此，本发明的目的是提供一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置。
4.为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
5.一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置，包括scmos图像传感器、四层高速真空压合柔性线路板和高速高密矩形连接器，所述四层高速真空压合柔性线路板在堆叠结构层次上由上至下依次包括控制信号层、电源回路层、分割电源层、高速lvds
图像数据传输层，各层之间采用真空压合工艺堆叠压合，并在堆叠压合后的上表面和下表面分别覆盖一层电磁屏蔽膜；
6.在连接次序结构上，所述四层高速真空压合柔性线路板分为与所述scmos图像传感器电气连接的前段、与所述高速高密矩形连接器连接的后段以及用于将信号从所述scmos图像传感器传输至所述高速高密矩形连接器的中段，所述scmos图像传感器和所述四层高速真空压合柔性线路板的前段位于真空密闭腔体内，所述真空密闭腔体上设有一狭缝，所述四层高速真空压合柔性线路板的中段贯穿所述狭缝并且与狭缝之间密封，所述高速高密矩形连接器位于所述真空密闭腔体的外部。
7.本发明解决了当将scmos科学级图像传感器放置在真空密闭腔体中使用以提升其应用性能时，无法实现对大数量、多种类的不同速率信号及各类电源的有效传输及高效整合的问题，具有以下有益效果：
8.(1)真空密闭腔体内只有scmos图像传感器单个元件，其他所有驱动控制系统及所需元件均位于常规空气环境中，有利于真空密闭腔体的制备和真空度的长久保持；
9.(2)本发明提供了一种专用的四层高速真空压合柔性线路板(4-fpc)，采用的专用4-fpc针对scmos图像传感器数百个各类信号的特点进行了分类和信号整合传输，通过真空密闭腔体上的一个狭缝就能够将各种信号从scmos有效传输至高速高密矩形连接器，大幅减少了传统io贯穿方式及真空贯穿连接器方式中密闭腔体的潜在泄漏点；
10.(3)相比传统ffc，本发明的4-fpc可以进行多层堆叠、阻抗控制、屏蔽加装等，实现对各类电源、低速控制信号及上百兆赫兹的高速lvds差分信号的同步有效传输，并且电磁兼容性好、体积小、空间利用率高；
11.(4)对于scmos图像传感器的驱动及控制系统而言，其工作所需的所有信号均已出现在空气环境中的高速高密矩形连接器上，成像系统所有的开发、测试、更改、升级均无需破坏或打开真空密闭腔体，在真空密闭腔体制备时可直接采用一次性的永久密封工艺，而无需考虑后续拆装难度及其可维护性，有利于降低真空密闭腔体设计难度、减小腔体体积。
附图说明
12.图1为本发明中四层高速真空压合柔性线路板的层叠结构示意图以及堆叠压合后的示意图；
13.图2为scmos图像传感器各类驱动电源及高低速信号结构图；
14.图3为本发明中四层高速真空压合柔性线路板在连接次序结构上划分前段、中段、后段的示意图；
15.图4为传统ffc与本发明的4-fpc的信号模型与实物对比图；
16.附图标记说明：1、scmos图像传感器；2、四层高速真空压合柔性线路板；2-1、控制信号层；2-2、电源回路层；2-3、分割电源层；2-4、高速lvds图像数据传输层；2-5、电磁屏蔽膜；3、高速高密矩形连接器；4、真空密闭腔体。
具体实施方式
17.下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
18.在其中一个实施例中，本发明提供一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合
传输的装置，该装置包括scmos图像传感器1、四层高速真空压合柔性线路板(4-fpc)2、高速高密矩阵连接器3三大部分。
19.参见图1，在堆叠结构层次上，四层高速真空压合柔性线路板2由上至下依次包括控制信号层2-1(即top层)、电源回路层2-2(即l2层)、分割电源层2-3(即l3层)、高速lvds图像数据传输层2-4(即bot层)，各层之间采用真空压合工艺堆叠压合，将scmos的多种类信号根据设计需求分布在各层上。以gsense400bsi型scmos图像传感器为例，在对scmos多种类信号的整合和堆叠中将其数百个信号分为四大类，分别是：低速控制信号、电源回路gnd、scmos各类驱动电源、高速lvds图像数据信号，如图2所示，其中，低速控制信号主要包括scmos的地址信号、串行通讯信号、时序信号以及系统复位信号，将这些信号对应的线路分布在4-fpc的top顶层；电源回路gnd主要承担scmos各类电源的回流路径即驱动电源回路，将其分布在4-fpc的l2中间层，还可以起到电磁兼容的作用；scmos的各类驱动电源主要包括模拟电源、数字电源、像素电源、电压参考源等，其电流范围从1ma到500ma不等，将多种驱动电源电压线路以及去耦信号线分布在l3分割电源层，并要根据各类电源的电流大小对其在该层所占面积进行分配，分割电源层上还分布去耦信号线；高速lvds图像数据信号主要负责将scmos的高速图像数据传输给后续的驱动系统进行采集，还需要进行蛇形线等长调节和阻抗匹配控制，将其分布在4-fpc的bot底层，bot底层上分布除分布lvds图像数据线外，还分布输入时钟信号线以及像素时钟信号线。综上所述，本发明中的4-fpc共四层信号堆叠，top层为控制信号层、l2层为电源回路层或者gnd层、l3层为分割电源层、bot层为高速lvds图像数据传输层，并在四层信号堆叠压合后再在其上表面、下表面分别覆盖一层电磁屏蔽膜进行进一步的电磁屏蔽，以提升高速lvds信号传输质量，本实施例的4-fpc层叠结构如图1中所示。
20.参见图3，在连接次序结构上，四层高速真空压合柔性线路板2可以分为前段、中段、后段三部分。其中，前段连接scmos图像传感器1，采用通孔方式将scmos的所有io和4-fpc对应层形成有效电气连接，scmos图像传感器1和前段都位于真空密闭腔体4内；中段为多种类信号整合传输路径，将scmos数百个io整合为有限数量的信号线，这部分要跨真空环境，其前端连接4-fpc前段，位于真空密闭腔体内，其后端连接4-fpc后段，将信号从真空腔体内的scmos图像传感器1传输至后端的高速高密矩形连接器3，位于真空密闭腔体4的外部，真空密闭腔体4上设有一个狭缝，4-fpc中段贯穿该狭缝，并在该中段贯穿狭缝处采用环氧树脂等材料进行密封；后段则连接高速高密矩阵连接器3，位于真空密闭腔体4的外部，并通过该连接器与后续的图像采集及处理板进行电气连接。至此，即实现了将scmos图像传感器的上百个众多种类信号的跨真空整合传输。
21.本实施例所提出的多种类信号跨真空整合传输装置适用于多种型号的scmos图像传感器，例如长光辰芯公司的gsense400scmos图像传感器，其数据率为2.4gbps。高速高密矩形连接器3采用美国samtec公司生产的high densitydifferentialpairarray连接器dpam-08-07.0-s-8-2-a，其可实现的最大传输速率为14gbps，在长宽高分别仅为24.59mm、21.62mm、6.66mm的小尺寸下提供高达144个的有效io数量。
22.可选地，本实施例中的四层高速真空压合柔性线路板2采用四层信号堆叠，其整体厚度为0.5mm。
23.可选地，真空密闭腔体4的底盘采用全铜结构，厚度为7mm，其上贯穿狭缝宽度为
1mm。
24.目前国内外图像传感器开发中广泛使用ffc作为腔体内外信号的传输媒介，但其具有高速性能较差、体积较大、空间利用率低的诸多问题，尤其对于上百个高速io引脚的scmos图像传感器而言，ffc显然是无法满足多种类信号跨真空传输的要求。为此，通过对scmos图像传感器多种类信号的特点进行分析，本发明提出采用专用四层高速柔性线路板方案(4-fpc)，4-fpc的各层之间采用真空压合工艺，性能优越，并且可以进行阻抗匹配设计并加装电磁屏蔽，非常适合进行高速敏感信号的传输。同时，相比于ffc信号在单层一字排开的方式，尺寸大、容纳信号数量少，本发明的4-fpc可以进行多层信号堆叠真空压合，实现以更小的尺寸完成多io传输，具有尺寸小、空间利用率高以及多信号高质量传输的优点。传统ffc与本发明的4-fpc的信号模型与实物对比图如图4中所示，其中图4(a)为传统ffc的信号模型与实物对比，图4(b)为本发明的4-fpc的信号模型与实物对比。
25.本发明提出的scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输装置可以实现真空密闭腔体内只有最少的元器件，即：只有scmos图像传感器，其余所有元件均位于常规空气环境中，以保证真空腔体内没有其他电子元器件缓慢释放气体导致真空度下降。同时，密闭腔体上只有一处狭窄的狭缝，相比于数百个io贯穿孔大幅降低了潜在泄漏点数量，更有利于真空环境的密封和真空度的长期保持。此外，由于本发明将scmos图像传感器工作所需的模拟电源、数字电源、像素电源、时序控制信号、高速lvds图像数据信号等所有信号均进行了分类、整合和下传，换言之：无需打开或破坏真空腔体就可以根据需要更改scmos图像传感器的所有驱动系统，使后续控制和采集电子学系统的升级、调试和维护都更加方便，结构非常简单、可靠性高、维护升级成本低。
26.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
27.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置，其特征在于，包括scmos图像传感器(1)、四层高速真空压合柔性线路板(2)和高速高密矩形连接器(3)，所述四层高速真空压合柔性线路板(2)在堆叠结构层次上由上至下依次包括控制信号层(2-1)、电源回路层(2-2)、分割电源层(2-3)、高速lvds图像数据传输层(2-4)，各层之间采用真空压合工艺堆叠压合，并在堆叠压合后的上表面和下表面分别覆盖一层电磁屏蔽膜(2-5)；在连接次序结构上，所述四层高速真空压合柔性线路板(2)分为与所述scmos图像传感器(1)电气连接的前段、与所述高速高密矩形连接器(3)连接的后段以及用于将信号从所述scmos图像传感器(1)传输至所述高速高密矩形连接器(3)的中段，所述scmos图像传感器(1)和所述四层高速真空压合柔性线路板(2)的前段位于真空密闭腔体(4)内，所述真空密闭腔体(4)上设有一狭缝，所述四层高速真空压合柔性线路板(2)的中段贯穿所述狭缝并且与狭缝之间密封，所述高速高密矩形连接器(3)位于所述真空密闭腔体(4)的外部。2.根据权利要求1所述的一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置，其特征在于，所述四层高速真空压合柔性线路板(2)的中段贯穿所述夹缝处采用环氧树脂进行密封。3.根据权利要求1所述的一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置，其特征在于，所述四层高速真空压合柔性线路板(2)的厚度为0.5mm。4.根据权利要求1所述的一种scmos图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置，其特征在于，所述真空密闭腔体(4)的底盘采用全铜结构，厚度为7mm，所述狭缝的宽度为1mm。

技术总结
本发明涉及一种sCMOS图像传感器多种类信号跨真空整合传输的装置，包括四层高速真空压合柔性线路板，在堆叠结构层次上，其由上至下依次包括控制信号层、电源回路层、分割电源层、高速LVDS图像数据传输层，各层之间采用真空压合工艺堆叠压合；在连接次序结构上，四层高速真空压合柔性线路板分为与sCMOS图像传感器电气连接的前段、与高速高密矩形连接器连接的后段以及用于将信号从sCMOS传输至高速高密矩形连接器的中段，中段贯穿真空密闭腔体上狭缝并且与狭缝之间密封。本发明能够保证真空腔体的长期可靠性、降低潜在漏点数量，同时具有体积小、空间利用率高、多信号高质量传输、结构简单、可靠性高、维护升级成本低等优点。维护升级成本低等优点。维护升级成本低等优点。


技术研发人员：张恒 曹景太
受保护的技术使用者：长春长光奥闰光电科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/14