BRPI0819234B1 - DETECTOR DE FORMAÇÃO DE IMAGEM POR RADIAÇÃO DE Cdte/CdZnTe E DISPOSITIVO DE ALTA VOLTAGEM/POLARIZAÇÃO - Google Patents

DETECTOR DE FORMAÇÃO DE IMAGEM POR RADIAÇÃO DE Cdte/CdZnTe E DISPOSITIVO DE ALTA VOLTAGEM/POLARIZAÇÃO Download PDF

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Konstantinos Spartiots
Tom Schulman
Tuomas Pantsar
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Oy Ajat Ltd
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Abstract

detector de formação de imagem por radiação de cdte/cdznte e dispositivo de alta voltagem/polarização a presente invenção está correlacionada a um detector de formação de imagem por radiação de cdte ou cdznte e um elemento de polarização de alta voltagem para aplicação de alta voltagem a um eletrodo contínuo, de modo a garantir um desempenho estável do detector. o elemento de polarização de alta voltagem inclui condutores de diâmetro maior que 30um, preferivelmente, selecionado de um grupo de materiais que não se oxidam facilmente ou que se oxidam menos que o alumínio.

Description

DETECTOR DE FORMAÇÃO DE IMAGEM POR RADIAÇÃO DE CdTe/CdZnTe
E DISPOSITIVO DE ALTA VOLTAGEM/POLARIZAÇÃO
Antecedentes da Invenção
1. Campo da Invenção
A presente invenção se refere à detecção de radiação e à formação de imagem digital por radiação, onde a energia de radiação detectada se encontra em excesso de 5 keV, tipicamente, na faixa de 5 KeV - 1 MeV. Em particular, a invenção se refere a um método de conectar uma alta voltagem ou uma alta voltagem de polarização à superfície de um detector de radiação de um composto semicondutor.
2. Descrição do Estado da Técnica
Um detector de radiação de semicondutor exige uma alta voltagem/polarização sobre uma de suas superfícies para produzir um campo elétrico no interior do cristal detector de semicondutor. 0 campo elétrico é necessário para garantir uma coleta eficaz da carga do sinal (elétrons e furos) criados no cristal por radiação incidente (raios X ou raios gama, ou ainda, radiação de partícula). Convencionalmente, o contato de alta voltagem é provido com um fio fino de alumínio, com uma espessura de tipicamente 10-25 pm. O fio é geralmente fixado por meio de ligação ultra-sônica. Outros meios de prover a conexão de alta voltagem entre a superfície detectora e o fio de alumínio incluem um elemento de epóxi condutor ou uma mola de metal que é trazida para contato com a superfície detectora através de pressão mecânica. Esses meios convencionais de contato de alta voltagem funcionam de modo satisfatório em determinadas aplicações e para determinados tipos de detectores de semicondutores.
2/9
Em aplicações em que a radiação incidente entra no cristal detector a partir do lado de baixa voltagem (solo/sinal) , a alta voltagem pode ser conectada por meio de um elemento de epóxi condutor, o qual proporciona contato elétrico entre a superfície detectora e o substrato de suporte, tal como, uma placa de circuito impresso (PCB). Um fio de alumínio fino é perf eitamente adequado como conector de alta voltagem para detectores feitos de silício, que é um semicondutor altamente desenvolvido, de propriedades bem definidas e estáveis.
Em aplicações que exigem que a superfície de alta voltagem/polarização do detector permaneça exposta, a fim de receber livremente a radiação, molas convencionais de metal ou dispositivos similares que cobrem toda ou parte da superfície detectora não podem ser usadas para conectar o detector de alta voltagem. Do mesmo modo, em tais aplicações, a superfície de alta voltagem não pode ser colada com um elemento de epóxi a um substrato. Ao invés disso, é preferido um fio fino, que cobre somente um ponto bastante pequeno da superfície detectora de alta voltagem.
Um exemplo de uma aplicação que exige que a superfície detectora de alta voltagem/polarização permaneça exposta é a formação de imagem por radiação, com detectores híbridos consistindo de um elemento de colisão de cristal semicondutor (isto é, um detector), ligada a um circuito de leitura integrado.
Resumo da Invenção
De acordo com um aspecto da presente invenção, é proporcionado um conjunto de detector de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, dito detector compreendendo duas faces principais, uma primeira face para leitura de sinal eletrônico criado em resposta à radiação
3/9 incidente e uma segunda face para aplicação de um dispositivo de polarização de alta voltagem, em que o dispositivo de polarização compreende um condutor de cobre, ouro, prata ou platina ou epóxi, plástico ou borracha eletricamente condutores.
De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é proporcionado um conjunto de detector de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, dito detector compreendendo duas faces principais, uma primeira face para leitura de sinal eletrônico criado em resposta à radiação incidente e uma segunda face para aplicação de um dispositivo de polarização de alta voltagem, em que o dispositivo de polarização compreende um fio condutor de diâmetro maior que 30um.
De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um conjunto de detector de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, dito detector compreendendo duas faces principais, uma primeira face para leitura de sinal eletrônico criado em resposta à radiação incidente e uma segunda face para aplicação de um dispositivo de polarização de alta voltagem, em que o dispositivo de polarização compreende um condutor, com uma face de contato do condutor sendo maior que uma área de 700 um2.
De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é proporcionado um conjunto de detector de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, dito detector compreendendo duas faces principais, uma primeira face para leitura de sinal eletrônico criado em resposta à radiação incidente e uma segunda face para aplicação de um dispositivo de polarização de alta voltagem, em que o
4/y dispositivo de polarização compreende dois ou mais condutores individuais.
De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, é proporcionado um conjunto de detector de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, compreendendo pelo menos dois elementos detectores separados, cada dos ditos elementos detectores compreendendo duas faces principais, uma primeira face para leitura de sinal eletrônico criado em resposta à radiação incidente e uma segunda face para aplicação de um dispositivo de polarização de alta voltagem, em que a segunda face se dispõe otimamente ligada ao(s) condutor(es).
A invenção encontra particular aplicação nos detectores de radiação/formação de imagem por radiação baseados em CdTe ou CdZnTe.
A presente invenção introduz um aperfeiçoado detector, com a conexão de alta voltagem/polarização com a superfície de um detector de semicondutor feita de uma maneira específica. Enquanto a conexão convencional é feita com um fio fino de alumínio, que transfere e conecta a alta voltagem à face do detector com eletrodo contínuo, foi descoberto que no caso de CdTe e CdZnTe, isso pode deixar o detector em um estado instável, provocando ocasionais mudanças bruscas na resposta do detector. A invenção garante um suprimento estável de alta voltagem e um desempenho do detector continuamente confiável.
Os inventores da presente invenção descobriram que se a conexão de alta voltagem de um detector de formação de imagem em pixel de CdTe for provida dom um fio fino de alumínio, a resposta do detector, ocasionalmente, pode cair dentro de um estado instável, provocando rápidas mudanças no nível do sinal de saída. Essas mudanças podem ser vistas, por exemplo, tanto como grandes e rápidas variações de nível da base (flutuação instantânea ou de nível de corrente contínua (DC)) sobre a completa área do detector ou como picos de sinal em pixéis individuais ou em grupos localizados de pixéis. A razão fundamental para essa instabilidade é entendida como sendo correlacionada a irregularidades do cristal, o que provoca a apreensão da carga. Ela pode também ser correlacionada ao contato físico entre o fio de conexão e a superfície de CdTe ou CdZnTe, que é coberta por um filme de metal. Devido à natureza frágil do cristal de CdTe ou CdZnTe e às propriedades do filme de metal, geralmente, não é possível se conectar um fio à superfície de CdTe através de ligação ultra-sônica. Ao invés disso, é utilizado um elemento de epóxi condutor. No caso da superfície do alumínio estar oxidada, isso poderá causar uma indesejada resistência elétrica no ponto de contato e proporcionar a observada instabilidade.
Os inventores observaram que o desempenho do detector de CdTe e CdZnTe permanece estável, se a conexão de alta voltagem for dotada de um fio mais grosso feito de cobre. Similarmente, uma conexão de alta voltagem de satisfatória qualidade pode também ser garantida por um fio mais grosso de algum outro metal menos oxidante, como, por exemplo, ouro, platina ou prata. Outros dispositivos de fornecimento de alta voltagem podem também ser usados, tais como, molas ou gotas de epóxi condutor, que elimina o problema da instabilidade observado quando a conexão de alta voltagem é um fio fino de alumínio, na faixa de diâmetro de 5 - 25 gm.
Breve Descrição dos Desenhos
- Figura 1: Método convencional de conectar alta voltagem à superfície de topo de um detector híbrido de pixel.
6/9
- Figura 2: Ilustração de uma modalidade da invenção, com um fio de cobre espesso usado como conector de alta voltagem.
- Figura 3: Ilustração de uma modalidade da invenção, com uma micro-mola usada como conector de alta voltagem.
- Figura 4: Ilustração de uma modalidade da invenção, com uma gota de epóxi condutor usada para conectar a alta voltagem à superfície detectora.
Figura 5: Ilustração de como elementos detectores adjacentes podem ser ligados, a fim de trazer a alta voltagem para cada um dos elementos, através de apenas uma conexão com o substrato do detector.
Figura 6: Uma ilustração de como a conexão de alta voltagem pode ser tornada estável, mediante uso de dois ou mais caminhos condutores entre o substrato do detector e a superfície de topo.
Descrição de Modalidades Preferidas
Em conformidade com a presente invenção, dispositivos detectores de alta voltagem/polarização são adequados para garantir desempenho estável dos detectores de semicondutores em uso. Esses dispositivos são explicados a seguir. Os exemplos apresentados não são exclusivos, mas, exemplos de técnica da invenção para substituir um fio fino de alumínio por um caminho condutor que tenha uma seção transversal suficientemente grande e adequadas propriedades, de modo a garantir uma conexão praticamente livre de resistência da alta voltagem/polarização com o eletrodo de polarização contínua na superfície do detector. Os materiais eletricamente condutores introduzidos nesses exemplos são acreditados de exibir problemas de oxidação menos graves do que o alumínio. Outros materiais condutores com propriedades de oxidação similarmente melhores do que o alumínio podem também ser usados.
Ά figura 1 mostra um exemplo do estado da técnica e, em particular, o caso de uma colisão detectora de formação de imagem por radiação de um semicondutor híbrido ligada a um circuito de leitura. Conforme mostrado na figura 1, nesse tipo de configuração, o circuito integrado (1) com o detector de semicondutor por formação de imagem (2) sobre uma superfície de topo do circuito integrado é montado sobre um substrato (3), tal como, uma placa de circuito impresso (PCB). 0 substrato proporciona a alta voltagem/polarização que é necessitada pela superfície de topo do detector de formação de imagem (2). O lado de baixa voltagem ou lado do solo (4) do detector (2) é fixado ao circuito integrado (1), tipicamente, pela ligação através de colisão ou outro dispositivo similar. A face de alta voltagem/polarização (5) recebe a radiação e, portanto, tem de permanecer exposta. 0 método convencional para conectar a alta voltagem à fase de topo (5) do substrato é com um fio fino de alumínio (6). 0 fio de alumínio, tipicamente, é fixado ao substrato (3) com ligações ultra-sônicas (7) e (8) . Se o detector for frágil (por exemplo, de CdTe ou CdZnTe) , a ligação (8) pode ser também implementada com um elemento de epóxi eletricamente condutor.
Os presentes inventores descobriram que para determinados tipos de detectores de formação de imagem por radiação de compostos semicondutores, o método convencional de conectar a alta voltagem com um fio fino de alumínio, conforme mostrado na figura 1, não é adequado ou ideal e pode até causar significativos problemas operacionais. A
presente invenção é particularmente aplicável a detectores
de CdTe e detectores de CdZnTe, mas pode ser também
aplicada a outros detectores de compostos semicondutores,
tais como, GaAs ou Hgl2.
A figura 2 mostra um detector de formação de imagem por radiação híbrido (9) , em conformidade com a presente invenção e tendo um fio de cobre (10) como dispositivo condutor de alta voltagem/polarização, conectado à face do eletrodo de polarização (12) e ao substrato (11) . O fio de cobre é mais grosso que o fio de alumínio convencional. Conseqüentemente, o diâmetro do fio de cobre se dispõe entre 30um - 200pm, podendo ser ainda mais grosso. Preferivelmente, o fio de cobre apresenta uma seção transversal circular, porém, a invenção inclui outros formatos ou formas de condutores que não são circulares (ou cilíndricos), mas que apresentam uma face de contato com a superfície de polarização do semicondutor de pelo menos 700 pm2. Esta é a área de contato efetiva de um fio de cobre de seção transversal circular de 3 0 pm. O fio de cobre pode ser fixado ao substrato (11) e à superfície detectora de polarização (12), através, por exemplo, de um elemento de epóxi condutor. De acordo com a presente invenção, o material do fio mais espesso pode ser, alternativamente, ouro, prata, platina, plástico condutor ou qualquer outro material com propriedades lentas de oxidação, isto é, uma velocidade de oxidação inferior à velocidade de oxidação do alumínio e uma satisfatória condutividade elétrica.
De acordo com outra modalidade, a figura 3 mostra um detector híbrido (13) com uma micro-mola de metal (14), como dispositivo de aplicação de alta voltagem/polarização. A mola (14) pode ser feita, alternativamente, de um material plástico condutor. A mola (14) pode ser, por exemplo, soldada ao substrato (15). O contato na superfície detectora (16) é garantido pela pressão mecânica da mola (14) .
De acordo com outra modalidade da invenção, a figura 4 mostra como uma gota de epóxi condutor (17) pode ser usada para conectar o detector híbrido à alta voltagem provida pelo substrato. O elemento de epóxi (17) conecta o
9/9 pino de alta voltagem (18) que se estende do substrato à superfície detectora de topo (19) do detector híbrido (20).
De acordo com outra modalidade, a figura 5 mostra como a alta voltagem pode ser conectada ao detector adjacente híbrido (21) que forma uma maior área de detecção ativa. Esse tipo de leiaute híbrido é comumente usado na formação de imagem por varredura. A alta voltagem/polarização, nesse exemplo, é trazida à superfície do primeiro híbrido (22), por exemplo, com um fio de cobre espesso (23). Ao invés de aplicar a alta voltagem/polarização ao restante dos híbridos mediante conexão de suas respectivas superfícies de polarização separadamente ao substrato (24), a superfície de polarização de cada híbrido é ligada com conexões (25), que podem ser fios ou tiras de folha fina de metal ou gotas de epóxi condutor.
Em conformidade com outra modalidade, a figura 6 mostra como a confiabilidade da conexão de alta voltagem é aperfeiçoada com adicionais fios de metal. Em algumas situações (por exemplo, devido a razões de produção), nenhum outro meio que o convencional fio fino de alumínio é possível como conector de alta voltagem. Nesses casos, dois ou mais fios (26) podem ser usados para diminuir a deficiência ou instabilidade da conexão de alta voltagem.

Claims (5)

REIVINDICAÇÕES
1. Conjunto de detector híbrido de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, para detecção de energia de radiação em excesso de 5 keV, compreendendo:
um detector (9) de composto semicondutor, de conversão direta, mediante formação de imagem por radiação/detecção de radiação, apresentando duas faces principais, uma primeira face principal para leitura de um sinal eletrônico criado em resposta à radiação incidente e uma segunda face principal (12) para aplicação de alta voltagem; e uma conexão (10) de dispositivo de polarização de alta voltagem na segunda face principal (12) configurada para proporcionar polarização de alta voltagem para produzir um campo elétrico no interior do detector, a conexão (10) de dispositivo de polarização compreendendo um fio condutor, o conjunto caracterizado pelo fato de que uma área de contato do fio condutor é maior que 7 00 pm2, e o fio condutor é conectado à segunda face principal através de epóxi eletricamente.
2/2
2. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fio condutor possui um diâmetro maior que 30 pm, e é portador da polarização de alta voltagem para produzir um campo elétrico no interior do detector (9).
3. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector (9) é um detector à base de CdTe.
4. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector (9) é um detector à base de CdZnTe.
Petição 870180150185, de 09/11/2018, pág. 9/10
5. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fio condutor é um dentre o
grupo que consiste de um condutor de fio de cobre, um condutor de fio de ouro, um condutor de fio de prata e um 5 condutor de fio de platina. 6 . Conjunto, de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que o fio condutor possui uma taxa de oxidação menor que o alumínio, e é portador da polarização de alta voltagem para produzir um campo 10 elétrico no interior do detector (9).
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