CN101893718A - 具有闪烁体元件和光电二极管阵列的堆叠体的辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射探测器(100)和一种用于生产这样的探测器的方法，其中所述探测器包括闪烁体元件(110、110’)和光电二极管阵列(PDA)的堆叠体(S)。PDA(120)连同电导线(123)延伸进入填充闪烁体元件(110、110’)横向的边界体积(BV)的刚性体中，其中所述导线终止在所述边界体积(BV)的接触表面(CS)中。此外，再分配层(160)设置在接触表面(CS)上，其中再分配层(160)的电线路与PDA的导线接触。
Description
技术领域
本发明涉及包括闪烁体元件和光电二极管阵列(PDA)的堆叠体的辐射探测器。此外，其涉及用于生产这样的辐射探测器的方法和包括这样的辐射探测器的成像设备。
背景技术
US20020153492A1公开了一种辐射探测器，其中光电二极管阵列(PDA)和闪烁晶体附接至延伸进入该闪烁晶体的横向体积的平面衬底。此外，连接器附接至所述横向体积中的衬底，并且多个所得的部件结合成堆叠体，其中闪烁晶体的横向体积填充以环氧树脂。
发明内容
根据该情况，本发明的一个目标是提供一种辐射探测器，其能够容易地制造并且具有高灵敏度。尤其是期望所述辐射探测器适于在光谱CT(计算机断层摄影)扫描器中应用。
该目标是通过根据权利要求1所述的辐射探测器、根据权利要求2所述的方法以及根据权利要求15所述的成像设备实现的。优选的实施例在从属权利要求中公开。
根据本发明第一方面，其涉及一种辐射探测器，用于电磁辐射的探测，尤其是类似X射线光子或者γ光子的高能量辐射的探测。该辐射探测器包括下列部件：
a)堆叠体，其包括闪烁体元件和光电二极管阵列(或短“PDA”)。通常，闪烁体元件为立方体形状，而PDA大体为平板，并且该堆叠体典型地包括闪烁体元件和PDA的交替序列，其中没有其他中间部件。此外，该堆叠体的特征在于下列特性：
a1)PDA连同电导线延伸进入填充这样的体积的刚性体中，该体积是闪烁体元件横向的体积(并且通常与其邻近)并且下文中将被称作“边界体积”。本文中，“横向”方向对应于垂直于堆叠方向的方向。此外，下文中堆叠体的剩余体积(在其中也存在由闪烁体元件的一部分)将被称作“堆叠体核”以便与边界体积相区别。最后，术语“导线”应该表示与其特定几何形状无关的任意电传导部件。
闪烁体元件将典型地为闪烁材料的块或晶体，其将入射高能量辐射(例如，X射线)转换成较低能量的光子，尤其是可见光谱的光子。随后可以通过在PDA中的光电二极管探测所述光子，即所述光子被转换成电信号。
a2)PDA的导线终止在边界体积的表面中，其中下文中该表面将被称作“接触表面”，因为所述导线可以在该平面中与外部电路接触。接触表面典型地相对于PDA的平面(该平面垂直于堆叠方向)垂直或者倾斜。
b)设置在前述接触表面上的并且在下文中可以称作为“再分配层”的层，所述再分配层包括与PDA的导线接触的电线路，其中所述PDA的导线在接触表面处终止。再分配层提供与所述PDA的导线的电接入，其中在所述再分配层上的所述线路的末端通常具有与在接触表面上的导线不同的几何布置。
本发明涉及一种用于提供辐射探测器，尤其是前述设计的辐射探测器的方法，所述方法包括下列步骤：
a)堆叠闪烁体元件和PDA，使得所述PDA连同电导线延伸进入所述闪烁体元件横向的边界体积中。
b)用材料至少部分地填充在所述边界体积中的所述PDA之间的空隙，所述材料例如环氧树脂、硅树脂和/或聚酰亚胺树脂。任选地，堆叠体的其它表面也可以利用相同材料覆盖。
c)将所述边界体积的一部分移除以使PDA的所述导线在边界体积的接触表面中暴露，其中所述表面由移除的过程生成(例如，通过刻蚀或切割)。该移除通常需要等到填充材料最初的液体成分已经固化。
在该方法的其他可选步骤中，在步骤c)之后具有电线路的再分配层可以设置在所述接触表面上，使得所述线路与所述PDA的导线接触。
所描述的辐射探测器和用于生产这样的探测器的方法提供了一种能够以工业规模容易地进行制造的设计，因为首先可以组装闪烁体元件和PDA的简单堆叠体，然后该简单堆叠体可以通过填充在PDA之间的边界体积的材料被固定在所假定的单独几何结构中。由于该设计，在闪烁体元件之间不必须提供附加的载体或衬底(除了PDA之外)，因此将由于辐射探测而损失的区域减至最小，即减至PDA的厚度。通过在所述PDA上的导线来提供所需要的来自探测器像素的读出线路，可以通过在边界体积的接触表面处的外部电路例如以倒装方式容易地与所述导线接触。
下文中，将描述本发明的各种其他改善，其既涉及辐射探测器又涉及所描述的方法。
由于PDA仅能够以非常低的效率直接探测高能量辐射并且产生除了闪烁体-PDA链之外的电荷，这意味着它们的直接转换信号不能简单地结合基于闪烁体的信号使用，由PDA在辐射入射的平面中所占据的区域由于探测过程而损失严重。为了最小化该损失，PDA优选的厚度(垂直于辐射入射即通常地在堆叠方向测得的)小于300μm，优选地小于150μm，最优选地小于100μm或者甚至小于50μm。由于闪烁体元件典型的厚度为1000μm，因此损失区域可以减小至整个区域的大约5-30％或者更小。
基本上，光电二极管阵列可以包括仅一个单一光电二极管，其适用于探测在相关闪烁体元件中生成的次级(光学)辐射。然而优选地，至少一个PDA包括可以从一个或多个相关闪烁体元件的不同区域探测次级光子的多个光电二极管。由于他们独立地连接至延伸进入边界体积中的导线，因此在所述光电二极管中生成的信号可以被分别读出并且归于在相关闪烁体元件中的不同区域。最优选地，至少一个PDA包括二维光电二极管阵列，其允许以空间分辨率(即，在垂直于所述辐射入射的方向上分辨)以及能量分辨率(由与辐射入射一致的探测层提供)来探测高能量辐射。这使得辐射探测器尤其适于在光谱CT中应用。
闪烁体元件可以是独立的块，其中一个这样的块设置在两个连续PDA之间。然而根据优选的实施例，则存在耦合至同一PDA的至少两个闪烁体元件。这些闪烁体元件可以可选的通过反射层彼此分离，从而防止在他们的一个中生成的次级光子跃迁进入相邻闪烁体元件，在该相邻闪烁体元件中次级光子将生成不期望的串扰效应。此外，分离的单个闪烁体元件优选地耦合至公共PDA的不同光电二极管，使得可以独立地探测在他们中生成的辐射。若干闪烁体元件可以彼此邻近地设置在垂直于所述辐射入射(从而增加空间分辨率)以及平行于所述辐射入射的方向(从而增加能量分辨率)上。尤其是在后一种情况中，一个接一个地设置在辐射方向上的闪烁体元件可以包括具有不同吸收特征的材料。
根据本发明的另一优选实施例，至少一个闪烁体元件粘合至至少一个PDA，其中术语“粘合”应该广义地指这样的任意过程：通过该过程将闪烁体元件和PDA材料上结合。通过该材料结合，实现闪烁体元件和相关的PDA之间具有良好光学耦合的紧密连接，从而使得在从闪烁体元件到PDA的跃迁中几乎没有次级光子损失。此外，闪烁体元件和相关PDA之间牢固的机械连接便于辐射探测器制造期间的堆叠过程。
原则上，这将满足：每个闪烁体元件在单一PDA侧面中的一个处耦合至该PDA，使得由闪烁体元件发射的次级光子可以通过该侧面被探测。之后，典型地，闪烁体元件的剩余侧面则将具有反射涂层以减少次级光子的损失。根据本发明的优选实施例，在至少一个闪烁体元件处，PDA功能性地耦合至两个、三个或者四个侧面，从而允许在该闪烁体元件的若干侧面处次级光子的探测。可以可选地将与相同像素相关的若干PDA的光电二极管短路。
PDA的导线优选的(在堆叠方向测得的)厚度小于10μm，最优选的厚度小于1μm。这样薄的传导结构例如可以通过在绝缘衬底上的金属化层实现。为了提高他们的可接入性，优选地为PDA的导线提供在接触表面处的扩大部。该具有扩大部的构造可以在PDA的制备期间已经完成，即，在该方法的堆叠步骤a)之前或者紧接在堆叠步骤a)之后，或者其可以在步骤c)中的移除之后完成。
PDA的导线的扩大部在接触表面中的内径优选地为至少20μm，最优选地为至少50μm。在本文中，连接的几何形状的“内径”定义为与该形状完全匹配的最大圆的直径。例如在矩形中，内径对应于较短侧边的长度。所述的对于内径的值保证了在接触表面中提供足够的区域用于外部接触件的可靠结合。
PDA的导线的扩大部可以以不同方式实现。根据第一可选方案，该扩大部包括在接触表面上的金属化。这样的金属化可以具体地在移除边界体积的一部分以暴露电导线之后生成。其可以通过半导体技术的标准过程产生，例如，金属层的气相沉积和随后利用合适掩模的刻蚀。
根据另一实施例，该扩大部包括结合到所述导线并切入进所述接触表面的附加的传导材料。与前述的在接触表面上的金属化形成对比，传导材料从接触表面延伸进入边界体积的深处。附加的传导材料的具体示例是在至少一个位置(在边界体积中或者在堆叠体核中)结合至相应导线的电线。另一个示例是附接至相应导线的金属块或者焊料凸点。该可选方案可以与上面描述的金属层的沉积相结合。
根据本发明的另一实施例，支撑格栅设置在堆叠体横向的边界体积中，并且PDA延伸通过所述格栅的孔。这样的支撑格栅在制造工艺中尤其有用，因为其允许在边界体积中的空隙被填充之前闪烁体元件和相关PDA的堆叠体的便利组装。需要说明的是，PDA不需要紧紧固定至格栅的孔中，因为在最终产品中由填充边界体积的材料提供机械稳定性。
再分配层将通常连接至用于对由PDA提供的信号进一步处理的电子部件。特别的，读出电路可以连接至再分配层使得信号处理和读出发生在与信号生成的来源紧密接近的该电路中。读出电路可以例如通过专用电路(ASIC)来实现。
根据另一实施例，机械载体可以连接至再分配层和/或闪烁体元件和PDA的堆叠体，所述载体允许辐射探测器机械集成到较大系统中。
本发明还涉及一种成像设备，包括上面描述的类型的辐射探测器。特别地，该成像设备可以为X射线、CT(计算机断层摄影)、PET(正电子发射断层摄影)、SPECT(单光子发射计算机断层摄影)或者核成像设备。
附图说明
参照下面描述的实施例，本发明的这些方面以及其他方面将变得显而易见并且得以阐明。这些实施例将借助所附的单一附图通过示例来描述，其中附图为：
图1说明根据本发明的辐射探测器的制造的若干连续步骤。
具体实施方式
对于计算机断层摄影(CT)的未来发展，光谱或者“彩色”X射线成像是最有前途的途径。虽然基于计数模式的探测器的光谱CT具有良好的材料分离能力的特性，但是由多层探测器、具有相异kVp(即源的峰值电压)的多X射线源、时间上的kVp调制或者这些方法的结合而实现的实施方式由于降低的硬件需求，显得具有吸引力。
因此，可以认为具有双层电流模式的探测器和快速kVp切换X射线源的系统是在光谱CT中有前途的方法。然而，由于双层探测器是相当复杂的设备，因此其生产不能根据CT探测器的标准制造工艺来实现。
双层探测器的特点是：光电二极管平行于束的方向安装。由于闪烁体元件和光电二极管安装在取向为垂直于所述束方向的载体上，因此电导线不得不从垂直平面传输到水平平面。因此，需要允许以合理成本大量生产可靠探测设备的制造工艺。
为了实现该目的，提出一种后续(back-end)过程，其便于电信号从光电二极管阵列(PDA)的垂直平面传输到衬底的水平平面(当假定辐射入射的方向为垂直的时)。因此，在安装闪烁体元件之前不需要固定光电二极管。
图1说明示例性制造工艺的连续步骤，通过该制造工艺生产了根据本发明的这样的辐射探测器100。需要注意的是，该图仅描述了完整辐射探测器的小部分，完整辐射探测器典型地包括更大量数目的探测单元。
图1a)示出工艺的第一步，其中提供两个闪烁体元件110、110’以及相关的PDA 120。两个闪烁体元件110、110’在z方向成一行彼此邻近放置，z方向是在辐射探测器的后面操作期间辐射入射的方向。闪烁体元件典型地为类似GOS、CsI、ZnSe或CWO的材料的长方体块，其从入射的高能量初级光子生成次级光子。两个闪烁体元件优选地通过反射层111彼此分离以防止串扰效应。
PDA 120典型地包括诸如硅的半导体材料的板，并且光电二极管122(在该示例中为两个)通过在朝向闪烁体元件的区域中适当地掺杂而在PDA表面上形成。此外，在PDA120的所述表面上提供电导线123，其连接到前述的光电二极管122并且延伸进入PDA的较低部分121。附加的电线131已连接至电导线123以提供导线的横截面的扩大部。
可选的，选择部件(例如，闪烁体元件、PDA、导线等)使得其热膨胀特征类似，从而减少在生产和操作期间堆叠体中的热机械应力。
在制造工艺的下一步骤b)中，闪烁体元件110、110’粘合至PDA 120的光电二极管122。因此，得到可以作为独立的、自承载结构来操控的探测器单元U或者“板层”。
在步骤c)中，多个前述的探测器单元U一个接一个地安装在堆叠体方向(x方向)中，得到堆叠体S。例如由具有用于PDA外延部121的洞的金属板实现的支撑格栅150用于从底侧机械支撑。需要强调的是，支撑格栅150和PDA外延部121不必须机械连接或电连接，从而减少在生产过程中的制约。
下一生产步骤d)包括铸模，以便用填充材料130填充在闪烁体元件110、110’横向的“边界体积”BV中的空隙。填充材料130例如可以包括环氧树脂和/或硅树脂。可选地，堆叠体S的其余侧面的一个、二个、三个、四个或五个表面也可以用相同材料覆盖。
在步骤e)中，将底部体积的一部分移除以便在接触表面CS中接入PDA120的导线123。该移除可以例如通过刻蚀或者通过切割和抛光来完成。
在步骤f)中，在金属化过程中施加再分配层160。现在，
-可以将探测器模块倒装芯片结合至载体(如当前的CT扫描器中)，或者
-可以将读出ASIC170和其它电子部件直接安装在再分配层160上。模块的底侧的另一部分可以用于将该模块附接至机械支撑结构180。
所描述的技术给出下面的新颖特性：
-从闪烁体元件的两个、三个或四个侧面的光探测。在该实施例中，可以将一个闪烁体的所有光电二极管的导线短路并且连接至读出芯片。从多于一个侧面的这样的光探测与在所述侧面上具有反射涂层的设计相比可以增加效率(因为反射从来不是理想的并且损失光子)。
-可以构建该模块而不需要昂贵的陶瓷载体。
-可以简单地实现三个或者更多闪烁体层。
-可以将PDA变薄，特别的达到小于大约0.2mm的厚度。因为在装配探测器矩阵之前可以将PDA粘合至闪烁体元件，因此它们不需要自支撑。
本发明的一个重要应用是具有能量分辨率的计算机断层扫描摄影或者具有能量分辨率的投影成像。此外，本发明可以用在能够从能量分辨X射线光子探测中受益的任意其他应用。
最后，本文指出，在本申请中术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或者“一个”并不排除多个，并且单一处理器或者其他单元可以完成若干装置的功能。本发明在于每个新颖特征以及这些特征的每个结合。此外，权利要求中的标号不应该理解为对其范围的限制。
Claims (15)
1.一种辐射探测器(100)，具有：
a)堆叠体(S)，其包括闪烁体元件(110、110’)和光电二极管阵列(120)，其中，
a1)所述光电二极管阵列(120)连同电导线(123)延伸进入填充所述闪烁体元件横向的边界体积(BV)的刚性体中；并且
a2)所述导线(123)终止在所述边界体积(BV)的接触表面(CS)中；
b)再分配层(160)，其设置在所述接触表面(CS)上并且包括电线路，所述电线路与所述光电二极管阵列(120)的所述导线(123)接触。
2.一种用于生产辐射探测器(100)的方法，包括下列步骤：
a)堆叠闪烁体元件(110、110’)和光电二极管阵列(120)，使得所述光电二极管阵列连同电导线(123)延伸进入所述闪烁体元件(110、110’)横向的边界体积(BV)中；
b)用材料至少部分地填充在所述边界体积(BV)中的所述光电二极管阵列(120)之间的空隙；
c)将所述边界体积(BV)的一部分移除以使所述光电二极管阵列(120)的所述导线(123)在接触表面(CS)中暴露。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在步骤c)之后，将具有电线路的再分配层(160)设置在所述接触表面(CS)上，从而使得所述线路与所述光电二极管阵列(120)的所述导线(123)接触。
4.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接触表面(CS)大体垂直于所述光电二极管阵列(120)。
5.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光电二极管阵列(120)的厚度小于100μm，优选小于50μm。
6.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个光电二极管阵列(120)包括多个光电二极管(122)，所述光电二极管(122)独立地连接至延伸进入所述边界体积(BV)中的所述导线(123)。
7.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个光电二极管阵列(120)包括光电二极管(122)的二维阵列。
8.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将至少两个闪烁体元件(110、110’)耦合至同一光电二极管阵列(120)。
9.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将至少一个闪烁体元件(110、110’)粘合至光电二极管阵列(120)。
10.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将至少一个闪烁体元件在两个、三个或者四个侧面上功能性耦合至光电二极管阵列。
11.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为所述光电二极管阵列(120)的所述导线(123)提供在所述接触表面(CS)中的扩大部(131)。
12.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将支撑格栅(150)设置在所述边界体积(BV)中，并且所述光电二极管阵列(120)延伸通过所述格栅的孔。
13.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将读出电路(170)连接至所述再分配层(160)。
14.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或者根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将机械载体(180)连接至所述再分配层(160)和/或闪烁体元件(110、110’)和光电二极管阵列(120)的所述堆叠体(S)。
15.一种成像设备，尤其是X射线、CT、PET、SPECT或者核成像设备，其包括根据权利要求1所述的辐射探测器(100)。
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