CN101903802A - 直接转换探测器 - Google Patents

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Abstract

一种辐射敏感探测器阵列，包括：具有第一面和第二相对面的第一衬底202。第一面探测入射辐射，并且第一衬底202产生指示所探测到的辐射的信号。至少一个电接头204位于第一衬底202上。导电材料214耦合到至少一个电接头204。导电材料214具有在大约七十二(72)摄氏度到大约九十五(95)摄氏度的范围内的熔点。

Description

直接转换探测器
本申请大体涉及辐射敏感探测器。尽管本申请是参考单光子发射计算机断层摄影(SPECT)系统的具体应用进行的描述，但是其也涉及其中期望探测辐射并生成指示所述辐射的信号的其他应用，包括CT和静态X射线探测器。
医学成像系统可以包括诸如硫氧化钆(GOS)探测器的间接转换(闪烁体/光传感器)探测器阵列或诸如碲锌镉(CZT)探测器的直接转换探测器阵列。直接转换探测器将所探测到的辐射直接转换为诸如电流的电信号。
直接转换探测器的示例包括具有接收辐射的第一侧和具有用于传送相应电信号的电接触的第二相对侧的CZT辐射敏感半导体衬底。辐射敏感半导体衬底可以被分割为多行探测器元件以及多列探测器元件以形成二维阵列的探测器元件。每个探测器元件与相应的电接头相联系以将相应电信号传送到读出衬底，所述读出衬底转而包括用于将电信号传送出探测器的电接头。
使用基于CZT的探测器，取决于探测器的制造商和/或其他因素，CZT辐射敏感半导体衬底上的电接头可以为金(Au)、铂(Pt)或铟(In)。然而，Au和Pt对CZT的粘附性质差。使用导电粘合剂能够改进Au或Pt与CZT之间的粘附。相对于Au和Pt，In具有与CZT更好的粘附性质；然而，In不容易接触。结果，难以形成基于In的电接头的互连。然而，导电粘合剂可以与In一起使用以改进In的接触性质。
遗憾地，In氧化物以及与In一起使用的导电粘合剂对潮湿敏感并且会膨胀。同样地，电接头在物理和机械方面会随时间而退化。这种退化可能导致退化的电连接和电流流动和/或切断与CZT衬底的电接触。结果，对于一些应用，由In和导电粘合剂构造的CZT探测器的可靠性比期望的要低，并且探测器的性能会随时间落在特定操作范围之外。
本申请的各方面解决上述问题以及其他问题。
根据一方面，一种辐射敏感探测器包括具有第一面和第二相对面的第一衬底。第一面探测入射辐射，而第一衬底产生指示所探测到的辐射的信号。至少一个电接头位于第一衬底上。导电材料耦合到至少一个电接头。导电材料具有在大约七十二摄氏度到大约九十五摄氏度的范围内的熔点。
在另一方面，一种医学成像系统包括探测穿过检查区域的辐射并产生指示所探测到的辐射的电信号的辐射敏感探测器阵列。辐射敏感探测器阵列包括辐射敏感衬底、耦合到辐射敏感衬底的电接头、以及耦合到至少一个电接头的导电材料。导电材料为低温焊料。
在另一方面，一种方法包括将基于低温InBi的焊料回流到读出衬底上的第一电接头，并将基于低温InBi的焊料回流到基于CZT的辐射敏感衬底上的基于In的电接头。
本领域技术人员在阅读并理解说明书之后将理解本发明的其他方面。
本发明可以实现为各部件及各部件布置以及各步骤及各步骤安排。附图仅用于说明优选实施例的目的而不应理解为限制本发明。
图1示出了示例性医学成像系统；
图2示出了示例性辐射敏感探测器阵列；
图3示出了示例性辐射敏感探测器阵列；
图4示出了方法。
参照图1，SPECT系统100包括至少一个辐射敏感探测器阵列110。如所描述地，所示出的系统100包括两个辐射敏感探测器阵列1101和1102。辐射敏感探测器阵列1101和1102以大约九十(90)度到一百零二(102)度的范围内的角度彼此相对设置。可以预见到有其他数目的探测器阵列110以及其间的角度。辐射敏感探测器阵列1101和1102关于检查区域112旋转，并采集针对多个投影角度或视图的投影。
在所示出的示例中，辐射敏感探测器阵列1101和1102为包括各个层的二维直接转换探测器阵列。这样的层可以包括辐射敏感层114、读出层116、以及中间层118。中间层118电学地且物理地耦合到辐射敏感层114和读出层116。
如下面更详细描述地，辐射敏感层114可以包括具有由很好地粘附到碲锌镉(CZT)的材料形成的至少一个电接头的CZT衬底。另外，中间层118可以包括很好地适合与CZT衬底上的电接头形成电互连的材料。
通常，辐射敏感层114接收来自在检查区域112中发生的放射性核素衰变108的伽马辐射并产生指示所述辐射的信号。信号通过中间层118传递到读出层116。信号经由读出层116从探测器110输出。
重建器120重建投影以生成表示所探测到的伽马辐射的体积图像数据。体积图像数据指示检查区域112。
计算机充当操作控制台122。控制台122包括诸如监视器或显示器的人可读输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留在控制台上的软件允许操作者控制扫描器100并与扫描器100进行交互，例如，通过图形用户界面(GUI)与扫描器100进行交互。
诸如检查床的对象支撑124支撑检查区域112中的患者或其他对象。对象支撑124可以移动以便在执行扫描过程的同时在检查区域112内相对于检查区域112引导对象。这可以包括与伽马辐射敏感探测器110的操作配合纵向地移动对象支撑124，从而能够在根据期望扫描轨迹的多个纵向位置扫描对象。
图2描绘了示例性探测器阵列110的子部分。应当理解到的是，所示出的探测器阵列110的各部件的大小、形状和/或数目为示例目的；各部件的大小、形状和/或数目不应被理解为限制。
如所示出地，辐射敏感层114包括辐射敏感衬底202。在该示例中，辐射敏感衬底202包括高密度半导体材料。这种材料例如为碲锌镉(CdZnTe或CZT)。使用CZT，辐射敏感衬底202能够被用于将所接收到的辐射直接转换为诸如电流的电信号。
辐射敏感衬底202的厚度“T”可以限定探测器阵列110的吸收特性，并且通常被配置成其中使用探测器阵列110的应用。例如，对于在其中探测相对较高能量(例如，高于一百(100)keV)的光子的应用而言，辐射敏感衬底202可以为大约三到五(3-5)毫米厚，而对于在其中探测相对较低能量(例如，低于四十(100)keV)的光子的应用而言，辐射敏感衬底202可以为大约一(1)毫米厚或更薄。
固定到辐射敏感衬底202上的为诸如焊盘的电接头204。如上所述，电接头204包括具有对CZT相对较好的粘附特性的材料。一种这样的材料为铟(In)。In具有大约一百五十五(155)摄氏度的熔点，该熔点对于CZT也为适合的温度。本文也预见到有其他材料。
类似于辐射敏感层114，电接头204的尺寸被配置成其中使用探测器阵列的应用。例如，在一个非限制性实例中，电接头204的高度“H”可以在从大约一百(100)纳米(nm)到大约半(.5)微米的范围。另外，电接头204的长度“L”可以在从大约二百五十(250)微米到大约二(2)毫米(mm)的范围。
通过示例的方式，对于约三百(300)微米的间距，每个电接头204的长度可以为大约二百五十(250)微米，电接头204间的间隔为大约五十(50)微米。对于大约二点五(2.5)mm的间距，每个电接头204的长度可以为大约一点八(1.8)mm，电接头204间的间隔为大约点七(.7)毫米。
可以由衬底206的制造商，例如，通过适当的掩膜、光刻等，或其他方式，将电接头208固定到衬底206。
读出层116包括衬底206，所述衬底206可以为印刷电路板(PCB)等。固定到面向衬底202的第一面上的衬底206的为诸如焊盘的第一电接头208。第一电接头208由可被焊料润湿的材料形成。这样的材料可以为金属。示例包括，但不限于，铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)等。
固定到背离衬底202的第二相对面的衬底206的为第二电接头210。第二电接头210可以由铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)等形成。
至少一个通孔212从第二电接头210中的每个延伸通过衬底206到第一电接头208中的对应一个，从而提供第一电接头208和第二电接头210之间的电路径。由辐射敏感层114产生的电信号可以被从探测器阵列1 10传送通过第一电接头208。
在图2中示出的示例中，衬底(206)两面上的电接头(208和210)的间距相等。然而，在其他实施例中，间距可以不同。在一个示例中，ASIC背离衬底202附于第二面，用于对在直接转换材料中产生的电信号的处理。ASIC的面积(footprint)通常与直接转换材料的面积不同，并且在该情况中，衬底206更加复杂(例如，多层)并且还被用作两面上电接头的不同间距间的可逆路径层。
如上所述，中间层118电耦合辐射敏感层114和读出层116。在一个示例中，中间层118包括通常很好地润湿衬底202上的电接头204的焊料214。例如，当电接头204包括In时，合适的焊料包括In、In合金和/或具有诸如熔点不高于In电接头204的熔点、很好地粘附到In、与In很好地润湿和/或其他性质的性质的(一种或多种)另外材料。
在所示出的示例中，焊料214包括至少In和铋(Bi)。例如，所示出的焊料214为近共晶的InBi的焊料，按重量大约百分之六十六(66％)的In和大约百分之三十四(34％)的铋。这样的焊料具有这样的熔点，在所述熔点处，In和Bi基本同时转变为液态。在一个示例中，接近共晶的InBi焊料的熔点在大约七十二(72)到九十五(95)摄氏度的范围，例如，大约七十二(72)摄氏度。在另一示例中，焊料214包括按重量大约百分之二十五到百分之七十(25-70％)的In以及按重量百分之三十到百分之六十(30-60％)的Bi。也可以预见到有其他百分比。
In的熔点为大约一百五十六点六(156.6)摄氏度。结果，焊料214溶解而没有熔解In电接头204。注意到，常规的基于锡(Sn)的焊料可以具有大约一百八十(180)摄氏度到大约一百九十(190)摄氏度的熔点。相对于这种基于Sn的焊料，焊料214可以被称作低温焊料，例如，此时焊料214具有大约七十二(72)摄氏度的熔点。
满足上述要求的可替代共晶焊料包括，但不限于，具有七十七点五(77.5)摄氏度的共晶点的Bi48.5In41.5Cd10、具有七十九(79)摄氏度的共晶点的Bi57In26Sn17、具有八十一(8 1)摄氏度的共晶点的Bi54In29.7Sn16.3以及具有九十三(93)摄氏度的共晶点的Cd14In44Sn42。
另外，这样的焊料很好地润湿基于In的电接头204。这种焊料还可以为韧性的，如果探测器阵列110暴露于从大约零下四十(-40)摄氏度到大约七十(70)摄氏度的温度范围的温度，这可以降低探测器阵列110的老化。硬焊料会变得不可靠且易碎，例如，在低温。或者，韧性较差的材料将在温度变化时引起直接转换材料中的应力，这最终可以导致失效。
图3示出了非限制性探测器阵列110的子部分。所示出的为CZT辐射探测器衬底202、电接头204、InBi焊料互连214、读出衬底206、第二电接头210以及通孔212。在该示例中，探测器阵列110包括多行探测器元件和多列探测器元件，以形成二维探测器阵列110。要领会到的是，探测器阵列110可以由一个或多个其他探测器阵列110平铺以增加探测器阵列110的探测表面。
图4示出了用于形成探测器阵列110的非限制性方法。在402，焊料214与读出衬底206的第一电接头208对准。如上述地，在一个示例中，焊料214为具有大约七十二(72)摄氏度熔点的、接近共晶的InBi，并且电接头208为包括诸如Cu、Ag、Au等金属材料的焊盘。电接头208可以在对电接头208上的焊料214进行对准之前被涂锡和/或以其他方式准备。
在404，焊料214回流到电接头208。诸如基于松香的焊剂的还原剂可以被用于帮助从与电接头208相接触的点移除诸如氧化金属的杂质以改进电连接。之后可以以溶剂和/或去离子水清洁读出衬底206以从衬底206移除任意无关残留。
在406，读出衬底206与CZT辐射敏感衬底202对齐，使得电接头208上的焊料214与CZT辐射敏感衬底202上的电接头204对齐。如上所述地，电接头204可以包括In、In合金或适合粘附到CZT衬底204并由InBi焊料214适当浸湿的其他材料。另外，可以使用松香或其他焊剂活化表面。
在408，焊料214回流到衬底202的电接头204。回流温度可以被保持在大约七十二(72)摄氏度到大约一百(100)摄氏度的范围内。例如，回流温度可以被保持在大约九十(90)摄氏度到大约九十五(95)摄氏度的范围内。在一个示例中，该温度范围可以确保焊料214的合适的熔化和流动。
也可以使用通过在直接转换材料上应用焊料开始的倒序处理。
汽相回流技术可以被用于回流焊料214。例如，由诸如有机溶剂等的具有合适沸点的沸腾液体生成的蒸汽可以用于回流焊料204。使用这样的技术，溶剂被煮沸，且所生成的蒸汽浓缩并沉降用于回流焊料214的浓缩能量。另外，不会出现过热。这样的液体的示例包括氟化液FC-77，所述氟化液为在热传递应用中所使用的流体，并由USA，MN的3M of St.Paul提供。也可以预见到有其他流体。这样的流体可以具有表1中的一个或多个性质。
性质
外观 清澈，无色
平均分子量 416
沸点(1大气压) 97℃
凝点 -110℃
所计算的临界温度 495K
所计算的临界压力 1.58X106帕斯卡
蒸汽压力 5.62X103帕斯卡
蒸发潜热(在额定沸点下) 89J/g
液体密度 1780kg/m3
运动粘度 0.72厘司
绝对粘度 1.3厘帕
液体比热 1100Jkg-1℃-1
液体导热率 0.063Wm-1℃-1
膨胀系数 0.00138℃-1
表面张力 13dynes/cm
折射率 1.28
水溶性 13ppmw
水中溶解度 ＜5ppmw
臭氧破坏能力 0
表1.示例性汽相焊接液性质
描述各种变化。
在其他实施例中，探测器阵列10包括诸如碲化铬(CdTe)、铅(II)氧化物(PbO)等的其他直接转换材料。
如上所述，基于松香的还原剂可以被用于帮助从电接头208去除杂质。在其他示例中，可以可替代地使用酸或水溶性焊剂。在另一示例中，也可以使用诸如在焊接之后留下良性残留物的“无需清洁”焊剂。在另一示例中，不使用还原剂。
在所示出的示例中，汽相焊剂技术被用于回流衬底202的电接头204上的焊料214。在另一示例中，可以使用红外线(IR)、强制对流(FC)、波动焊接(WS)、诸如氮气(N2)的惰性气体、或其他回流技术。
上述应用及其变化包括，但不限于，SPECT以及使用辐射敏感探测器以探测辐射的其他医学和非医学应用，例如CT、PET、X射线等。
本发明已经参照优选实施例进行了描述。他人在阅读并理解说明书之后会想到各种修改和变动。本发明旨在被理解为包括所有这些修改和变动，这要所述修改和变动在权利要求书及其等价物的范围内。

Claims (24)

1.一种辐射敏感探测器阵列(110)，包括：
第一衬底(202)，其具有第一面和第二相对面，其中，所述第一面探测入射辐射，并且所述第一衬底(202)产生指示所探测到的辐射的信号；
所述第一衬底(202)上的至少一个电接头(204)；以及
耦合到所述至少一个电接头(204)的导电材料(214)，其中，所述导电材料(214)具有在大约七十二(72)摄氏度到大约九十五摄氏度的范围内的熔点。
2.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器，其中，所述导电材料(214)具有大约为七十二摄氏度的熔点。
3.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器，其中，所述导电材料(214)包括低温焊料(214)。
4.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器，其中，所述导电材料(214)包括铟。
5.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，其中，所述导电材料(214)包括基本共晶的铟铋混合物。
6.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，其中，所述导电材料(214)包括基本上按重量In为25％到70％之间的范围的铟铋合金。
7.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，其中，所述辐射敏感探测器阵列为直接转换探测器阵列。
8.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，其中，所述第一衬底(202)包括碲锌镉。
9.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，其中，所述至少一个电接头(204)包括铟。
10.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，还包括：
第二衬底(206)；
所述第二衬底(206)上的第二电接头(208)，其中，所述第二电接头(208)耦合到所述导电材料(214)；以及
所述第二衬底(206)上的第三电接头(210)，其中，所述第三电接头(210)与所述第二电接头(208)电连通。
11.根据权利要求1所述的辐射敏感探测器阵列，其中，所述辐射敏感探测器阵列为单光子发射计算机断层摄影扫描器的一部分。
12.一种医学成像系统，包括：
辐射敏感探测器阵列(110)，其探测穿过检查区域的辐射并产生指示所探测到的辐射的电信号，其中，所述辐射敏感探测器阵列(110)包括：
辐射敏感衬底(202)；
耦合到所述辐射敏感衬底(202)的电接头(204)；以及
耦合到所述至少一个电接头(204)的导电材料(214)，其中，所述导电材料(214)为低温焊料(214)。
13.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述导电材料(214)具有大约七十二摄氏度的熔点。
14.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述导电材料(214)电学地并物理地耦合到所述至少一个电接头(204)。
15.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述导电材料(214)包括基于铟铋的焊料(214)。
16.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述导电材料(214)包括基本上按重量铋(Bi)为30％到60％之间的范围内的铟(In)铋(Bi)合金。
17.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述至少一个电接头(204)包括铟。
18.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述至少一个电连接(204)很好地粘附于碲锌镉。
19.根据权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述辐射敏感探测器阵列(110)为直接转换探测器的一部分。
20.一种方法，包括：
将基于低温InBi的焊料(214)回流到读出衬底(206)上的第一电接头(208)；以及
将所述基于低温InBi的焊料(214)回流到在基于CZT的辐射敏感衬底(202)上的基于In的电接头(204)。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括使用汽相焊接技术将所述基于低温InBi的焊料(214)回流到所述基于In的电接头(204)。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括在低于大约七十二摄氏度到大约九十五摄氏度的范围中的温度将所述基于低温InBi的焊料(214)回流到所述基于In的电接头(204)。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述基于低温InBi的焊料(214)具有大约七十二摄氏度的熔点。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述基于低温InBi的焊料(214)包括基本共晶的InBi混合物。
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