CN106405620A - 用于pet检测器的光导阵列的制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

具有由光学光导阵列互连的光学透明板和光电二极管阵列的光子检测器。光学光导阵列包括在光学透明板和光电二极管阵列之间提供传输线的元件，其中一个或多个光学光导元件的位置被形成以调整用于重合失调的光电二极管个别的元件。装配光子检测器的方法包括在光学透明板和/或光电二极管阵列的相对表面上沉积非润湿薄膜，在个别光电二极管元件的区域中变更沉积的非润湿薄膜，在光学透明板和光电二极管阵列上分发光学耦合器粘合剂以形成粘合剂珠，对齐相对表面，装配相对表面使得对应的光学耦合器粘合剂珠彼此接触，以及固化光学耦合器粘合剂以形成具有光学光导元件的结构上合并的光子检测器。

Description

用于PET检测器的光导阵列的制造方法和设备
背景技术
用于正电子放射断层扫描(PET)成像系统的光子检测器通常包括光电传感器元件和闪烁体元件。当由来自放射性示踪剂的正电子湮灭时创建高能光子撞击闪烁体时，一个或多个可见的(或接近可见的)光子从闪烁体被发出。这些闪烁光子能够被一个或多个光电传感器检测。来自光电传感器的表示湮灭光子事件的信号被结合并用来创建经历成像的感兴趣区域的图像。
常规的PET扫描仪能够利用硅光电倍增管(SiPM)作为光电传感器。SiPM能够是对撞击光子起反应的被动熄灭(quench)盖格(Geiger)模式雪崩光电二极管(APD)阵列。该SiPM能够提供关于某些参数例如撞击事件的时间、与该事件相关联的能量以及该事件在检测器内的位置的信息。这些参数能够通过处理施加于由SiPM生成的模拟信号的算法而确定。一些常规的SiPM能够产生非常快的信号，其提供了高度的定时精度。
相对于常规的光电倍增管(PMT)，SiPM提供了某些的优点，并且因此用于许多应用中，包括用于医学成像的正电子放射断层扫描。这些优点包括更好的光子检测效率(即，大概率检测撞击光子)，更好的定时性能(即，更高精度地确定光子的到达时间)，紧密度(compactness)，耐用性(ruggedness)，低操作电压，对磁场不敏感以及低成本。
SiPM由微单元的大阵列组成。微单元包含单光子雪崩二极管(SPAD)，其为在其击穿电压之上偏置的光电二极管。当光子在该SPAD中相互作用时，二极管击穿且产生大的放电电流。在模拟SIPM中，熄灭电阻器与SPAD串联放置。由于放电电流增加，跨熄灭电阻器的电压降增加，而跨SPAD的电压减少。当跨SPAD的电压降至击穿电压之下时，则停止放电，并且跨SPAD的电压将会增加直至它到达偏压。在那个点处，SPAD准备检测在其中相互作用的下一个光子。穿过该熄灭电阻器的电流在SiPM中的SPAD的放电和充电期间被结合并被测量以确定光脉冲撞击SiPM的时间以及光脉冲中光子的数量。
在数字SiPM中，对每个微单元都添加了电路系统。该微单元电系统处理从SPAD产生的信号，并且来自该电路的输出信号被结合以确定光脉冲撞击SiPM的时间以及光脉冲中的光子的数量。熄灭电阻器可能存在或其能够采用数字控制复位电路替换。
对于模拟和数字SiPM，由微单元覆盖的区域包括SPAD的区域，由熄灭电阻器和/或微单元电子设备覆盖的区域、轨迹(对于信号和电压)以及微单元之间所需的用于电子绝缘的空间。撞击位于SPAD的光敏感区域之外的微单元的区域的光子通常不会被检测到，并且SPAD的光敏感面积和微单元的总面积的比值(填充系数)是确定撞击SiPM的光子将被检测到的概率(光子检测效率：PDE)中的临界参数。
由电子设备和/或熄灭电阻器覆盖的面积本质上是独立于SPAD尺寸，并且电子设备绝缘和轨迹所需的面积名义上成正比增加到微单元面积的平方根。因此，增加PDE的普遍的方法是要增加SPAD在SiPM中的面积。
然而，增加SPAD的尺寸也会对其他SiPM参数产生不利的影响。尤其是，产生寄生脉冲事件(after pulsing events)和光学串扰事件的概率随着SPAD的面积而增加。当在微单元放电期间生成的电子或空穴变成陷入在硅的能级中时发生寄生脉冲事件，该电子或空穴能够以从几纳秒变化到若干微秒的时间从该陷阱(trap)中被热释放，并且被释放的电子或空穴发起微单元的另一种放电。当由微单元的放电产生的光子传播到相邻的微单元且在那个微单元中发起放电时发生光学串扰事件。创建寄生脉冲事件或光学串扰事件的概率随着SPAD的面积而线性增加。通过将光学结构置于微单元的顶端可提高SiPM的PDE，该光学结构引导光远离微单元的死区并将光引导至SPAD的有效区上。
本发明提供了下述的一组技术方案：
1、一种用于装配光子检测器的方法，所述光子检测器包含定位在光学透明板和光电二极管阵列之间的光学光导阵列，所述方法包括：
在所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的至少一个的至少一个相对表面上沉积非润湿薄膜；
变更在光电二极管元件的区域中的沉积的非润湿薄膜；
将光学耦合器粘合剂分发到所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的至少一个上以在所述光学透明板或所述光电二极管元件上形成光学耦合器粘合剂珠；
将所述光学透明板和所述光电二极管阵列的所述相对表面对齐；
装配所述光学透明板和所述光电二极管阵列的所述相对表面，使得所述光学耦合器粘合剂珠接触所述相对表面；以及
固化所述光学耦合器粘合剂以形成在所述光学透明板和个别光电二极管元件之间具有光学光导元件的结构上合并的光子检测器。
2、根据技术方案1所述的方法，变更所述沉积的非润湿薄膜包含移除和化学改性所述非润湿薄膜中的至少一个。
3、根据技术方案1所述的方法，变更所述沉积的非润湿薄膜在所述光电二极管元件的中心周围处进行。
4、根据技术方案1所述的方法，沉积所述非润湿薄膜包含利用掩膜和剥离制程中的一个来施加所述非润湿薄膜。
5、根据技术方案1所述的方法，其中所述光学耦合器粘合剂珠具有大约相同的形状和体积，并且每个光学耦合器粘合剂珠大约集中在光电二极管元件上。
6、根据技术方案1所述的方法，其中，如通过由所述光学耦合粘合剂的表面张力引起的力所确定的，所述光学透明板相对于所述光电二极管阵列的对齐被允许包含对所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的任一个或二者进行平移和旋转中的至少一个的运动。
7、根据技术方案1所述的方法，其中所述光学透明板是闪烁体。
8、根据技术方案7所述的方法，其中所述闪烁体具有元件，并且分发步骤包含分发所述光学耦合器粘合剂以在对应的闪烁体元件和光电二极管元件上形成光学耦合器粘合剂珠。
9、根据技术方案8所述的方法，对齐所述相对表面包含将光学耦合器粘合剂的对应的珠定位成彼此相对。
10、根据技术方案1所述的方法，其中所述光学透明板是玻璃板。
11、根据技术方案1所述的方法，包含：
在所述光电二极管元件上形成光学耦合器粘合剂珠；以及
将光学粘合剂施加到所述光学透明板上以形成具有大约均匀厚度的薄膜。
12、光子检测器，包括：
所述光学透明板；
具有个别元件的光电二极管阵列；
在所述光学透明板和所述光电二极管阵列之间的光学光导阵列，所述光学光导阵列包含在所述光学透明板和所述光电二极管阵列的个别的元件之间提供传输线的个别的光学光导元件；
所述光学光导阵列由包括下述步骤的过程准备：
在所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的至少一个的至少一个相对表面上沉积非润湿薄膜；
变更在光电二极管元件的区域中的沉积的非润湿薄膜；
将光学耦合器粘合剂分发到所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的至少一个上以在所述光学透明板或所述光电二极管元件上形成光学耦合器粘合剂珠；
将所述光学透明板和所述光电二极管阵列的所述相对表面对齐；
装配所述光学透明板和所述光电二极管阵列的所述相对表面，使得所述光学耦合器粘合剂珠接触所述相对表面；以及
固化所述光学耦合器粘合剂以形成在所述光学透明板和个别光电二极管元件之间具有光学光导元件的结构上合并的光子检测器。
13、根据技术方案12的所述光子检测器，包含在一个或多个个别的光学光导元件的位置中的变形，与重合失调的光电二极管的个别的元件接触的所述一个或多个个别的光学光导元件。
14、根据技术方案12所述的光子检测器，其中所述光学透明板是闪烁体。
15、根据技术方案14所述的光子检测器，所述闪烁体具有个别的元件，并且光学耦合器粘合剂珠定位在对应的闪烁体元件和对应的光电二极管元件之间以形成个别的光学光导元件。
16、根据技术方案15所述的光子检测器，包含：
所述闪烁体阵列的所述个别元件是配置成当由入射的X射线辐射激发时发射光子的晶体；以及
所述光电二极管阵列的所述个别元件是单光子雪崩二极管像素。
17、根据技术方案12所述的光子检测器，其中所述光学透明板是玻璃板。
附图说明
图1描绘了根据实施例的未装配的光子检测器阵列；
图2描绘了根据实施例的制造光子检测器阵列的工艺流程图；
图3描绘了根据实施例的在制造阶段期间的图1的光子检测器；
图4描绘了根据实施例的光子检测器；以及
图5描绘了根据实施例的制造光子检测器阵列的工艺流程图。
具体实施方式
根据实施例，制造光子检测器的方法包括在光电二极管阵列上的对应的单光子雪崩二极管(SPAD)微单元和光学透明板之间创建光学光导阵列以提高由光子检测器的光探测。
图1描绘了根据一些实施例的未装配的光子检测器阵列100。该光子检测器阵列包括SiPM光传感器110，该光传感器110包括多个每个都包含SPAD的微单元。光学耦合器粘合剂阵列130被沉积在玻璃板120与光电二极管阵列相对的表面上。类似地，光学耦合器粘合剂阵列140被沉积于光电二极管阵列110与玻璃板相对的表面上。
在一些实现中，玻璃板能够是任何光学透明材料——例如，塑料的板。在其他实现(例如，诸如PET，核医学以及其他电离辐射应用)中，代替玻璃板，具体的检测器阵列能够采用闪烁体晶体或陶瓷或闪烁体晶体片或陶瓷片矩阵制造。
图2描绘了根据实施例的用于制造光子检测器阵列的过程200的流程图。步骤210和220，非润湿薄膜分别被沉积在光电二极管阵列和玻璃板的相对表面上。这些相对表面随后将配合形成光子检测器的一部分。非润湿薄膜是一种采用将随后施加的未固化的、液态的光学耦合器粘合剂不会润湿的薄膜。这类非润湿薄膜的一个分类包括氟化高聚物。
在沉积之后，步骤230，在沉积于约个别的SiPM微单元的光敏区域上方的非润湿薄膜的区域能够被移除和/或化学改性(chemically modify)。步骤240，沉积在玻璃板上的非润湿薄膜的对应于SiPM中的微单元的区域能够被移除和/或化学改性。玻璃上的这些区域对应于微单元的光敏感区域和一小部分位于微单元之间的非光敏感区域。因而玻璃上的区域的面积大于SiPM上的对应区域的面积。非润湿薄膜的这种移除/修改留下了易于能够采用上述未固化的液体光学耦合器粘合剂润湿的闪烁体元件和光电二极管像素的处理过的区域。在其他实现中，非润湿薄膜能够利用硬或镂空掩模(其将会简化图案化过程并且消除蚀刻)来施加，在另一个实现中，剥离制程(liftoff process)(类似于典型的光刻胶(resist)剥离制程)能够将非润湿薄膜从有源装置(即，玻璃板和光电二极管像素)的预期的接触区域上移除。非润湿薄膜的图案也能够被印刷到SiPM和/或玻璃板上。
在步骤250和260中，液体光学耦合器粘合剂分别被分发在光电二极管阵列和玻璃板上。润湿的和非润湿的区域的不同的表面能量使得液体光学耦合器粘合剂形成光学耦合器粘合剂珠(bead)的阵列，其中该珠具有大约相同的形状和体积。每个光学耦合器粘合剂珠在光电二极管像素或玻璃板上的中心上集中，如图1中所描绘的。
步骤270，玻璃板120和光电二极管阵列110的相对的配合表面被对齐，使得相对的配合表面彼此面对，且对应的光学耦合器粘合剂珠115、125被彼此相对地定位。步骤280，通过使玻璃板和光电二极管阵列的相对的表面朝向彼此，使得对应的光学耦合器粘合剂珠彼此相接触装配光子检测器，如图3所示-其描绘了制造期间的体现的光子检测器。
当这些光学耦合器粘合剂珠进行接触时，表面张力使得珠子形成图4所示的结构。如果光电二极管阵列随后被允许相对于玻璃板自由运动，则光电二极管将平移和/或旋转直至粘合剂珠的阵列的网面(net surface)张力最小。能够使用这种效应，以便在这些阵列的元件之间获得比由他们在初始定位获得的更好的对齐。
在一些实现中，步骤285，玻璃板和光电二极管阵列的相对表面之间的受控的垫块厚度(stand-off height)能够被建立。通过在相对的表面之间插入薄垫片或使用机械固定装置(mechanical fixture)能够获得该垫块厚度。步骤290，光学耦合器粘合剂被固化以结束在对应的光电二极管像素元件和闪烁体元件之间具有光学耦合器光导阵列的光子检测器的制造。
图4描绘了根据实施例的光子检测器400。光子检测器400包括闪烁体阵列120和光电二极管阵列110。在玻璃板和光电二极管之间，光子检测器400包括光学耦合器光导阵列140，其在对应的光电二极管像素元件和玻璃板之间具有光导元件145。光学耦合器光导阵列的每个元件将光从玻璃板与其接触的区域导向对应的光电二极管像素。光导的几何结构被优化，以增加从与附连到光导的玻璃板表面退出的光子将在SiPM的光敏区域中相互作用的概率。这种优化能够通过对玻璃板和光电二极管阵列两者的相对表面的润湿区域的边界的适当的设计来执行。另外，非润湿表面的修改能够被控制以获得特定的表面能，导致了对于任意相对表面粘合剂的特定润湿角都是独特的。用这种方式，光导元件的孔和进入/退出角都能够定制(tailored)。
如果玻璃板上的润湿图案的个别元件与SiPM上的对应微单元重合失调(misregistered)，对应的光学光导能够在其位置轻微变形(由于玻璃板区域的中心与对应的微单元的中心不对齐)。与传统的对齐技术相比，两个对应的玻璃区域和微单元区域之间的光学光导的这种物理变形，例如弯曲，提高了光从一者向另一者的耦合。
根据实现，个别光学光导元件传输线的弯曲和/或变形能够在制造期间被控制。当闪烁体阵列和光电二极管区域的相对表面被装配时，对应的光学耦合器粘合剂的珠最小化其表面能，且形成了沙漏形状。其中玻璃上的润湿区域比SiPM上的润湿区域大，且玻璃和SiPM之间的距离小于或等于SiPM的润湿区域，形状能够更类似于漏斗。
通过定制这些珠的接触角，得到的光学光导元件的形状能够被定制。如本领域技术人员所领会的，任何由该粘合剂形成的几何形状都表示三维弯月面，其具有通过粘合剂倒角(adhesive fillet)可获得的最小表面能。可识别的“沙漏”形状是由两个液体的放射状的对称体积正交重叠形成。在这个上下文中，个别元件的重合失调导致非正交倒角。如前所述，若干参数能够被控制以最小化非典型倒角的影响。作为示例，一个设计选项将会将相对于光电二极管阵列上的对应进入孔放大玻璃板上所有元件的退出孔(即，润湿区域)。所得到的粘合剂倒角将具有一般被描述为截锥的几何形状，其中在玻璃板处具有锥体的更宽的底部，而在光电二极管处具有锥形的的底部。这种几何形状将趋于沿着其轴导入光到光电二极管元件中。应当注意，倒角的精确的几何形状仍将包括与任何弯月面相关联的曲率；而且该锥体的轴将对于玻璃板和光电二极管阵列的平面是非正交的。在备选示例中，阵列内的特定元件的量化的重合失调能够通过对于被影响的元件是独特的润湿的和非润湿的区域的定制图案(custom pattern)而被解决。如前所述，这能够包括这些元件的一个或多个润湿区域的直径中的变化；备选地，椭圆或其他形状能够描述一个或两个表面的该润湿区域。
根据一些实施例，在光子检测器的装配期间，光电二极管元件与闪烁体元件的对齐有助于最小化相邻光电二极管之间的串扰。传统的将光电二极管装配到闪烁体上通常包括基于部件的边缘将这些部件手工对齐。由于光子检测器内的像素的尺寸减小，维持对齐是日益困难的步骤。优化光子检测器的每个闪烁体元件及其对应的光电二极管元件之间的光学耦合，同时消除相邻元件之间的串扰是主要的关键质量特性制造目标。使对齐变得复杂是目前闪烁体是以镶嵌(mosaic)方式制造——即，元件被胶合在一起，且在所有的部件上不具有相同的元件间距的事实。最小化光学粘合剂的厚度对于对齐和减少串扰是重要的。
根据一些实施例，在闪烁体和光电二极管阵列的对应元件之间形成有光学波导元件的光子检测器具有最大化的光效率。当从玻璃板退出的最大部分比的光子最终撞击到SiPM的光敏感区域上时，获得这种优化。对于某些的几何形状，对于玻璃板来说，不存在不具有光学耦合器的某个厚度的区域可以是必要的。本发明的一个实施例特别地提供了这种优化。根据该实施例，在保持光电二极管阵列的表面上的光导的几何形状的同时，能够形成光学耦合器在玻璃板的表面上的连续涂布。
图5描绘了根据这种实施例的光子检测器阵列的制造的工序500的流程图。在这个实施例中，由于玻璃上不需要非润湿区域的图案，工序500与工序200(图2)不同的是消除将非润湿薄膜沉积和图案化到玻璃板的表面上的步骤(即，步骤220和240)。
步骤510，非润湿薄膜被沉积在光电二极管阵列的表面上。在沉积之后，步骤520，沉积在个别SiPM微单元的光敏感区域周围上方的非润湿薄膜的区域可被移除和/或以化学方式修改。
在步骤530和540中，液态的光学耦合器粘合剂分别被分发在光电二极管阵列和玻璃板上。在光学耦合器粘合剂分发到玻璃板上期间，具有大约均匀厚度的薄膜能够被形成在板的配合表面上。板上的该均匀的粘合剂薄膜能够，例如，通过旋转该板来形成。
步骤550，玻璃板120和光电二极管阵列110的相对的配合表面被对齐，使得该相对的配合表面彼此面对。由于该板具有大约均匀的粘合剂层，在步骤550中将玻璃板与SiPM对齐所需要的精度低于工序200的步骤260中所需要的精度。步骤560，光子检测器通过使玻璃板和光电二极管阵列的相对表面朝向彼此而被装配。
在一些实现中，步骤570，玻璃板和光电二极管阵列的相对表面之间的受控的垫块厚度能够被建立。
步骤560，一旦与光电二极管阵列接触，光学耦合器就能形成锥形弯月面的阵列，而玻璃板将保持光学耦合器的连续层，尽管具有不同的厚度。步骤580，光学耦合器粘合剂被固化，以结束光子检测器的制造，该光子检测器在对应的光电二极管像素元件和闪烁体元件之间具有光学耦合器光导阵列。
尽管本文已经描述了特定硬件和方法，但注意，可根据本发明的实施例来提供任何数目的其它配置。因此，尽管已经示出、描述和指出了基本新颖特征，但将理解，所示的实施例的形式和细节以及实施例的操作中的各种省略、替换和变化可通过本领域的技术人员进行，而不脱离本发明的精神和范围。还完全意图和预期元件从一个实施例到另一个的替换。本发明仅关于附于该处的权利要求和其中叙述的等同物而单独地限定。
部件列表
100.光子检测器阵列
110.SiPM光电传感器
光电二极管阵列
115.光学耦合器粘合剂珠
120.玻璃板/闪烁体阵列
125.光学耦合器粘合剂珠
130.光学耦合器粘合剂阵列
140.光学耦合器光导阵列
145.光导元件

Claims (10)

1.一种用于装配光子检测器的方法，所述光子检测器包含定位在光学透明板和光电二极管阵列之间的光学光导阵列，所述方法包括：
在所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的至少一个的至少一个相对表面上沉积非润湿薄膜；
变更在光电二极管元件的区域中的沉积的非润湿薄膜；
将光学耦合器粘合剂分发到所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的至少一个上以在所述光学透明板或所述光电二极管元件上形成光学耦合器粘合剂珠；
将所述光学透明板和所述光电二极管阵列的所述相对表面对齐；
装配所述光学透明板和所述光电二极管阵列的所述相对表面，使得所述光学耦合器粘合剂珠接触所述相对表面；以及
固化所述光学耦合器粘合剂以形成在所述光学透明板和个别光电二极管元件之间具有光学光导元件的结构上合并的光子检测器。
2.根据权利要求1所述的方法，变更所述沉积的非润湿薄膜包含移除和化学改性所述非润湿薄膜中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，变更所述沉积的非润湿薄膜在所述光电二极管元件的中心周围处进行。
4.根据权利要求1所述的方法，沉积所述非润湿薄膜包含利用掩膜和剥离制程中的一个来施加所述非润湿薄膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学耦合器粘合剂珠具有大约相同的形状和体积，并且每个光学耦合器粘合剂珠大约集中在光电二极管元件上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，如通过由所述光学耦合粘合剂的表面张力引起的力所确定的，所述光学透明板相对于所述光电二极管阵列的对齐被允许包含对所述光学透明板和所述光电二极管阵列中的任一个或二者进行平移和旋转中的至少一个的运动。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学透明板是闪烁体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述闪烁体具有元件，并且分发步骤包含分发所述光学耦合器粘合剂以在对应的闪烁体元件和光电二极管元件上形成光学耦合器粘合剂珠。
9.根据权利要求8所述的方法，对齐所述相对表面包含将光学耦合器粘合剂的对应的珠定位成彼此相对。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学透明板是玻璃板。
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