CN107728189A

CN107728189A - 具有改进的空间增益均匀性和分辨率的x射线探测器以及制造这种x射线探测器的方法

Info

Publication number: CN107728189A
Application number: CN201710914899.1A
Authority: CN
Inventors: C·A·费许雷恩; H·施泰因豪泽; T·普尔特; H·J·科内利森
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2018-02-23
Also published as: EP2564240A2; JP5857036B2; WO2011135486A3; JP2013528792A; US9995831B2; EP2564240B1; RU2561756C2; US20130037723A1; WO2011135486A2; RU2012150349A; CN102870007A

Abstract

提出了一种X射线探测器(1)，包括诸如CMOS光探测器的光探测装置(3)、诸如CsI：Tl层的闪烁体层(5)、反射体层(9)和介于闪烁体层(5)和反射体层(9)之间的发光层(7)。发光层(7)可以包括OLED，并且可以制成小于50μm的厚度。由此，可以改进X射线探测器的灵敏度和分辨率。

Description

具有改进的空间增益均匀性和分辨率的X射线探测器以及制造这种X射线探测器的方法

本申请是2011年04月19日提交的申请号为201180020847.0、名称为 “具有改进的空间增益均匀性和分辨率的X射线探测器以及制造这种X射线探测器的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种空间增益均匀性和分辨率得到改进的X射线探测器。此外，本发明涉及一种生产这种X射线探测器的方法。

背景技术

X射线探测器通常包括将入射的X射线转换成光的闪烁体层以及光探测布置，诸如CMOS光探测器，其用于探测在闪烁体层之内生成并入射在光探测布置的检测表面上的光。

已经观察到，这样的X射线探测器可能有幻像的问题。因此，WO 2008/126009提出使用次级辐射源利用波长不同于入射X射线波长的次级辐射辐照闪烁体层。通过辐照这样的次级辐射，所提出的X射线探测器可能能够产生闪烁体对入射X射线在空间上更均匀的响应。例如，可以使用发光片或LED侧光波导板来提供次级辐射。在“背发光”布置中，可以将次级辐射源放置在光探测装置后方。在这种情况下，光探测装置应当具有透明承载基底。或者，在“前发光”布置中，可以将次级辐射源放置在闪烁体层上方。在这种情况下，次级辐射源应当对X射线基本透明并对这种辐射而言是鲁棒的。

发明内容

可能有利的是提供一种空间增益均匀性和分辨率得到改进的X射线探测器。具体而言，可能有利的是提供一种具有高且均匀分辨率并防止幻像的X射线探测器。此外，可能有利的是提供制造简单且廉价的X射线探测器。此外，可能有利的是提供制造这种X射线探测器的方法。

根据本发明的第一方面，描述了一种X射线探测器，其包括光探测装置、闪烁体层、反射体层和发光层。其中，光探测装置适于探测入射在其探测表面上的光并可以利用例如CMOS或CCD实现。闪烁体层适于将入射 X射线转换成光。闪烁体层可以布置于光探测装置的探测表面的顶部。反射体层适于在朝向光探测装置的方向上反射闪烁体层之内生成的光。例如，反射体层可以是利用例如金属涂层的镜面层。发光层介于所述闪烁体层和所述反射体层之间。

本发明第一方面的要点可以是，包括闪烁体层顶部发光层和反射体层组合的X射线探测器可以展现出增强的响应性，同时能够防止幻像。可以由反射体层朝着光探测装置的探测表面反射在闪烁体层内于X射线入射时生成的光。由此，可以提高探测器的响应性。此外，发光层发射的光可以到达与其相邻布置的闪烁体层。例如，可以在闪烁体层没被X射线辐照的期间内发射这样的次级光。利用这样的次级光辐照，可以减少幻像的形成。可以利用非常成熟的方法，诸如层沉积或层生长，来很容易地且有成本效率地制造包括闪烁体层、反射体层和中间发光层的层堆栈。

根据实施例，闪烁体层与反射体层之间的距离小于50μm，优选小于 20μm。换言之，在发光层直接在一个表面邻接闪烁体层，在相反表面邻接反射体层的情况下，发光层的厚度应当小于50μm或者优选小于20μm。

已经发现，闪烁体层的顶表面与反射体层的底表面之间的大距离可能导致探测器的调制传递函数(MTF)性能或分辨率性能的劣化。因此，这样的距离应当尽可能小，并且已经观察到这种距离的上限50μm或优选20 μm得到实际应用可接受的MTF或分辨率性能。

根据本发明的实施例，发光层包括OLED(有机发光二极管)。

OLED能够以低成本容易地生产。此外，可以修改常规的OLED结构，以便将OLED的厚度减小到小于50μm，由此满足结合先前实施例解释的要求。

可以将OLED提供为包括层堆栈的顶发射OLED箔或者底发射OLED 箔，所述层堆栈包括发光层、电极层、保护层和任选的支撑层。如下文进一步详细所述，可以针对层堆栈的布置和生产做出规定，以便保持层堆栈的厚度小于50μm。

根据本发明的实施例，发光层被分成子块。换言之，并非在闪烁体层和反射体层之间介于一个大面积发光层，其中，这种大面积发光层基本与闪烁体层具有相同的表面面积，而是可以将发光层分成子块，每个子块具有仅为闪烁体层面积分数的面积。那么多个子块的组合可以覆盖闪烁体层的整个区域。

与闪烁体层的整个面积相比单个子块的面积减小可以允许发光层在激活时有快速响应，因为这种OLED子块的电容C，因此RC时间保持很小。因此，这样的子块化OLED发光层可以适于脉冲工作，例如当仅在没有X 射线入射到X射线探测器上时的时段中激活发光层时。可以串联连接各子块以受益于低工作电流，以及因此受益于减小的电阻损耗。或者，可以逐个对子块寻址。

根据另一实施例，发光层包括金属分路线。分路线可以减小电阻损耗并改善来自OLED发光层的发射均匀性。可以将这样的分路线提供为具有例如矩形或六角形几何形状的金属线网格。金属线可以具有小于1μm的厚度，因此可能对X射线的探测性能没有可测量到的不利效应。

根据本发明的第二方面，提出了一种制造X射线探测器的方法。该方法包括提供光探测装置、提供闪烁体层、提供反射体层以及提供介于闪烁体层和反射体层之间的发光层。其中，X射线探测器的部件可以具有上文结合本发明第一方面所述的特性。可以将光探测装置提供为具有二维分辨率的半导体光探测器，诸如CMOS或CCD光探测器，并可以利用常规半导体技术生产。可以利用各种层生成方法，诸如层沉积或层生长，包括例如 CVD、PVD、外延等技术，来生产包括闪烁体层、反射体层和中间发光层的层堆栈。其中，如下文更详细所述，可以特定地调整层的布置、层的制备和层彼此之间或者到光探测装置的附着，以便实现X射线探测器的有利性质。具体而言，可以通过特定地调整插入的发光层及其与相邻的闪烁体层和反射体层的附着，将闪烁体层和反射体层之间的距离保持很小。

尽管可以首先独立地生产发光层、反射体层和闪烁体层并随后将其彼此附着，但可能有利的是集成组合这样的层。例如，发光层可以包括集成于其中的反射体层。

根据实施例，所述发光层具备OLED，其中，形成OLED的层直接沉积到闪烁体层的表面上。这样的技术可以有益地利用如下事实：可以在低于闪烁体典型工艺温度的温度下进行完整的OLED处理。因此，可以直接在闪烁体上沉积OLED堆栈，并可以获得诸如工艺简单，减少制造和操控步骤以及减小OLED发光层厚度的优点。

根据本发明的备选实施例，闪烁体层直接生长到发光层的表面上。同样地，可以生产出包括发光层和闪烁体层，优选还包括反射体层的层堆栈，使其具有有利的操控和厚度特性。

必须要指出，本发明的实施例在此是参考不同主题描述的。具体而言，一些实施例是参考设备型权利要求描述的，而其他实施例是参考方法型权利要求描述的。然而，本领域的技术人员将从以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了属于一种主题的特征之外，涉及不同主题的特征之间，尤其是X射线探测器特征和生产X射线方法特征之间的任何组合，也被认为是本申请公开的。

上述实施例的各方面和本发明的其他方面可以从下文描述的示范性实施例而显而易见，但本发明不限于此。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的X射线探测器的截面。

图2示出了根据本发明实施例的X射线探测器子块阵列的前视图。

图3示出了根据本发明备选实施例的X射线探测器子块阵列的前视图。

图4示出了根据本发明实施例的X射线探测器的子块细节。

图5示出了根据本发明实施例的用于X射线探测器的示范性顶发射 OLED箔的截面。

图6示出了根据本发明实施例的用于X射线探测器的示范性底发射 OLED箔的截面。

所有附图都仅仅是示意性的，且不成比例。在所有附图中用类似附图标记表示类似特征。

附图标记列表：

1 X射线探测器

3 光探测装置

5 闪烁体层

7 反射体层

8 OLED箔

9 发光层

11 支撑基底层

12 探测表面

13 光敏元件

14 封装层

15 子块

17 负电极

19 正电极

21 发光区域

23 分路线

31 封装层

33 透明阴极

35 LEP层

37 PEDOT层

39 导体层

41 绝缘层

43 金属层

45 非金属基底

47 阻挡层

51 阻挡层

53 阴极

55 LEP层

57 PEDOT层

59 阻挡层

61 聚酰亚胺膜

具体实施方式

图1示出了X射线探测器1的实施例的截面。X射线探测器1包括光探测装置3、闪烁体层5、反射体层9和发光层7。

光探测装置3是基于硅晶片的CMOS光探测器，在其探测表面12处包括光敏元件13的阵列。光敏元件13适于探测入射到其上的光并在这种探测时生成电信号。在本文中，“光”可以指比X辐射波长显著更长的电磁辐射。具体而言，“光”可以包括可见波长范围以及紫外和/或红外波长范围的部分。例如，可以提供从350-1050nm范围中的光敏性。

在探测表面12顶部并与其邻接，提供闪烁体层5。闪烁体层可以包括掺杂晶体，诸如掺有铊的碘化铯(CsI：Tl)。例如，闪烁体层5可以具有 200到700μm的厚度。

在闪烁体层5顶部，与探测表面12相反的表面上，提供OLED(有机发光二极管)箔8。OLED箔8包括发光层7，其适于在向其施加电压时例如在300-500nm波长范围中发光。在发光层7与闪烁体层5之间，OLED 箔8包括薄的封装层14。封装层14可以具有1到50μm的厚度。在发光层 7的相反表面上，提供薄金属层充当反射体层9。这一金属层可以是平滑的铝层，充当光的反射镜。金属层可以非常薄，例如小于10μm，优选小于1 μm，优选在50-500nm范围中，使得入射的X射线(图1中由箭头X表示) 可以基本通过金属层透射。在OLED箔8的外表面提供支撑基底层11。支撑基底层11可以具有例如0.05-3mm的厚度，可以在操作OLED箔期间对其进行机械稳定。支撑基底层11应当基本透射X射线，可以由例如玻璃或塑料制成。

如图1中由箭头X所示，X射线可以被辐照到X射线探测器1上并且可以通过OLED箔8透射，因为OLED箔8包括由基本上不吸收X射线的材料制成的，诸如发光层7、支撑基底层11或封装层14的各层，以及由X 射线吸收材料制成的但厚度非常小的，诸如金属反射体层9的各层。在闪烁体层5之内，X射线被吸收并转换成光。这束光的一部分可以沿离开探测表面12并朝向OLED箔8，如箭头B所示的方向被发射。这束光可以在镜面反射体层9处被反射，如箭头R所示，并因此可以达到探测表面12。因此，可以提高X射线探测器1的灵敏度。

应当制备并布置OLED箔8，从而可以为发光层7和任何其他层，例如介于反射体层9和闪烁体层5之间的封装层14，提供层堆非常小的厚度，例如小于50μm，优选小于20μm。由此，反射体层9的下表面和闪烁体层 5的上表面之间的距离d可以保持很小，即小于50μm。由于这个小距离的原因，介于的发光层7对探测器的MTF性能或分辨率没有显著的负面影响。

尽管利用X射线探测器，通过在闪烁体层5之内将X射线转换成光，然后利用光探测装置3探测光来有效地探测X射线照射，但在利用后续X 射线照射脉冲辐照时，在类似常规基于闪烁体的X射线探测器中观察到所谓的幻像问题。换言之，在后续X射线照射脉冲图像中可以看到先前X射线照射脉冲图像的残余。在WO 2008/126009A2中也解释了这种效应。为了防止这样的幻像，可以在后续X射线照射脉冲之间的时间内利用发光层 7发射的光辐照闪烁体层5。如箭头V所示，发光层7可以在300-500nm 的波长范围中发光，作为X射线照射脉冲之间的发光脉冲。发光脉冲可以 “重置”闪烁体层5，由此防止幻像。

为了允许发光层5的这样的脉冲工作，发光层应当具有短响应时间。对于例如20×30cm²的大探测器面积而言，具有这样大面积的发光层7可能具有大的电容C。这样的大电容C可能导致发光层7的RC时间增加，以均匀照射探测器区域。

因此，如图2和3所示，可能有利的是将发光层7分成子块15。每个子块15都可以具有例如4×4cm²的小面积，因此可以具有减小的电容，实现更快的RC时间。每个子块15可以具有包封发光区域21的正电极19和负电极17。可以串联连接各子块15以受益于更低的工作电流并因此减小电阻损耗。或者，可以逐个对子块15寻址。

如图3所示，可以布置子块15'，从而为所有子块15'提供公共的正电极 19'。

图4示出了子块15″的细节。为了进一步减小电阻损耗并改善子块15″ 的发光区域21″的发射均匀性，可以使用额外的金属分路线23。这些分路线 23可以具有例如低于1μm的厚度，可以由例如铝制成。分路线23可以形成矩形或六角形网格。由于它们的厚度小，分路线对X射线探测性能没有可测量到的负面效应，尤其是在局部偏移和增益校准之后。

图5和6示出了根据本发明实施例可以用于X射线探测器的OLED箔 8'、8″。可以利用OLED发光层发光侧上异常薄的透明保护层制造专用的 OLED箔。这一保护层应当具有优异的防潮性，应当小于50μm厚，优选小于20μm甚至更薄。组装中的下一步可以是在通过胶合向光探测装置3，例如CMOS探测阵列，附着这个闪烁体层5之前或之后，在闪烁体层5顶部层压或胶合箔8。可以区分不同类型的OLED箔。

图5示出了顶部发射OLED箔8'。如名称所示，从箔8'的顶部通过透明阴极，如箭头V所示，发射光。可以通过层压或胶合，在闪烁体层5的顶表面上安装OLED箔8'的顶部发光表面，即上下颠倒。

将从底部到顶部，即按照沉积层的可能次序，解释OLED箔8'的层堆：

-在常规OLED堆栈中，通常使用金属箔实现两个目的，即充当基底，对箔进行机械稳定，并充当电极，用于电连接相邻层。然而，这样的金属箔通常具有超过10μm的厚度，常常超过50μm。在布置于X射线探测器的探测表面前方时，这样的金属箔会显著吸收入射的X射线，由此防止它们到达下方的闪烁体层5。因此，提出使用非金属基底45，例如厚度为50-150 μm的塑料箔充当基底并对OLED箔8进行机械稳定。在非金属基底45顶部，可以沉积几微米厚度的阻挡层47以及厚度例如为100nm到几微米并例如用铝制造的金属层43。或者，厚度为0.1-3mm的薄玻璃基底可以用于机械稳定并可以被涂布微米厚度范围的金属层。

-金属层43的表面部分可以涂有绝缘层41和其上的导体层39。两层 41、39都可以具有大约100nm的厚度。

-在横向与绝缘层41相邻的区域中，可以在金属层43上沉积包括例如有机透明导体，例如ITO(氧化铟锡)的PEDOT-层37(聚(3，4-乙烯二氧噻吩)，常常混合有PSS＝聚(苯乙烯磺酸))。PEDOT层37可以具有30-60 nm的厚度。

-可以在PEDOT层37上沉积发光聚合物(LEP)层35或低聚物多层堆栈。LEP层35可以具有大约80nm的厚度。导体层39和金属层43可以充当通往LEP层35的电极。

-在LEP层35上，沉积与导体层39电接触的透明阴极33。透明阴极 33可以包括层堆栈，包括5nm厚的钡层、15nm厚的银层和30nm厚的硫化锌层(5nm Ba/15nm Ag/30nm ZnS)。

-薄的高性能膜封装31包封下方层33、35、39、41、37。封装层31 可以用例如(SiN_x/SiO_x)_5-8/SiN_x制成，并具有几微米的总厚度，例如小于20 μm。

-任选地，可以涂布厚度例如为3-30μm的额外保护涂层(图5中未示出)。尽管封装可以对小到大约20mm半径的受控弯曲是鲁棒的而没有劣化，但其可能易受机械操作影响，可能在闪烁体层5上层压箔8'之前和期间需要一些保护。这种功能也可以(部分)由层压胶提供。

应当指出的是，出于清晰的原因，图5未示出任何用于阴极或阳极的分路线或汇流条。

作为图5中所示的顶部发射OLED箔8'的备选，可以使用图6所示的底部发射OLED箔8″。其中，就电极和封装而言，层结构可以在布局上更标准，因为结构可以基本与玻璃基底上能够制造的相同。与常规OLED结构相比，这种OLED结构的关键差别可能是箔8底侧非常薄的支撑层，其可以附着于闪烁体层5并通过其发射光，如箭头V所示。

从顶部到底部，图6中所示的OLED层8″的层堆栈可以包括：

-厚度例如为25-100μm的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)盖箔或涂层(图中未示出)。

-包括(SiN_x/SiO_x)_5-8/SiN_x并具有几微米总厚度的TFE(薄膜封装)层 51。

-厚度大约为100nm的铝阴极53。

-厚度大约为80nm的LEP层或小分子堆栈55。

-厚度大约为80-100nm的ITO层和/或PEDOT层57。

-厚度大约为100nm的分路线和/或汇流条(图中未示出)。

-总厚度为几微米，包括(SiN_x/SiO_x)_5-8/SiN_x的阻挡层59。

-优选透明并且厚度大约为10μm的聚酰亚胺膜61。

-暂时地，在制造层堆栈时，可以提供玻璃载体基底，接下来，在完成层堆栈之后可以去除它，以便减少层堆栈的总厚度。

为了制备上述箔堆栈，可以使用诸如玻璃基底的标准载体基底，在制造箔8″之后，例如通过UV激光释放，同样将其去除。在这个基底上，可以沉积聚酰亚胺薄层，其既可以充当释放层又可以充当OLED箔的支撑层。由于聚酰亚胺可能对水不是密封的，可能需要薄的阻挡层，类似于图5中所示范例中的封装层31。制造过程的其余部分可以是标准的。在封装之后，可以涂布额外的保护覆盖箔或涂层51，其中，对这种封装层没有厚度要求。

为了制造根据本发明实施例的X射线探测器，可以向闪烁体层5的顶表面上层压图5所示的顶发射箔8'或图6所示的底发射箔8″。

作为备选制造方法，可以直接在闪烁体层5(或其阻挡层)顶部沉积完整的OLED堆栈。这种方法可以利用如下事实：可以在低于例如150℃的温度下进行完整的OLED处理，该温度可以显著低于闪烁体层5以及例如用作光探测装置3的CMOS阵列的工艺温度。这可能实现若干优点。例如，可以使制造过程保持简单和兼容。可以不需要独立的箔操纵和层压。可以减小集成到OLED中的反射器9和闪烁体层5之间的层间距离，以改善MTF 性能。可以在向光探测装置3附着闪烁体层5之前或之后进行OLED堆栈的沉积。

OLED层堆栈自上而下可以包括：

-阻挡和覆盖箔。对于封装包括闪烁体的总OLED堆栈而言这可能具有吸引力，以便实现额外的保护和/或对闪烁体阻挡技术规范的放宽要求。

-包括接触以及任选的分路线的OLED层。

-阻挡层。

-任选地，闪烁体阻挡涂层。

所有这些层都可以直接沉积在闪烁体层上，闪烁体层自身可以附着于 CMOS光探测装置。

由于在这种方法中，OLED堆栈直接沉积到闪烁体层上，所以在闪烁体层或其涂层和OLED堆栈之间可以不提供胶水或粘合剂。因此，可以将 OLED堆栈的总厚度减少这样粘合层的厚度，通常为10-25μm。于是，可以显著减小闪烁体层5的上表面和OLED上方反射体层9之间的距离。同样情况是真实的，因为OLED未必具有例如由玻璃、塑料或金属箔制成的任何基底，此外，未必具有例如从聚酰亚胺制造的支撑层。

作为另一备选制造方法，可以直接向发光层7，例如OLED堆栈的表面上生长闪烁体层5。这种方法可能取决于允许的OLED温度稳定性，对于200℃，其应当大约为两个小时。优点可能类似于利用闪烁体层上沉积 OLED的以上制造方法获得的优点。同样，闪烁体层(或其涂层)和OLED 层之间可以必须要胶水或粘合剂。

向OLED堆栈上这样生成闪烁体层的结果，与常规制造方法相比，闪烁体结构可以不同。典型地，生长闪烁体层从薄的固体层开始，继续以密堆积的垂直柱形式生长。因此，利用这种制造方法，起始基底层面对OLED 而非常规X射线探测器中通常那样面对柱末端。

应当指出，术语“包括”不排除其他元件或步骤，量词“一”或“一个”不排除多个元件。还应当指出，权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。

Claims

1.一种X射线探测器(1)，包括：

光探测装置(3)，其用于探测入射在所述光探测装置的探测表面(12)上的光(R)；

闪烁体层(5)，其用于将入射的X射线(X)转换成光；

反射体层(9)，其用于朝着所述光探测装置反射在所述闪烁体层内生成的光(B)；以及

发光层(7)，其介于所述闪烁体层和所述反射体层之间，

其中，所述闪烁体层和所述反射体层之间的距离(d)小于50μm，以获得可接受的调制传递函数(MTF)或分辨率性能，并且

其中，所述发光层包括OLED(8)。

2.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中，所述OLED具备顶发射OLED箔(8')，并且

其中，所述距离(d)小于20μm。

3.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中，所述顶发射OLED箔以其顶侧表面附着至所述闪烁体层。

4.根据权利要求2或3所述的X射线探测器，其中，所述顶发射OLED箔包括机械稳定非金属基底(45)和涂布到所述基底上的金属层(43)。

5.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中，所述OLED具备底发射OLED箔(8”)。

6.根据权利要求5所述的X射线探测器，其中，所述底发射OLED箔以其底侧表面附着至所述闪烁体层并且在所述底发射OLED箔的底侧包括支撑层(61)，所述支撑层的厚度小于50μm。

7.根据权利要求1至2中的任一项所述的X射线探测器，其中，所述发光层被分成子块(15)。

8.根据权利要求1至2中的任一项所述的X射线探测器，其中，所述发光层包括金属分路线(23)。

9.一种制造X射线探测器的方法，所述方法包括：

提供光探测装置(3)，以用于探测入射在所述光探测装置的探测表面(12)上的光(R)；

提供闪烁体层(5)，以用于将入射的X射线(X)转换成光(B)；

提供反射体层(9)，以用于朝着所述光探测装置反射在所述闪烁体层内生成的光(B)；并且

提供介于所述闪烁体层和所述反射体层之间的发光层(7)，

其中，所述发光层包括OLED(8)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述OLED的层直接沉积到所述闪烁体层的表面上，并且

其中，所述距离(d)小于20μm。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述闪烁体层直接生长到所述发光层的表面上。