CN109841636B - X射线探测器、x射线探测器光电转换层的制造方法及医用设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种X射线探测器、X射线探测器光电转换层的制造方法及一种医用设备，所述X射线探测器包括：闪烁体，位于X射线探测器的入光侧并将X射线转换成可见光；感光层，所述闪烁体的出光侧，并对可见光进行光电转换，感光层包括透明导电薄膜及光电转换层，透明导电薄膜位于闪烁体与光电转换层之间；光电转换层为均匀的多孔结构，孔内填充有硅颗粒；信号读取装置，信号读取装置与感光层电连接；遮光件，位于闪烁体与信号读取装置之间且与信号读取装置有源层的位置对应，以遮挡有源层的入射光。本发明具有灵敏的光电转换性能，且光电转换效率很高。
Description
技术领域
本发明涉及探测器领域，特别涉及一种X射线探测器、X射线探测器光电转换层的制造方法及具有该X射线探测器的医用设备。
背景技术
X射线探测器广泛应用于医疗仪器上，如，利用X射线进行胸透成像；在现有技术中，X射线探测器的光电转换功能主要由非晶硅感光层完成，X射线经闪烁体(目前主要为CsI)转换成可见光，再经非晶硅感光层将可见光转换成电信号并由信号读取装置(Thinfilm transistor,简称TFT)将电信号输出。由于非晶硅的结构不够稳定、光转换效率低，导致非晶硅感光层吸收的光波范围较宽，对光的转换不够灵敏，直接影响了X射线探测器的光电转换效率。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种X射线探测器，旨在解决现有技术中X射线探测器的非晶硅感光层吸收的光波范围较宽，对光的转换不够灵敏的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种X射线探测器，其特征在于，所述X射线探测器包括：闪烁体，位于所述X射线探测器的入光侧并将X射线转换成可见光；感光层，位于所述闪烁体的出光侧，并对所述可见光进行光电转换，所述感光层包括透明导电薄膜及光电转换层，所述透明导电薄膜位于闪烁体与所述光电转换层之间；所述光电转换层为均匀的多孔结构，孔内填充有硅颗粒；信号读取装置，所述信号读取装置与所述感光层电连接；遮光件，位于所述闪烁体与信号读取装置之间且与所述信号读取装置有源层的位置对应，以遮挡所述有源层的入射光。
可选地，所述硅颗粒为纳米硅。
可选地，所述多孔结构由SixOy形成。
可选地，所述感光层还包括P掺杂层与N掺杂层；所述P掺杂层位于所述光电转换层的入光侧且处于所述透明导电薄膜与所述光电转换层之间，所述N掺杂层位于所述光电转换层的出光侧。
可选地，所述感光层还包括绝缘介质，所述P掺杂层与N掺杂层包裹于所述绝缘介质内，使得P掺杂层与N掺杂层绝缘。
可选地，所述X射线探测器还包括：保护层，所述保护层填充于所述信号读取装置与所述闪烁体之间的空隙，将所述遮光件、感光层及信号读取装置与外界环境隔离。
可选地，所述信号读取装置为薄膜晶体管组成的阵列基板。
本发明还提出一种X射线探测器光电转换层的制造方法，其特征在于，所述X射线探测器光电转换层的制造方法包括如下步骤：在将SixOy通过化学气象沉积时，控制酒精溶液中表面活性剂的浓度处于35％～70％之间，使SixOy形成均匀的多孔结构；将硅烷气体充入具有多孔结构的SixOy酒精溶液中，同时充入氢气，使所述硅烷在SixOy的孔洞内形成单质硅颗粒。
可选地，所述硅烷气体以脉冲的方式充入所述SixOy酒精溶液中。
本发明还提出一种医用设备，包括如上所述的任一项X射线探测器，所述医用设备还包括成像装置，所述成像装置与所述信号读取装置电连接。
本发明技术方案通过将X射线探测器中感光层内的非晶硅构成的光电转换层更换为具有均匀多孔结构且孔内填充有硅颗粒的光电转换层，并利用具有均匀多孔结构且孔内填充有硅颗粒的光电转换层对可见光进行光电转换，使感光层将光信号转换为电信号，由于处于均匀多孔结构内的硅颗粒尺寸均匀，对光波的吸收比非晶硅更加稳定，使得利用介孔硅作为光电转换层的X射线探测器具有更加灵敏的光电转换性能，光电转换效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明感光层一实施例的结构示意图；
图2为本发明X射线探测器的一实施例的结构示意图；
图3为本发明X射线探测器的另一实施例结构示意图；
图4为不同的表面活性剂浓度及不同温度下的SixOy形态关系图；
图5为光电转换层结构成型的流程示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 闪烁体 | 61 | P掺杂层 |
| 20 | 保护层 | 62 | N掺杂层 |
| 30 | 遮光件 | 70 | 有源层 |
| 40 | 透明导电薄膜 | 80 | 感光层 |
| 50 | 漏极 | 91 | Si<sub>x</sub>O<sub>y</sub> |
| 60 | 介孔硅层 | 92 | 硅颗粒 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-3所示，本发明提出一种X射线探测器，其特征在于，所述X射线探测器包括：闪烁体10，位于所述X射线探测器的入光侧并将X射线转换成可见光；感光层，位于所述闪烁体10的出光侧，并对所述可见光进行光电转换，所述感光层包括透明导电薄膜及光电转换层，所述透明导电薄膜位于闪烁体10与所述光电转换层之间；所述光电转换层为均匀的多孔结构，且孔内填充有硅颗粒92；信号读取装置(图中未标示)，所述信号读取装置与所述感光层电连接；遮光件，位于所述闪烁体10与信号读取装置之间且与所述信号读取装置有源层70的位置对应，以遮挡所述有源层的入射光。
在本实施例中，闪烁体10的主要成份为CsI，X射线从闪烁体10的入光侧进入闪烁体10，由闪烁体10转换为可见光，感光层80经所述可见光爆光后，感光层80产生光电效应，将光信号转换为电信号，由于感光层80与信号读取装置的漏极50电连接，所述电信号经信号读取装置输出，实现了X射线探测器的光电转换功能。由于信号读取装置内具有一非晶硅层，若有可见光进入信号读取装置，会导致信号读取装置内传输的电信号发生变化，因此，为了防止可见光进入信号读取装置，在信号读取装置的入光侧设置有遮光件30，遮光件30挡住射向信号读取装置有源层70的光线，使得信号读取装置只传输来自于感光层80的电信号，完成对感光层80的信号读取功能。
如图1所示，在本实施例中，光电转换层具有介孔结构，且所述介孔结构均匀，孔内填充有硅颗粒92，形成介孔硅层60；所述均匀的多孔结构由SixOy91形成，在介孔硅成膜时，通过不同的界面活性剂来控制孔的大小，从而控制填充于孔中的硅颗粒92的大小。
所述硅颗粒92为纳米硅。硅颗粒92的尺寸由孔的大小决定，孔越大，填充于孔中的硅颗粒92越大，吸收的光波越长。均匀的孔结构使得填充于其内的硅颗粒92大小均匀，因此对光波长的吸收稳定，光电转换也更加灵敏。
其中，透明导电薄膜40位于闪烁体10与光电转换层之间，与介孔硅层60电连接，透明导电薄膜40用于施加电压，光从透明导电薄膜40射入介孔硅层60，由介孔硅层60将电信号转换成光信号。
作为一种实施例，所述感光层80还包括P掺杂层61与N掺杂层62；所述P掺杂层61位于所述介孔硅层60的入光侧且处于所述透明导电薄膜40与所述介孔硅层60之间，所述N掺杂层62位于所述介孔硅层60的出光侧；所述感光层80还包括绝缘介质，所述P掺杂层61与N掺杂层62包裹于所述绝缘介质内，使得P掺杂层61与N掺杂层62绝缘。
当感光层80与信号读取装置连接时，P掺杂层61、介孔硅层60及N掺杂层62形成的结构其作用类似于电容，防止介孔硅层60光电效应产生的电信号流失，使得所述电信号能够最大程度地流向信号读取装置。在本实施例中，所述信号读取装置为由薄膜晶体管(Thinfilm transistor,简称TFT)组成的阵列基板，阵列基板将读取的电信号传送至外接显像设备，完成电信号的输出。
感光层80的位置具有两种设置形式，第一种为：感光层80位于所述闪烁体10与所述遮光件30之间，第二种为：感光层80及遮光件30并排设置于闪烁体10与所述信号读取装置之间。
如图2所示，当感光层80位于闪烁体10与遮光件30之间时，介孔硅层60与信号读取装置漏极50之间通过导线电连接，介孔硅层60产生的电信号通过信号读取装置读取。这种设置形式使得感光层80能够大面积地接受可见光照射，不受信号读取装置的限制，具有很高的光电转换效率。当X射线探测器应用于医用设备时，感光层80位于闪烁体10与遮光件30之间的设置形式可以减少病人在X射线下的照射时间或降低X射线的照射强度，由于X射线探测器具有很高的光电转换效率，可以达到同样的成像效果，因此降低了X射线对病人的影响。
如图3所示，感光层80的第二种设置形式：即，感光层80及遮光件30并排设置于闪烁体10与所述信号读取装置之间；此时，介孔硅层60穿透信号读取装置的绝缘保护层与所述信号读取装置的漏极50电连接，由于介孔硅层60与信号读取装置的漏极50直接接触，介孔硅层60光电效应产生的电信号可以直接从漏极50进入信号读取装置，因此，介孔硅层60可以单独设置，不需要P掺杂层61与N掺杂层62。
在感光层80的上述两种设置形式中，介孔硅层60均可不需要P掺杂层61与N掺杂层62，独立与透明导电薄膜40形成感光层80；也可均包含有P掺杂层61与N掺杂层62共同形成感光层80，对来自闪烁体10的可见光进行光电转换。在实际生产中，P掺杂层61与N掺杂层62的制作流程复杂，价格昂贵，直接省去P掺杂层61与N掺杂层62的形式大大降低了X射线探测器的生产成本，简化了工艺流程。
利用介孔硅作为光电转换层的感光层80具有更加灵敏的光电转换性能，且光电转换效率更高，因此，将本实施例应用于X射线探测器时，X射线探测器具有更加灵敏的光电转换性能，且光电转换效率也优于利用非晶硅二极管进行光电转换的X射线探测器。
为了防止在制造的过程中P掺杂层61与N掺杂层62通电，造成制作失败，所述感光层80还包括包绕所述P掺杂层61与N掺杂层62的绝缘介质，以使所述P掺杂层61与N掺杂层62绝缘。
进一步地，所述X射线探测器还包括：保护层20，所述保护层20填充于所述信号读取装置与所述闪烁体10之间的空隙，将所述遮光件30、感光层80及信号读取装置与外界环境隔离。
为了防止电信号流失，X射线探测器的各元件需要严格地与外界环境隔绝，因此，所述X射线探测器还包括保护层20，所述保护层20填充于所述信号读取装置与所述闪烁体10之间的空隙，以将所述遮光件30、感光层80及阵列基板与外界环境隔离。
在一实施例中，所述保护层20与所述绝缘层可为同一种物质，如SiNx，也可为不同物质，如绝缘层为SiNx，而保护层20为SiOx，此时绝缘层与保护层20分开设置。
本发明还提出一种X射线探测器光电转换层的制造方法，所述X射线探测器光电转换层的制作方法包括如下步骤：在将SixOy通过化学气象沉积时，控制酒精溶液中表面活性剂的浓度处于35％～70％之间，使SixOy形成均匀的多孔结构；将硅烷气体充入具有多孔结构的SixOy酒精溶液中，同时充入氢气，使所述硅烷在SixOy的孔洞内形成单质硅颗粒92。
具体地，所述硅烷气体以脉冲的方式充入所述SixOy酒精溶液中。
如图4所示，在本实施例中，SixOy91多孔结构在酒精溶液中形成，酒精溶液中含有表面活性剂诱导SixOy形成均匀的孔结构，酒精的挥发使表面活性剂的浓度升高，当表面活性剂的浓度接近10％时，SixOy91开始形成孔状结构，当浓度达到35％以后，SixOy91的孔结构相对均匀，且相互间紧密排列成蜂窝状，这种状态一直持续到表面活性剂的浓度超过70％，当浓度超过70％后，SixOy91形成层状液晶，不便于填充硅颗粒92。
孔的大小由不同的表面活性剂控制，如，P123使SixOy91的孔结构的尺寸处于5nm～7nm范围内，CTAB使SixOy91的孔结构的尺寸处于2.5nm～4.5nm范围内，F127使SixOy91的孔结构的尺寸处于2.5nm～4.5nm范围内；此时，填充于孔内的硅颗粒92亦限制在对应的尺寸范围内，达到控制硅颗粒92大小的目的。由于固定尺寸的硅颗粒92只能吸收特定波长的光，使得介孔硅结构能够稳定地吸收波长在特定范围内的光，因此介孔硅相较于非晶硅对光具有更灵敏的反应和更高效率的光电转换效率。可以理解的，表面活性剂的种类并不仅限于上述三种。
在一实施例中，硅烷气体以脉冲的方式充入SixOy酒精溶液中，同时充入氢气，但氢气持续充入，以使硅烷能够进入SixOy91的孔结构内，与其中的氧离子及氢氧离子相互作用形成硅颗粒92，填充于SixOy91的孔结构中。如图5所示，在SixOy91的孔结构中，硅与SixOy y91内壁上的氧离子与氢氧离子结合，当氧离子与氢氧离子的数量不足时，硅离子会与硅离子结合，形成硅颗粒92，因此，氧离子与氢氧离子的浓度越小，硅颗粒92越大。
可以理解的，氢气与硅烷的充入方式并不受上述两种的限制，只要能够实现硅烷在SixOy91的孔结构中生成硅颗粒92即可。
本发明还提出一种医用设备，该医用设备包括前述X射线探测器及成像装置，所述X射线探测器与成像装置电连接，X射线探测器因光电效应产生的电信号经成像装置形成影像。
在本实施例中，由于X射线探测器内起光电转换功能的感光层80具有灵敏且高效的光电转换性能，因此，在同样的成像效果下，可以降低X射线的照射强度或照射时间，减少对病人的影响。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种X射线探测器，其特征在于，所述X射线探测器包括：
闪烁体，位于所述X射线探测器的入光侧并将X射线转换成可见光；
感光层，位于所述闪烁体的出光侧，并对所述可见光进行光电转换，所述感光层包括透明导电薄膜及光电转换层，所述透明导电薄膜位于闪烁体与所述光电转换层之间；所述光电转换层为均匀的多孔结构，且孔内填充有硅颗粒；
信号读取装置，所述信号读取装置与所述感光层电连接；
遮光件，位于所述闪烁体与信号读取装置之间且与所述信号读取装置有源层的位置对应，以遮挡所述有源层的入射光；
其中，所述光电转换层的制造方法包括如下步骤：
在将SixOy通过化学气相 沉积时，控制酒精溶液中表面活性剂的浓度处于35％～70％之间，使SixOy形成均匀的多孔结构；
将硅烷气体充入具有多孔结构的SixOy酒精溶液中，同时持续充入氢气，使所述硅烷在SixOy的孔洞内形成单质硅颗粒。
2.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述硅颗粒为纳米硅。
3.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述多孔结构由SixOy形成。
4.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述感光层还包括P掺杂层与N掺杂层；所述P掺杂层位于所述感光层的入光侧且处于所述透明导电薄膜与所述光电转换层之间，所述N掺杂层位于所述光电转换层的出光侧。
5.根据权利要求4所述的X射线探测器，其特征在于，所述感光层还包括绝缘介质，所述P掺杂层与N掺杂层包裹于所述绝缘介质内，使得P掺杂层与N掺杂层绝缘。
6.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述X射线探测器还包括：保护层，所述保护层填充于所述信号读取装置与所述闪烁体之间的空隙，将所述遮光件、感光层及信号读取装置与外界环境隔离。
7.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述信号读取装置为薄膜晶体管组成的阵列基板。
8.一种X射线探测器光电转换层的制造方法，其特征在于，所述X射线探测器光电转换层的制造方法包括如下步骤：
在将SixOy通过化学气相 沉积时，控制酒精溶液中表面活性剂的浓度处于35％～70％之间，使SixOy形成均匀的多孔结构；
将硅烷气体充入具有多孔结构的SixOy酒精溶液中，同时持续充入氢气，使所述硅烷在SixOy的孔洞内形成单质硅颗粒。
9.根据权利要求8所述的X射线探测器光电转换层的制造方法，其特征在于，所述硅烷气体以脉冲的方式充入所述SixOy酒精溶液中。
10.一种医用设备，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的X射线探测器，所述医用设备还包括成像装置，所述成像装置与所述信号读取装置电连接。
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