CN110137199A - 一种x射线传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种X射线传感器及其制造方法，本发明属于传感器的技术领域。X射线传感器包括阵列基板层、位于阵列基板层上的光电转换层以及闪烁体层；所述阵列基板层设有阵列像素单元，所述光电转换层设有与阵列像素单元对应设置的光电像素单元；所述闪烁体层包括多个挡墙以及位于挡墙内且由钙钛矿溶液形成的闪烁体；所述挡墙与光电像素单元对应且不超过光电像素单元的大小；所述闪烁体涂布或打印在所述光电转换层上。本发明X射线传感器及其制造方法，解决了钙钛矿溶液直接涂布在光电转换层表面，造成的像素之间的串扰问题；通过本发明，可以实现串扰更小，画质更清晰，分辨率更高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的技术领域，尤其涉及一种X射线传感器及其制造方法。
背景技术
X射线、γ射线、β射线等宇宙射线广泛存在日常生活的方方面面，特别是X射线在医疗、安检、工业探伤、科研等领域有着广泛的应用。X射线探测传感技术是上个世纪90年代发明的，主要应用于X射线数字成像（Digital Radiography，DR）技术，可实现微米级别的像素成像。
图1是现有X射线传感器基板的结构，其包括依序设置的阵列基板层10、光电转换层20和闪烁体层30。其中阵列基板层10包括纵横交错的扫描线和数据线、由扫描线和数据线交叉限定的多个像素单元11、位于扫描线和数据线交叉处的TFT开关、覆盖TFT开关的有机膜层等；光电转换层20包括N型半导体层21、本征层22和P型半导体层23。闪烁体层30主要由碘化铯或硫氧化钆等材料形成的闪烁体。如图2所示，闪烁体通过热蒸镀方式沉积到光电转换层 20的P型半导体层23的表面并形成针状结构，以确保X射线转换的可见光沿着针状方向传导，尽量避免串扰。使用钙钛矿溶液进行涂布制作闪烁体层30时，由于是整面涂布，转换的可见光会进入周边的其他光电转换层20的像素单元，形成串扰，影响画质。
随着X射线数字成像高速动态化的发展，动态肠胃（DRF）、牙科CT（CBCT）等的应用要求，传统的碘化铯材料由于成本高、发光余辉长等因素，已经越来越不能满足未来高端动态平板探测器的需求，因此使用含铯、铅的涂布式钙钛矿材料，将是未来的发展方向。碘化铯的发光余辉是微秒级别，而钙钛矿材料的余辉是纳秒级别，意味着更快的响应速度。
现有碘化铯通过热蒸镀成膜，虽然效率低，成本高，但针状结构的碘化铯可以把X射线转化的可见光传导进对应的光电转换层的像素单元内。钙钛矿材料目前直接通过溶液涂布方式，具有成本低的优势，但整面涂布，特定区域照射的X射线，转换的可见光容易影响到周围的光电转换层的像素区域，容易造成串扰，影响数字成像的画质，降低线对分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现串扰更小、画质更清晰且对比度更高的X射线传感器及其制造方法。
本发明提供一种X射线传感器，其包括阵列基板层、位于阵列基板层上的光电转换层以及闪烁体层；所述阵列基板层设有阵列像素单元，所述光电转换层设有与阵列像素单元对应设置的光电像素单元；所述闪烁体层包括多个挡墙以及位于挡墙内且由钙钛矿溶液形成的闪烁体；所述挡墙与光电像素单元对应且不超过光电像素单元的大小；所述闪烁体涂布或打印在所述光电转换层上。
进一步地，所述挡墙位于P型半导体层上。
进一步地，钙钛矿溶液为无机钙钛矿溶液，无机钙钛矿溶液里含有铅和铯金属。
进一步地，所述挡墙的高度为1-200um，所述挡墙的宽度为1-20um。
进一步地，阵列基板层包括纵横交错的扫描线和数据线、由扫描线和数据线交叉限定的多个所述阵列像素单元、位于像素单元内的像素电极、位于扫描线和数据线交叉处的TFT开关、覆盖扫描线的栅极绝缘层以及覆盖TFT开关的有机膜层。
进一步地， TFT开关包括与扫描线连接的栅极、位于栅极上方的半导体层、与数据线连接的源极以及与像素电极电性连接的漏极。
进一步地，光电转换层包括位于阵列基板层上的N型半导体层、本征层和P型半导体层，其中本征层位于N型半导体层和P型半导体层之间。
本发明还提供一种X射线传感器的制造方法，包括如下步骤：
S1：形成阵列基板层；
S2：形成位于阵列基板层上的光电转换层，且光电转换层的光电像素单元与阵列基板层的阵列像素单元一一对应；
S3：在光电转换层上涂布一层黑色光阻层；
S4：采用掩膜版对黑色光阻层进行曝光刻蚀并形成与光电像素单元对应的挡墙；
S5：采用沉积方式或采用溶液注入方式或采用涂布方式或采用打印方式在每个挡墙内形成钙钛矿溶液，钙钛矿溶液固化后形成位于所述光电转换层上的闪烁体。进一步地，步骤S3的黑色光阻层为正性光阻或者负性光阻。
进一步地，钙钛矿闪烁体材料的厚度为20-500um
本发明X射线传感器及其制造方法，解决了钙钛矿溶液直接涂布在光电转换层表面，造成的像素之间的串扰问题；通过本发明，可以实现串扰更小，画质更清晰，对比度更高。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明予以进一步说明。
图1为现有X射线传感器基板的结构示意图；
图2为图1所示X射线传感器基板的碘化铯闪烁体的结构示意图；
图3为本发明X射线传感器的结构示意图；
图4至图6为本发明X射线传感器的闪烁体层的形成过程图；
图7为本发明X射线传感器的闪烁体层的挡墙的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
本发明揭示一种X射线传感器及其制造方法，本发明在光电转换层上对应每个像素单元形成沟槽，再把闪烁体材料通过打印或者涂布的方式形成在光电转换层并位于沟槽内。闪烁体的材料主要为含铯、铅等重原子的钙钛矿材料，具有较强的X射线吸收能力、高效的三重态发光特征、可调控的电子能级结构以及较快的辐射发光速率。
如图3所示，X射线传感器包括阵列基板层10、位于阵列基板层10上的光电转换层20以及闪烁体层30。
其中阵列基板层10包括纵横交错的扫描线和数据线、由扫描线和数据线交叉限定的多个阵列像素单元11、位于像素单元11内的像素电极、位于扫描线和数据线交叉处的TFT开关、覆盖扫描线的栅极绝缘层以及覆盖TFT开关的有机膜层。其中TFT开关包括与扫描线连接的栅极、位于栅极上方的半导体层、与数据线连接的源极以及与像素电极电性连接的漏极，半导体层可以非晶硅、金属氧化物或者多晶硅等。
光电转换层20包括位于阵列基板层10上的N型半导体层21、本征层22和P型半导体层23，其中本征层22位于N型半导体层21和P型半导体层23之间，本征层22的材料为可吸收可见光并激发电子的半导体材料，如PIN、量子点、钙钛矿等材料。
光电转换层20也包括与阵列基板层10的像素单元11对应的光电像素单元。
闪烁体层30包括多个挡墙31以及位于挡墙31内且由钙钛矿溶液形成的闪烁体32。其中，挡墙31位于P型半导体层33上，每个挡墙31与光电像素单元对应且不超过光电像素单元的大小，挡墙31的高度为1-200um，挡墙31的宽度为1-20um；闪烁体材料通过打印或者涂布的方式形成在挡墙31内且位于光电转换层20上，闪烁体32的高度可以略高于挡墙31的高度，也可以略低于挡墙31的高度；闪烁体层30的宽度与光电转换层20的宽度相同。
X射线经过闪烁体层30转化为可见光，可见光再通过光电探测层20转化为电子，作为阵列基板层10的有源矩阵基板层对电子进行信号处理。
本发明还揭示一种X射线传感器的制造方法，包括如下步骤：
S1：形成阵列基板层10；
S2：形成位于阵列基板层10上的光电转换层20，且光电转换层20的光电像素单元与阵列基板层10的阵列像素单元一一对应；
S3：如图4所示，在光电转换层20上涂布一层黑色光阻层41；
S4：如图5所示，采用掩膜版42对黑色光阻层41进行曝光刻蚀并形成与光电像素单元对应的挡墙31；
S5：如图3所示，采用沉积方式或采用溶液注入方式或采用涂布方式或采用打印方式在每个挡墙31内形成钙钛矿溶液，钙钛矿溶液固化后形成位于所述光电转换层20上的闪烁体32。
其中步骤S3的黑色光阻层41可以为正性光阻，也可以为负性光阻，但优选负性光阻。当黑色光阻层41采用负性光阻是，曝光区域被留下来，掩膜版42和黑色光阻层41的掩膜版（图未示）可以共用，可以降低生产成本。
黑色光阻层41的材料可以为有机或无机等吸光材料，根据不同的材料调整相应的掩膜版41。
步骤S5的钙钛矿溶液也可以通过溶液注入、涂布或者打印方式，填充到每个挡墙31内并形成无机钙钛矿纳米晶闪烁体，无机钙钛矿纳米晶闪烁体的厚度为20-500um，优选地，闪烁体材料由无机钙钛矿溶液，钙钛矿溶液里含有铅、铯等重原子材料。可以根据要求调整钙钛矿材料的膜厚及光谱波长范围。
无机钙钛矿纳米晶闪烁体，其在可见光区可调谐，与现有闪烁体，基于该类纳米晶制备而成的闪烁体对X射线具有高效的辐射发光响应。无机钙钛矿纳米晶闪烁体不仅实现了基于该型闪烁体的彩色辐射发光显示，还集成了一种柔性和超高灵敏度的X射线探测器，探索了X射线探测器的结果可视化以及在电子电路领域的应用。钙钛矿纳米晶闪烁体特征制造出的柔性和高灵敏的X-射线探测器，探测极限最低可达到13 nGy s-1，是普通医学成像辐射剂量的1/400。
如图7所示，挡墙31的形状与每个光电像素单元的大小对应，挡墙31可以为正方形、长方形或者其他异形，大小不超过光电像素单元的大小。
本发明X射线传感器及其制造方法，解决了钙钛矿溶液直接涂布在光电转换层表面，造成的像素之间的串扰问题；通过本发明，可以实现串扰更小，画质更清晰，对比度更高。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种X射线传感器，其包括阵列基板层、位于阵列基板层上的光电转换层以及闪烁体层；所述阵列基板层设有阵列像素单元，所述光电转换层设有与阵列像素单元对应设置的光电像素单元；其特征在于：所述闪烁体层包括多个挡墙以及位于挡墙内且由钙钛矿溶液形成的闪烁体；所述挡墙与光电像素单元对应且不超过光电像素单元的大小；所述闪烁体涂布或打印在所述光电转换层上。
2.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于：所述挡墙位于P型半导体层上。
3.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于：钙钛矿溶液为无机钙钛矿溶液，无机钙钛矿溶液里含有铅和铯金属。
4.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于：所述挡墙的高度为1-200um，所述挡墙的宽度为1-20um。
5.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于：阵列基板层包括纵横交错的扫描线和数据线、由扫描线和数据线交叉限定的多个所述阵列像素单元、位于像素单元内的像素电极、位于扫描线和数据线交叉处的TFT开关、覆盖扫描线的栅极绝缘层以及覆盖TFT开关的有机膜层。
6.根据权利要求5所述的X射线传感器，其特征在于： TFT开关包括与扫描线连接的栅极、位于栅极上方的半导体层、与数据线连接的源极以及与像素电极电性连接的漏极。
7.根据权利要求1所述的X射线传感器，其特征在于：光电转换层包括位于阵列基板层上的N型半导体层、本征层和P型半导体层，其中本征层位于N型半导体层和P型半导体层之间。
8.一种X射线传感器的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：形成阵列基板层；
S2：形成位于阵列基板层上的光电转换层，且光电转换层的光电像素单元与阵列基板层的阵列像素单元一一对应；
S3：在光电转换层上涂布一层黑色光阻层；
S4：采用掩膜版对黑色光阻层进行曝光刻蚀并形成与光电像素单元对应的挡墙；
S5：采用沉积方式或采用溶液注入方式或采用涂布方式或采用打印方式在每个挡墙内形成钙钛矿溶液，钙钛矿溶液固化后形成位于所述光电转换层上的闪烁体。
9.根据权利要求8所述的X射线传感器的制造方法，其特征在于：步骤S3的黑色光阻层为正性光阻或者负性光阻。
10.根据权利要求8所述的X射线传感器的制造方法，其特征在于：钙钛矿溶液的厚度为20-500um。
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- 2019-07-09 CN CN201910612563.9A patent/CN110137199A/zh active Pending
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