CN110416347A - 一种数字x射线图像探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种数字X射线图像探测器及其制备方法，所述数字X射线图像探测器包括第一硅片基底、设置在第一硅片基底下表面的深孔结构阵列、填充在深孔结构阵列内部的闪烁层，设置在深孔结构阵列与闪烁层之间的光全反射层；第一硅片基底的下表面对应设置有第二硅片基底，所述第二硅片基底上设置有与所述深孔结构阵列相对应的感光单元阵列。本发明通过将闪烁层设置在深孔阵列结构中，消除可见光在各个“针柱”间的串扰现象，使产生的可见光能在闪烁层和光全反射层界面以全反射的形式传播，提高可见光传输效率，同时深孔阵列结构中的闪烁层与感光单元阵列中的感光单元一一对应，使闪烁层产生的可见光更大限度的被与之对应的感光单元获取，提高了图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，尤其涉及一种数字X射线图像探测器及 其制备方法。
背景技术
由于X射线具有强穿透性的特性，故X射线成像方法被广泛运用于医学 诊断及工业无损检测中。在X射线被发现至今的一百多年里，X射线探测元 器件也在不停的进行更新，从最初的感光胶片，发展成了现如今的数字图 像探测器。常见的探测器可以分为间接探测和直接探测两种方式，直接探 测是直接将X射线图像转换成电信号，间接探测则是将X射线信号转换成 可见光，再将可见光转换成电信号。由于间接探测在性能成本和制造面积上优于直接探测，故现在的主流探测方式是间接探测。
间接探测器主要包含两个部分，一个是将X射线转换成可见光的闪烁 层，一个是将可见光收集并转换成电信号的感光层。闪烁层的原理是当电 离辐射进入晶体中，原先处于价带的电子受激发跃迁至导带，经过一段时 间(约10-8秒左右)后电子又退激回到价带，在此过程中会释放出可见光。
现如今闪烁层最常用的材料有两种，一种是碘化铯(CsI)，其呈“针 柱”状生长，直径为3-10μm，“针柱”结构有助于将可见光子束缚在其中， 在一定程度上实现了像素化，但是被X射线激发的电子释放的可见光的方 向是随机的，不可避免的在各个“针柱”间串扰，影响图像分辨率。另一 种是硫氧化钆(GOS)，GOS材料成本低，转换效率高，但由于GOS呈颗粒 状，使得光扩展现象较严重，且GOS只能制作很薄的闪烁层，太厚会降低 分辨率。不论是CsI材料，还是GOS材料，其制造的闪烁层都是平面结构， 产生的可见光容易被相邻的感光单元接收，让系统误以为产生可见光的部 位是与该感光单元相对应的位置，造成图像对比度下降，影响图像质量。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种数字X射线图 像探测器及其制备方法，旨在解决现有闪烁层产生的可见光容易被相邻的 感光单元接收，造成图像对比度下降，影响图像质量的问题。
本发明的技术方案如下：
一种数字X射线图像探测器，其中，包括第一硅片基底、设置在所述 第一硅片基底下表面的深孔结构阵列、填充在所述深孔结构阵列内部的闪 烁层，设置在所述深孔结构阵列中每个深孔内壁与闪烁层之间的光全反射 层；所述第一硅片基底的下表面对应设置有第二硅片基底，所述第二硅片 基底上设置有与所述深孔结构阵列相对应的感光单元阵列。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述深孔结构阵列由若干个均 匀排布的深孔组成，所述深孔的形状为圆形、矩形或正六边形，所述深孔 的特征尺寸为6-20μm，深孔的深度为100-300μm，且相邻深孔的距离为1 μm。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述深孔结构阵列的制造技术 为刻蚀技术，所述的刻蚀方法包括干法刻蚀技术和湿法刻蚀技术，所述的 干法刻蚀技术为反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀，或Bosch工艺技术， 所述的湿法刻蚀技术为光助电化学刻蚀。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述光全反射层为氧化物薄膜 或贵金属薄膜。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述的氧化物薄膜为SiO2薄膜 或Al2O3薄膜，所述贵金属薄膜为镍贵金属薄膜、铑贵金属薄膜或钯贵金属 薄膜。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述闪烁层材料为含Pb或Au 的无机钙钛矿材料。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述闪烁层材料为CsPbBr3、 CsAuBr3、CsPbCl3、CsAuCl3、CsPbI3和CsAuI3中的一种或多种。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述第一硅片基底上表面设置 有保护层，所述保护层为单层或多层复合薄膜，所述复合薄膜的材料为聚 乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚酯，轻金属箔中的两种或多种。
所述的数字X射线图像探测器，其中，所述感光单元阵列由若干个均 匀排布的感光单元组成，所述感光单元阵列上方设置有聚合物薄膜。
一种数字X射线图像探测器的制备方法，其中，包括步骤：
在预先涂覆有光刻胶掩膜图案的第一硅片基底进行刻蚀处理，在所述 第一硅片基底上形成深孔阵列结构；
对所述第一硅片基底上形成深孔阵列结构的深孔内壁进行处理，在所 述深孔阵列结构内壁制备一层光全反射层；
在所述第一硅片基底上的深孔阵列结构中填充闪烁层材料，形成闪烁 层；
在第二硅片基底上制备若干个均匀排布的感光单元，形成与所述深孔 阵列结构对应的感光单元阵列；
将所述第一硅片基底设置有深孔阵列结构的一面设置在所述感光单元 阵列上，使所述深孔阵列结构与感光单元阵列一一对应，制得所述数字X 射线图像探测器。
本发明的优点在于：本发明提供的数字X射线图像探测器，通过将闪 烁层设置在深孔阵列结构中，消除可见光在各个“针柱”间的串扰现象， 使产生的可见光能在闪烁层和光全反射层界面以全反射的形式传播，提高 可见光传输效率，同时深孔阵列结构中的闪烁层与感光单元阵列中的感光 单元一一对应，使闪烁层产生的可见光更大限度的被与之对应的感光单元 获取，提高了图像质量。
附图说明
图1为本发明提供的一种数字X射线图像探测器的结构示意图。
图2为本发明数字X射线图像探测器中闪烁层的具体结构示意图。
图3为本发明提供的一种数字X射线图像探测器的制备方法较佳实施 例的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种数字X射线图像探测器及其制备方法，为使本发明 的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。 应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本 发明。
请参阅图1和图2，本实施方式提供一种数字X射线图像探测器，其包 括第一硅片基底10、设置在所述第一硅片基底10下表面的深孔结构阵列 20、填充在所述深孔结构阵列内部的闪烁层30，设置在所述深孔结构阵列 20中每个深孔内壁与闪烁层30之间的光全反射层40；所述第一硅片基底 10的下表面对应设置有第二硅片基底50，所述第二硅片基底50上设置有 与所述深孔结构阵列20相对应的感光单元阵列60。
具体来说，传统X射线图像探测器的闪烁层为“针柱”状的CsI层或 粉末状的GOS层，这两种材料制造的闪烁层都是平面结构，当两种材料将X 射线转换成可见光时，由于生成可见光的方向的随机性，使得某点产生的 可见光在传递给与之相对应的感光单元时存在信号串扰，造成图像分辨率 降低。CsI材料为吸湿性材料，易吸水分发生潮解，使得用其做闪烁层的探 测器的寿命有限；GOS材料易发生光扩展现象，故制造的闪烁层太薄，使之不能被广泛运用。基于现有X射线图像探测器所存在的问题，本实施方式 通过将闪烁层设置在深孔阵列结构中，消除可见光在各个“针柱”间的串 扰现象，使产生的可见光能在闪烁层和光全反射层界面以全反射的形式传 播，提高可见光传输效率，同时深孔阵列结构中的闪烁层与感光单元阵列 中的感光单元一一对应，使闪烁层产生的可见光更大限度的被与之对应的 感光单元获取，提高了图像质量。
在一些实施方式中，如图1和图2所示，所述深孔结构阵列20由若干 个均匀排布的深孔组成，所述深孔的形状为矩形、圆形或正六边形，但不 限于此，所述深孔的特征尺寸为6-20μm，深孔的深度为100-300μm，且 相邻深孔的距离为1μm。具体来讲，当所述深孔形状为圆孔时，则所述深 孔的特征尺寸指圆孔的直径；当所述深孔形状为矩形时，则所述深孔的特 征尺寸指矩形的宽；当所述深孔形状为正六边形时，则所述深孔的特征尺 寸指正六边形的对角线长度。所述感光单元阵列60与所述深孔结构阵列20 相对应是指感光单元阵列中的感光单元数量与深孔结构阵列中的闪烁层数 量相同，且感光单元的排布方式与闪烁层的排布方式相同，从而使闪烁层 产生的可见光更大限度的被与之对应的感光单元获取。
在一些实施方式中，所述全反射层包括氧化物薄膜或贵金属薄膜，所 述全反射层由低温氧化或原子层沉积方法得到，全反射层是为了使闪烁层 产生的可见光更容易反射出深孔结构，减少光线在深孔结构中传播过程的 损失。在一些具体的实施方式中，所述氧化物薄膜为SiO2薄膜或Al2O3薄膜 中的一种，但不限于此；所述贵金属薄膜为镍贵金属薄膜、铑贵金属薄膜 或钯贵金属薄膜中的一种，但不限于此。
在一些实施方式中，所述第一硅片基底10和第二硅片基底50均为双 面抛光的单晶硅片，这种单晶硅片对X射线的吸收很弱，且硅片不透明， 可见光不能穿过所述单硅晶片。
在一些实施方式中，所述闪烁层材料为含Pb或Au的无机钙钛矿材料。 本实施方式通过将闪烁层30中易吸湿潮解的CsI材料或易形成光拓展现象 的GOS材料换成含Pb或Au的无机钙钛矿材料，由于所述无机钙钛矿可以 在较低温环境中由胶体加工而成，使得其生产工艺更加简单，生产成本更 加低廉，对环境、设备要求更低，并且所述含Pb或Au的无机钙钛矿材料 对X射线有强烈的吸收，提高了X射线的转换效率，从而提高闪烁层的发 光效率，进而提高图像质量。
在一种优选的实施方式中，所述闪烁层30材料为CsPbBr3、CsAuBr3、 CsPbCl3、CsAuCl3、CsPbI3和CsAuI3中的一种或多种，但不限于此。所述包 含铯和铅原子或者铯和金原子的无机钙钛矿纳米晶体闪烁体表现出很强的 X射线吸收和强烈的辐射发光特性。与以前的闪烁层材料不同，无机钙钛矿 材料可以在较低温环境中由胶体加工而成，而且可以通过改变胶体中阴离 子成分调节其发光光谱；进一步地，所述含Pb或Au的无机钙钛矿材料对X 射线有强烈的吸收，提高了X射线的转换效率，从而提高闪烁体的发光效 率；这些特性说明可以运用无机钙钛矿纳米晶体材料制造出灵活且高灵敏 度的数字X射线图像探测器。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述第一硅片基底10上表面 设置有保护层70。优选的，所述保护层为单层或多层复合薄膜，所述复合 膜材料为聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚苯乙烯(PS)，聚氯乙烯(PVC)， 聚酯(PET)，轻金属箔中的一种或多种。通过在所述第一硅片基底10上 设置一层保护层70，可保护深孔阵列结构以及闪烁层不受损伤。
在一些实施方式中，如图1所示，所述感光单元阵列60上方设置有聚 合物薄膜80。所述聚合物薄膜80主要用于保护所述感光单元阵列中感光单 元，并固定感光单元。
在一些实施方式中，感光单元阵列60由若干个均匀排布的感光单元组 成。具体来说，不同位置的感光单元接受到的可见光的量不同，生成的电 荷量也不同，且生成的电荷量与接受的可见光量成正比。当闪烁层经过X 射线照射后，会把X射线光子转变成可见光，然后感光单元将可见光变成 图像电信号并收集，最终获得数字X射线图像。
进一步地，本发明还提供一种数字X射线图像探测器的制备方法，其 中，如图3所示，包括步骤：
S10、在预先涂覆有光刻胶掩膜图案的第一硅片基底进行刻蚀处理，在 所述第一硅片基底上形成深孔阵列结构；
S20、对所述第一硅片基底上形成深孔阵列结构的一面进行处理，在所 述深孔阵列结构表面制备一层光全反射层；
S30、在所述第一硅片基底上的深孔阵列结构中填充闪烁层材料，形成 闪烁层；
S40、在第二硅片基底上制备若干个均匀排布的感光单元，形成与所述 深孔阵列结构对应的感光单元阵列；
S50、将所述第一硅片基底设置有深孔阵列结构的一面设置在所述感光 单元阵列上，使所述深孔阵列结构与感光单元阵列一一对应，制得所述数 字X射线图像探测器。
在一些实施方式中，所述深孔结构阵列的制造技术为刻蚀技术，所述 的刻蚀方法包括干法刻蚀技术和湿法刻蚀技术，所述的干法刻蚀技术为反 应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀，或Bosch工艺技术，所述的湿法刻蚀技 术为光助电化学刻蚀。
在一些具体的实施方式中，所述第一硅片基底为双面抛光的N型或P 型单晶硅片，首先对所述第一硅片基底进行清洗去除所述第一硅片基底上 的污渍，然后利用光刻技术在所述第一硅片基底上形成光刻胶的掩膜图案， 对所述涂覆有掩膜图案的第一硅片基底进行刻蚀处理形成深孔阵列结构， 接着对刻蚀过后的第一硅片基底进行清洗以去除第一硅片基底表面及深孔 内壁表面的颗粒杂质；对所述第一硅片基底上形成深孔阵列结构的深孔内 壁进行处理，在所述深孔阵列结构深孔内壁制备一层光全反射层；在所述 第一硅片基底上的深孔阵列结构中填充闪烁层材料，形成闪烁层，去除光 刻蚀过程中使用的光刻胶。
在一些实施方式中，在所述第二硅片基底上按照深孔阵列结构制造出 相应排布的若干个感光单元，在所述感光单元上制备保护层；将所述第一 硅片基底设置有深孔阵列结构的一面设置在所述感光阵列上，使所述深孔 阵列结构与感光单元阵列一一对应，制得所述数字X射线图像探测器。
在一些实施方式中，在所述第一硅片基底的上表面制备保护层。
下面通过具体实施例对本发明一种数字X射线图像探测器的制备方法 做进一步的解释说明：
实施例1
1)、将双面抛光的N型单晶硅片用丙酮、无水乙醇、纯水进行清洗， 清洗掉表面的污渍；将一滴纯水滴在硅片上，倾斜硅片，观看纯水是否滴 下，如果纯水滴下，用Plasma清洗机再次清洗硅片来增加硅片亲水性；
2)、将清洗过后的硅片进行匀胶、光刻、显影处理，得到掩膜图案；
3)、在硅片背面蒸馏铝栅格结构，作为欧姆接触，保证硅片背面电场 的均匀性，将硅片没入碱性溶液中，形成倒金字塔结构；
4)、将硅片放入氢氟酸溶液，在外加电场作用下进行湿法刻蚀中的光 助电化学刻蚀工艺，将刻蚀后的硅片用丙酮、H2SO4/H2O2混合溶液、HF溶液、 HCL/H2O2/H2O混合溶液、纯水清洗并烘干；
5)、将清洗后的硅片置于低温氧化炉内，在硅片深孔结构内壁生成一 层二氧化硅薄膜；
6)、将硅片放置在匀胶台上，用两步顺序沉积法，或者双源蒸汽沉积 法将含Pb或Au的无机钙钛矿材料填充至深孔阵列结构中，形成闪烁层；
7)、将硅片上的光刻胶清洗掉，并将得到的闪烁层和探测单元一一对 应；
8)、在制备有深孔阵列结构的硅片上表面制备一层保护层，即制得所 述数字X射线图像探测器。
实施例2
1)、将P型硅片清洗、匀胶、光刻显影，得到掩膜图案；
2)、将得到掩膜图案的硅片用干法刻蚀中例如反应离子刻蚀(RIE)、 深度反应离子刻蚀(DRIE)等技术进行刻蚀，形成深孔阵列结构，将刻蚀 得到的结构进行清洗；
3)、将清洗过后的硅片使用原子层沉积设备(ALD)进行处理，在深 孔结构内壁生成一层10nm之内的氧化物薄膜(例如SiO2,Al2O3等)或贵金 属(例如镍、铑、钯等)薄膜；
4)、用钙钛矿材料填充所述深孔阵列结构，形成闪烁层；
5)、去掉光刻胶并将闪烁层和探测单元一一对应；
6)、在制备有深孔阵列结构的硅片上表面制备一层保护层，即制得所 述数字X射线图像探测器。
综上所述，本发明通过将闪烁层设置在深孔阵列结构中，消除可见光 在各个“针柱”间的串扰现象，使产生的可见光能在闪烁层和光全反射层 界面以全反射的形式传播，提高可见光传输效率，同时深孔阵列结构中的 闪烁层与感光单元阵列中的感光单元一一对应，使闪烁层产生的可见光更 大限度的被与之对应的感光单元获取，提高了图像质量。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术 人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应 属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种数字X射线图像探测器，其特征在于，包括第一硅片基底、设置在所述第一硅片基底下表面的深孔结构阵列、填充在所述深孔结构阵列内部的闪烁层，设置在所述深孔结构阵列中每个深孔内壁与闪烁层之间的光全反射层；所述第一硅片基底的下表面对应设置有第二硅片基底，所述第二硅片基底上设置有与所述深孔结构阵列相对应的感光单元阵列。
2.根据权利要求1所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述深孔结构阵列由若干个均匀排布的深孔组成，所述深孔的形状为圆形、矩形或正六边形，所述深孔的特征尺寸为6-20μm，深孔的深度为100-300μm，且相邻深孔的距离为1μm。
3.根据权利要求2所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述深孔结构阵列的制造技术为刻蚀技术，所述的刻蚀方法包括干法刻蚀技术和湿法刻蚀技术，所述的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀，或Bosch工艺技术，所述的湿法刻蚀技术为光助电化学刻蚀。
4.根据权利要求1所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述光全反射层为氧化物薄膜或贵金属薄膜。
5.根据权利要求4所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述的氧化物薄膜为SiO2薄膜或Al2O3薄膜，所述贵金属薄膜为镍贵金属薄膜、铑贵金属薄膜或钯贵金属薄膜。
6.根据权利要求1所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述闪烁层材料为含Pb或Au的无机钙钛矿材料。
7.根据权利要求1所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述闪烁层材料为CsPbBr3、CsAuBr3、CsPbCl3、CsAuCl3、CsPbI3和CsAuI3中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述第一硅片基底上表面设置有保护层，所述保护层为单层或多层复合薄膜，所述复合薄膜的材料为聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚酯，轻金属箔中的两种或多种。
9.根据权利要求1所述的数字X射线图像探测器，其特征在于，所述感光单元阵列由若干个均匀排布的感光单元组成，所述感光单元阵列上方设置有聚合物薄膜。
10.一种数字X射线图像探测器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在预先涂覆有光刻胶掩膜图案的第一硅片基底进行刻蚀处理，在所述第一硅片基底上形成深孔阵列结构；
对所述第一硅片基底上形成深孔阵列结构的深孔内壁进行处理，在所述深孔阵列结构内壁制备一层光全反射层；
在所述第一硅片基底上的深孔阵列结构中填充闪烁层材料，形成闪烁层；
在第二硅片基底上制备若干个均匀排布的感光单元，形成与所述深孔阵列结构对应的感光单元阵列；
将所述第一硅片基底设置有深孔阵列结构的一面设置在所述感光单元阵列上，使所述深孔阵列结构与感光单元阵列一一对应，制得所述数字X射线图像探测器。
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