CN113471232B - 一种基于深硅探测器模组的探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于深硅探测器模组的探测装置，包括若干平铺设置的探测器模组，每个探测器模组包括若干层叠设置的探测器模块，每个探测器模块包括若干层叠设置的探测器芯片；探测器芯片设有朝向X射线光源的受光侧，探测器芯片还有ASIC芯片和硅微条分割成的若干光电单元；ASIC芯片的输入管脚与光电单元连接；每个探测器模块中探测器芯片包括一主片和若干从片；从片的ASIC芯片的输出管脚引至主片，主片的主输出焊盘与各片的ASIC芯片的输出管脚均连接；各探测器模组围绕X射线光源平铺设置，各受光单元面与X射线光源距离相等。本发明实现深硅探测器模块单层排布，利于读出，便于装配，避免光串扰，成像清晰。

Description

一种基于深硅探测器模组的探测装置
技术领域
本发明属于探测器技术领域，具体涉及一种基于深硅探测器模组的探测装置。
背景技术
目前商用CT探测器采用闪烁体探测器，信号接收及传输过程涉及X射线转化为可见光，可见光再转变为电信号的过程，最终形成影像。
传统CT探测器主要存在如下缺点：(1)可见光传输过程中存在发散问题，成像的清晰度收到影响，目前已难以进步，且由于探测器不具备能量分辨能力，只能呈黑白图像；(2)受探测器尺寸的影响，空间分辨率的提高目前已遇到瓶颈；(3)X射线剂量要求较高，对人体有辐射损伤，若降低X射线剂量，则会影响成像效果。
而新兴起一代CT探测器正刚起步，采用半导体探测光子计数器，其中采用碲化镉或碲锌镉探测器，但由于受材料本身因素影响，也存在以下问题：
(1)碲锌镉、碲化镉是化合物半导体材料，其晶体结构不完善，存在缺陷，信号收集较慢，在达到传统CT检查10％左右计数率时，造成“信号堆集”；
(2)碲锌镉及碲化镉半导体材料存在极化现象，在持续工作时，探测器收集到的信号幅度会持续下降，稳定性不好。
(3)碲锌镉、碲化镉半导体材料纯度不够，成本高，不利于批量生产应用。
(4)美国GE采用深硅技术研制的新一代CT，采用上下两层错位排列的方式，占用空间大。
此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种基于深硅探测器模组的探测装置，是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的上述传统CT探测器存在光发散问题，影像清晰度，受尺寸影响空间分辨率低，依赖于成像效果X射线剂量要求高，对人体有辐射损伤，而新一代CT探测器信号堆集、持续工作时稳定性不好以及采用上下两层错位排列，占用空间大的缺陷，本发明提供一种基于深硅探测器模组的探测装置，以解决现有技术的问题。
为解决现有技术的上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于深硅探测器模组的探测装置，包括若干深硅探测器模组，每个深硅探测器模组包括若干深硅探测器模块，每个深硅探测器模块包括若干探测器芯片；
探测器芯片的一侧设置有受光侧，受光侧朝向X射线光源，探测器芯片表面设置有AS IC芯片和若干硅微条，每根硅微条沿着受光侧向探测器芯片内侧延伸，并沿着X射线入射方向分割为若干光电单元；ASIC芯片的输入管脚对应连接一个光电单元；
同一深硅探测器模块中的探测器芯片间层叠设置，各探测器芯片的受光侧与X射线光源距离相等，且同一深硅探测器模块中探测器芯片的受光侧形成受光弧面；每个深硅探测器模块中探测器芯片包括主片和从片，主片的数量为一片；
从片的AS IC芯片的输出管脚引至主片，主片上设置有主输出焊盘，主输出焊盘与主片的ASIC芯片的输出管脚及从片的AS IC芯片的输出管脚连接；
同一深硅探测器模组中的深硅探测器模块层叠设置，各受光弧面与X射线光源距离相等，且同一深硅探测器模组中各受光弧面形成受光单元面；
各深硅探测器模组围绕X射线光源平铺设置，各受光单元面与X射线光源距离相等，且各受光单元面形成受光面。
进一步地，探测器芯片采用硅片作为基底材料，硅片纯度大于设定阈值，且硅片厚度≥200μm。采用高纯度硅片作为探测器芯片的基地材料，避免了一代CT采用碲锌镉、碲化镉半导体材料纯度不够，成本高，不利于批量生产应用的问题。
进一步地，探测器芯片呈等腰梯形，受光侧设置在等腰梯形的短底边处，每个探测器芯片的短底边长度相等，且对应底角角度相等；
同一深硅探测器模块内各探测器芯片以短底边对齐，层叠设置；
各深硅探测器模块结构相同，同一深硅探测器模组内各探测器芯片以短底边对齐，层叠设置；
各深硅探测器模组结构相同，位于同一层的深硅探测器芯片，以等腰梯形的腰依次相连。相邻探测器芯片呈夹角设置，实现两片探测器芯片受光侧的完全贴合，探测器芯片呈等腰梯形，利于深硅探测器模组间以等腰梯形的腰相连，便于紧密组装。
进一步地，各从片的探测器芯片结构相同，主片的探测器芯片的长度大于从探测器芯片的长度；
主输出焊盘设置在主片的探测器芯片与从片的探测器芯片错开的区域，并设置在主片的探测器芯片的等腰梯形的长底边边缘；
主片的探测器芯片长底边边缘还设置有读出PCB，读出PCB上设置有读出焊盘，主输出焊盘与读出焊盘通过键合铝丝连接。通过探测器芯片层叠的方式，实现探测器芯片的嵌合，主输出焊盘只设置在主片的探测器芯片，通过与主输出焊盘连接，单侧读取就可实现一个深硅探测器模块各探测器芯片的光电单元采集数据的读取。
进一步地，各探测器芯片的光电单元位于探测器芯片的中部区域，且层叠的探测器芯片的光电单元上下层对齐；
从片的AS IC芯片设置光电单元两侧，主片的AS IC芯片设置在光电单元下部背离受光侧的一端；
各探测器芯片上均设置有开孔，从片的AS IC芯片的输出管脚通过键合铝丝贯穿开孔后与主片的主输出焊盘连接。开孔及键合铝丝保证了从片的探测器芯片到主片的探测器芯片的跨层走线的实现。
进一步地，同一深硅探测器模组的相邻探测器芯片间设置有避光层；
避光层覆盖整个光电单元所在区域；
避光层采用钨、镍或钛材质的金属薄片，或其中两种或三种混合材质的金属薄片。避光层避免康普顿散射的X射线入射到相邻的探测器芯片或相邻的深硅探测器模块，造成光串扰。
进一步地，探测器芯片上的各硅微条呈以X射线光源为圆心的同心辐射状；
相邻硅微条的夹角根据X射线光源与受光侧距离设定。同心辐射状的硅微条发散状，更利于X射线的收集。
进一步地，硅微条呈梯形条带状，其中，硅微条的窄端设置在受光侧；
每根硅微条分割为N段光电单元，其中N≥2；
同一硅微条的N段光电单元沿着X射线入射方向依次增长，每段光电单元的长度及N值根据硅微条的吸收效率设定，吸收效率根据X射线入射强度及AS IC芯片的计数率计算。呈梯形条带状的硅微条可有效防止X射线传出光电单元所在区域，避免光串扰。
进一步地，受光弧面及受光单元面均为以X射线光源为圆心的圆弧面或圆环面；
同一深硅探测器模块中相邻探测器芯片的夹角以及相邻深硅探测器模块的夹角均根据X射线光源与受光侧距离设定；
受光面为以X射线光源为圆心的圆弧面或圆环面；
探测器芯片的等腰梯形的夹角根据X射线光源与受光侧的距离设定。
进一步地，同一探测器芯片中与受光侧距离相等的光电单元同ASIC芯片输入管脚的连接线长度相等。光电单元到AS IC芯片输入管脚的连接线在光电单元间进行，而连接线长度相等保证光电单元接收信号的灵敏度，消除噪声。
本发明的有益效果在于，
本发明提供的基于深硅探测器模组的探测装置，由多片探测器芯片形成深硅探测器模块，再由多片深硅探测器模块形成深硅探测器模组，最后将深硅探测器模组平铺形成CT或PET探测器，实现同等像素的情况下，采用的深硅探测器模块最小化，更利于装配；各深硅探测器模块的受光弧面位于X射线光源为圆心的同一弧面上，从而接收X射线距离相等，不存在光程差，成像更清晰，且深硅探测器模块单层排列，体积更小；探测器芯片上的硅微条呈发散状，更利于X射线收集，而每根硅微条从输入端到出射端呈梯形状连续加宽，可有效防止X射线传出光电单元的区域，避免光串扰。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的基于深硅探测器模组的探测装置结构示意图；
图2是本发明的深硅探测器模块结构示意图一；
图3是本发明的深硅探测器模块结构示意图二；
图4是本发明的第一从片的探测器芯片的结构示意图；
图5是本发明的主片的探测器芯片结构示意图；
图6是本发明的第二从片的探测器芯片的结构示意图；
图7是现有技术的上下两层的CT探测器排布方式；
图中，1-深硅探测器模组；2-深硅探测器模块；3-X射线光源；4-ASIC芯片；5-光电单元；6-读出PCB；7-开孔；8.1-主片的探测器芯片；8.2-第一从片的探测器芯片；8.3-第二从片的探测器芯片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，本发明提供一种基于深硅探测器模组的探测装置，包括若干深硅探测器模组1，每个深硅探测器模组1包括若干深硅探测器模块2，每个深硅探测器模块2包括若干探测器芯片；
探测器芯片的一侧设置有受光侧，受光侧朝向X射线光源3，探测器芯片表面设置有ASIC芯片4和若干硅微条，每根硅微条沿着受光侧向探测器芯片内侧延伸，并沿着X射线入射方向分割为若干光电单元5；ASIC芯片4的输入管脚对应连接一个光电单元5；
同一深硅探测器模块2中的探测器芯片间层叠设置，各探测器芯片的受光侧与X射线光源距离相等，且同一深硅探测器模块2中探测器芯片的受光侧形成受光弧面；每个深硅探测器模块2中探测器芯片包括主片和从片，主片的数量为一片；
从片的AS IC芯片4的输出管脚引至主片，主片上设置有主输出焊盘，主输出焊盘与主片的AS IC芯片4的输出管脚及从片的ASIC芯片4的输出管脚连接；
同一深硅探测器模组1中的深硅探测器模块2层叠设置，各受光弧面与X射线光源3距离相等，且同一深硅探测器模组1中各受光弧面形成受光单元面；
各深硅探测器模组1围绕X射线光源3平铺设置，各受光单元面与X射线光源3距离相等，且各受光单元面形成受光面。
实施例2：
如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，本发明提供一种基于深硅探测器模组的探测装置，包括若干深硅探测器模组1，每个深硅探测器模组1包括若干深硅探测器模块2，每个深硅探测器模块2包括若干探测器芯片；探测器芯片采用硅片作为基底材料，硅片纯度大于设定阈值，且硅片厚度≥200μm；
探测器芯片的一侧设置有受光侧，受光侧朝向X射线光源3，探测器芯片表面设置有ASIC芯片4和若干硅微条，每根硅微条沿着受光侧向探测器芯片内侧延伸，并沿着X射线入射方向分割为若干光电单元5；ASIC芯片4的输入管脚对应连接一个光电单元5；同一探测器芯片中与受光侧距离相等的光电单元5同ASIC芯片4输入管脚的连接线长度相等；
同一深硅探测器模块2中的探测器芯片间层叠设置，各探测器芯片的受光侧与X射线光源距离相等，且同一深硅探测器模块2中探测器芯片的受光侧形成受光弧面；每个深硅探测器模块2中探测器芯片包括主片和从片，主片的数量为一片；
从片的AS IC芯片4的输出管脚引至主片，主片上设置有主输出焊盘，主输出焊盘与主片的AS IC芯片4的输出管脚及从片的ASIC芯片4的输出管脚连接；
同一深硅探测器模组1中的深硅探测器模块2层叠设置，各受光弧面与X射线光源3距离相等，且同一深硅探测器模组1中各受光弧面形成受光单元面；
各深硅探测器模组1围绕X射线光源3平铺设置，各受光单元面与X射线光源3距离相等，且各受光单元面形成受光面；
受光弧面及受光单元面均为以X射线光源3为圆心的圆弧面或圆环面；
同一深硅探测器模块2中相邻探测器芯片的夹角以及相邻深硅探测器模块2的夹角均根据X射线光源3与受光侧距离设定；
受光面为以X射线光源3为圆心的圆弧面或圆环面；
探测器芯片呈等腰梯形，受光侧设置在等腰梯形的短底边处，每个探测器芯片的短底边长度相等，且对应底角角度相等；探测器芯片的等腰梯形的夹角根据X射线光源3与受光侧的距离设定；
同一深硅探测器模块2内各探测器芯片以短底边对齐，层叠设置；
各深硅探测器模块2结构相同，同一深硅探测器模组2内各探测器芯片以短底边对齐，层叠设置；
各深硅探测器模组1结构相同，位于同一层的探测器芯片，以等腰梯形的腰依次相连；
各从片的探测器芯片结构相同，主片的探测器芯片的长度大于从探测器芯片的长度；
主输出焊盘设置在主片的探测器芯片与从片的探测器芯片错开的区域，并设置在主片的探测器芯片的等腰梯形的长底边边缘；
主片的探测器芯片长底边边缘还设置有读出PCB 6，读出PCB 6上设置有读出焊盘，主输出焊盘与读出焊盘通过键合铝丝连接；
各探测器芯片的光电单元5位于探测器芯片的中部区域，且层叠的探测器芯片的光电单元5上下层对齐；
从片的AS IC芯片4设置光电单元5两侧，主片的AS IC芯片4设置在光电单元5下部背离受光侧的一端；
各探测器芯片上均设置有开孔7，从片的ASIC芯片4的输出管脚通过键合铝丝贯穿开孔7后与主片的主输出焊盘连接；
同一深硅探测器模组1的相邻探测器芯片间设置有避光层；
避光层覆盖整个光电单元5所在区域；
避光层采用钨、镍或钛材质的金属薄片，或其中两种或三种混合材质的金属薄片；
探测器芯片上的各硅微条呈以X射线光源3为圆心的同心辐射状；
相邻硅微条的夹角根据X射线光源3与受光侧距离设定；
硅微条呈梯形条带状，其中，硅微条的窄端设置在受光侧；
每根硅微条分割为N段光电单元5，其中N≥2；
同一硅微条的N段光电单元5沿着X射线入射方向依次增长，每段光电单元5的长度及N值根据硅微条的吸收效率设定，吸收效率根据X射线入射强度及ASIC芯片4的计数率计算。
实施例3：
如图2、图3、如图4、图5及图6所示，在上述实施例2中，以一个深硅探测器模块2中有三片探测器芯片为例，包括主片的探测器芯片8.1、第一从片的探测器芯片8.2和第二从片的探测器芯片8.3；
三个探测器芯片层叠在一起，主片的探测器芯片8.1位于中间，第一从片的探测器芯片8.2位于主片的探测器芯片8.1上层，第二从片的探测器芯片8.3位于主片的探测器芯片8.1下层，且三片探测器芯片的受光侧对齐，三片探测器芯片的光电单元5对齐，相邻光电单元5之间设置有避光层；
第一从片的探测器芯片8.2的AS IC芯片4的输出管脚及第二从片的探测器芯片8.3的ASIC芯片4的输出管脚均通过键合铝丝贯穿开孔7引至主片的探测器芯片8.1，并与主片的探测器芯片8.1上的主输出焊盘连接；
第一从片的探测器芯片8.2及第二从片的探测器芯片8.3均与主片的探测器芯片8.1呈夹角设置；
由主片的探测器芯片8.1、第一从片的探测器芯片8.2和第二从片的探测器芯片8.3层叠形成一个深硅探测器模块2，再如图1所示，由七个深硅探测器模块2层叠形成一个深硅探测器模组1，再由九个深硅探测器模组1围绕X射线光源3平铺生成CT或PET探测器。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，包括若干深硅探测器模组，每个深硅探测器模组包括若干深硅探测器模块，每个深硅探测器模块包括若干探测器芯片；
探测器芯片的一侧设置有受光侧，受光侧朝向X射线光源，探测器芯片表面设置有ASIC芯片和若干硅微条，每根硅微条沿着受光侧向探测器芯片内侧延伸，并沿着X射线入射方向分割为若干光电单元；ASIC芯片的输入管脚对应连接一个光电单元；
同一深硅探测器模块中的探测器芯片间层叠设置，各探测器芯片的受光侧与X射线光源距离相等，且同一深硅探测器模块中探测器芯片的受光侧形成受光弧面；每个深硅探测器模块中探测器芯片包括主片和从片，主片的数量为一片；
从片的ASIC芯片的输出管脚引至主片，主片上设置有主输出焊盘，主输出焊盘与主片的ASIC芯片的输出管脚及从片的ASIC芯片的输出管脚连接；
同一深硅探测器模组中的深硅探测器模块层叠设置，各受光弧面与X射线光源距离相等，且同一深硅探测器模组中各受光弧面形成受光单元面；
各深硅探测器模组围绕X射线光源平铺设置，各受光单元面与X射线光源距离相等，且各受光单元面形成受光面；
所述的探测器芯片呈等腰梯形，受光侧设置在等腰梯形的短底边处，每个探测器芯片的短底边长度相等，且对应底角角度相等；
同一深硅探测器模块内各探测器芯片以短底边对齐，层叠设置；
各深硅探测器模块结构相同，同一深硅探测器模组内各探测器芯片以短底边对齐，层叠设置；
各深硅探测器模组结构相同，位于同一层的深硅探测器芯片，以等腰梯形的腰依次相连；
所述的硅微条呈梯形条带状，其中，硅微条的窄端设置在受光侧；
每根硅微条分割为N段光电单元，其中N≥2；
同一硅微条的N段光电单元沿着X射线入射方向依次增长，每段光电单元的长度及N值根据硅微条的吸收效率设定，吸收效率根据X射线入射强度及ASIC芯片的计数率计算。
2.如权利要求1所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，探测器芯片采用硅片作为基底材料，硅片纯度大于设定阈值，且硅片厚度≥200μm。
3.如权利要求1所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，各从片的探测器芯片结构相同，主片的探测器芯片的长度大于从探测器芯片的长度；
主输出焊盘设置在主片的探测器芯片与从片的探测器芯片错开的区域，并设置在主片的探测器芯片的等腰梯形的长底边边缘；
主片的探测器芯片长底边边缘还设置有读出PCB，读出PCB上设置有读出焊盘，主输出焊盘与读出焊盘通过键合铝丝连接。
4.如权利要求3所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，各探测器芯片的光电单元位于探测器芯片的中部区域，且层叠的探测器芯片的光电单元上下层对齐；
从片的ASIC芯片设置光电单元两侧，主片的ASIC芯片设置在光电单元下部背离受光侧的一端；
各探测器芯片上均设置有开孔，从片的ASIC芯片的输出管脚通过键合铝丝贯穿开孔后与主片的主输出焊盘连接。
5.如权利要求3所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，同一深硅探测器模组的相邻探测器芯片间设置有避光层；
避光层覆盖整个光电单元所在区域；
避光层采用钨、镍或钛材质的金属薄片，或其中两种或三种混合材质的金属薄片。
6.如权利要求3所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，探测器芯片上的各硅微条呈以X射线光源为圆心的同心辐射状；
相邻硅微条的夹角根据X射线光源与受光侧距离设定。
7.如权利要求1所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，受光弧面及受光单元面均为以X射线光源为圆心的圆弧面或圆环面；
同一深硅探测器模块中相邻探测器芯片的夹角以及相邻深硅探测器模块的夹角均根据X射线光源与受光侧距离设定；
受光面为以X射线光源为圆心的圆弧面或圆环面；
探测器芯片的等腰梯形的夹角根据X射线光源与受光侧的距离设定。
8.如权利要求1所述的基于深硅探测器模组的探测装置，其特征在于，同一探测器芯片中与受光侧距离相等的光电单元同ASIC芯片输入管脚的连接线长度相等。
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