CN1973214B - 使用电互连的平铺光电传感器阵列的平板检测器 - Google Patents

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Abstract

一种检测器可包括以下：平底板。(N×M)阵列的检测器铺瓦附着于所述底板上，每个所述检测器铺瓦包括具有必要电路的基板上制造的光电传感器阵列。多个数据指铺瓦附着于所述底板上，每个数据指铺瓦都包括多条数据线。多个扫描指铺瓦附着于所述底板上，每个扫描指铺瓦都包括多条扫描线。电互连网络互连它们的前表面上的相邻的所述检测器铺瓦。电互连网络连接所述检测器铺瓦的N个单元和多个所述数据指铺瓦。电互连网络连接所述检测器铺瓦的M个单元到多个所述扫描指铺瓦。

Description

使用电互连的平铺光电传感器阵列的平板检测器
要求2003年11月10日提交美国专利和商标局的美国临时专利申请No.60/518962的优先权，其整体结合在此作为参考。
背景技术
正开发数字X射线平板检测器(FPD)，它基于非晶硅薄膜晶体管和具有X射线闪烁体技术的光电二极管的组合。一般，这些数字检测器具有比X射线胶片更好的动态范围和检测量子效率(DQE)。平板X射线检测器正更多地用于医疗和工业无损诊断应用的X射线成像。大尺寸平板X射线检测器可用于成像相当大的物体，诸如人体。X射线检测器的单个大尺寸面板(例如，40cm×40cm)可用于这些应用。这种大面板检测器需用特殊的也较昂贵的设备制造，且成品率较低。结果，大面积X射线检测器的成本很高，从而限制了应用。
制造大尺寸平板X射线检测器需要相应较大的半导体处理设备。例如，为制造40×40cm2平板检测器，所使用的玻璃基板需要至少～45×45cm2。这种基板的制造设备(例如，光刻步进器，PECVD薄膜沉积系统，和反应离子蚀刻器(RIE))需要具有大于基板尺寸的载物台或沉积腔。与维护和操作这种制造设备相关联的成本会相对较高。此外，制造大尺寸检测器面板的成品率相对较低，因为大面板上的小局部区域上的缺陷会在制造过程期间或者在检测器的工作中破坏整个面板。这种较大尺寸的工艺是不灵活的。例如，为了增加X射线检测器的大小，必须升级/替换全部工艺设备线。
发明内容
实施例涉及一种诸如X射线、伽马射线和光子的高能辐射或粒子的大面积成像检测器。该检测器包括以下：平底板；附着于所述平底板上的检测器铺瓦(tile)的(N×M)阵列，每个所述检测器铺瓦包括具有必要电路的基板上制造的光电传感器阵列；附着于所述底板上的多个数据指铺瓦，每个数据指铺瓦都包括多条数据线；附着于所述底板上的多个扫描指铺瓦，每个扫描指铺瓦都包括多条扫描线；互连它们的前表面上的相邻的所述检测器铺瓦的电互连网络；连接所述检测器铺瓦的N个单元和多个所述数据指铺瓦的电互连网络；连接所述检测器铺瓦的M个单元和多个所述扫描指铺瓦的电互连网络。
实施例涉及一种制造诸如X射线、伽马射线和光子的高能辐射或粒子的大面积成像检测器的方法。该方法包括以下步骤：将检测器铺瓦的(N×M)阵列排列于平底板上形成重复的规则图形，每个所述传感器铺瓦包括具有在基板上制造的必要电路的粒子检测器单元阵列；将多个数据指铺瓦排列于所述平底板上形成重复的规则图形，每个所述数据指铺瓦都包括多条数据线；将多个扫描指铺瓦排列于所述平底板上形成重复的规则图形，每个所述扫描指铺瓦都包括多条扫描线；固定所述检测器铺瓦、数据指铺瓦和扫描指铺瓦到所述底板上同时维持所述规则图形；形成连接它们前表面上的相邻的所述铺瓦的电互连网络；用钝化涂层保护所述电互连网络和所述铺瓦。
附图说明
图1a到1c示出了根据实施例的大尺寸光成像检测器的电互连结构的构成框的示例。
图2示出了根据实施例的具有四个检测器铺瓦的示例性组装集成的大尺寸光成像检测器。
图3示出了根据实施例的用于单个集成的大尺寸平板光子检测器的包括平铺和互连的示例性关键制造处理步骤。
具体实施方式
实施例涉及用于将较小尺寸的检测器面板电气互连并集成为低成本的大尺寸检测器面板用以检测X射线和其它高能粒子的数字X射线检测器的系统。
实施例涉及先进的集成大尺寸X射线平板检测器(FPD)的概念、组件和设计。在晶片或玻璃基板上平铺和电气互连较小检测器面板可以生产大尺寸的X射线检测器面板。这种方法和工艺可解决上述与制造单片大尺寸X射线检测器面板相关联的问题，并可以提供以下优点：由于高产量和小面板的低成本，制造小尺寸X射线检测器中的设备成本会很小。这可以形成低成本的X射线检测器。通过在保持检测器面板中的其余良好模块无损的同时简单地改变局部化面板模块，可以去除来自该模块的缺陷。将较小的X射线面板组合并互连在一起可以增加大面板检测器的大小。
可以被一起平铺和互连成较大检测器晶片或玻璃基板的传感器/检测器晶片或基板可以包括各种基于硅的光传感器，诸如光电二极管阵列、CCD、CMOS传感器，或平板光传感器，诸如用于高级X射线和伽马射线检测的非晶硅或多晶硅基的薄膜光电二极管或光电传感器阵列。
可将各模块电气连接在一起的低断面(low-profile)互连处理包括光刻图案形成、直接引线印制线、引线焊接或预制造连接器阵列的焊接。
在被密封/封装入大面积X射线或伽马射线检测器前，闪烁体的共用层可应用于被平铺和互连阵列较大检测器晶片/基板。通过用诸如硒的光电导体替代闪烁体，通过平铺和互连较小检测器/传感器单元或基板(诸如薄膜晶体管(TFT)阵列)的制造集成的大光子检测器的类似原理也可应用于用于高级X射线和伽马射线检测的直接FPD。
集成的大FPD可用于X射线或伽马射线成像系统中，用于图像检测或诊断，包括医疗成像、计算断层照相法(CT)、无损评估(NDE)、船货/行李安全/食品检查应用。
通过平铺和互连用于X射线的小检测器/传感器单元或基板制造集成大光子检测器的类似原理也可应用于具有较大面板并用于诸如电子、正电子、深UV光的高能粒子的其它类型的检测器。
数字X射线平板检测器(FPD)正更多地用于医疗成像和工业无损诊断中。现有的数字X射线FPD技术可分成直接和间接转换的两个基本分类。在直接转换的X射线FPD(例如，Hologic Inc.所制造的)中，硒(Se)光电导体被用于将X射线光子直接转换为由下面的薄膜晶体管(TFT)面板检测的自由电子。尽管基于硒的检测器可具有相对较高的模传递函数(MTF)，但它们经受较低的X射线量子效率和较低的吸收，特别是对于具有光子能量＞40keV的X射线。它也具有较高的图像延迟和低空间频率下较低的检测量子效率(DQE)。
一些间接转换检测器使用CsI:Tl或Gd2O2S作为X射线闪烁体并将非晶硅光电二极管阵列用作光传感器。闪烁体可沉积于光电二极管阵列上，它们将X射线转换为通过可见光子媒介的电子。光电二极管阵列被置于TFT面板上。间接转换检测器具有相对较高的量子效率(对于40keV以上的X射线光子)，相对较低的图像延迟，以及低空间频率下相对较高的DQE。但是，一些间接X射线FPD会经受低MTF和低空间频率下的低DQE。
根据实施例，直接和间接FPD两者都可采取模块方法。通过使用小检测器、数据指和扫描指的电气互连铺瓦来构建单个集成的大面板检测器，将显著地降低制造成本并显著地增加成品率。实施例中，通过电气互连小面板形成大集成检测器面板的类似原理也可应用于其它光子检测器(例如，CCD(电荷耦合器件)和CMOS传感器)。
根据功能和位置，大尺寸的平板X射线检测器可分为各种功能区。因此，X射线检测器可包括扫描指区、数据指区、边角区和光敏的像素阵列区。其它区域也可包含于X射线检测器中。扫描线和数据线指可设置于面板的边缘处。检测器像素阵列可置于面板的中心区域中。实施例中，这些像素化传感器的特点在于它们都具有重复图案。例如，像素阵列可包括N×M相同的单个像素，扫描指区可包括N线的扫描指，它们可分组为若干相同布置的指组。根据实施例，大尺寸检测器的这种重复性质可允许用小铺瓦装配大X射线检测器。
根据实施例，大平板成像检测器通过被电气互连的三种重复铺瓦装配于基板上。三个示例性类型的铺瓦是光电传感器铺瓦、扫描指铺瓦和数据指铺瓦。这些铺瓦形成具有良好限定的铺瓦间距离的规则重复图形。前述大平板检测器可包括整个平铺检测器阵列上X射线闪烁体的单个共用层，以形成单个集成的大X射线检测器。
根据实施例，数字检测器阵列(例如，具有2048×2048个像素)可用2×2铺瓦结构由四个传感器阵列(例如，每个包含512×512个像素)装配而成。示例性扫描指的2048线可通过8段256线扫描指铺瓦模块装配成。同样，数据指的2048线可通过8段256线数据指铺瓦模块装配成。由于这些数据指铺瓦和扫描指铺瓦的面积小于检测器铺瓦的一半，所以可以通过使用用于更小晶片的半导体设备制造这些铺瓦。例如，使用6”直径的硅晶片处理设备，可以将4”×4”像素铺瓦制造和装配为8”×8”(2×2平铺阵列)或12”×12”(3×3平铺阵列)或甚至更大的检测器。
根据实施例，平铺结构可用于形成间接转换数字X射线检测器，它分开了X射线闪烁体层和光敏的成像检测器层。根据实施例，平铺结构可应用于直接转换类型的数字X射线检测器，它将X射线直接转换为光电子。由于它是数字平板检测器中最昂贵的组件，根据实施例，光敏成像检测器可由较小的铺瓦装配成。另一方面，平铺后应用的X射线闪烁体可以是具有均匀物理属性的连续层或片的形式。实施例中，闪烁体的共用层可以是诸如CsI:Tl薄膜或用稀土元素掺杂的Gd2O2S片的闪烁体。通过每个铺瓦的对准和边缘控制，可使得铺瓦间的间隙基本接近于光电传感器阵列的一个或有限数量个像素大小的宽度。较小的一致间隙使得间隙处信息的丢失最小。通过从邻近像素内插出丢失像素所获得的图像可进一步改善图像质量。
实施例中，大平板检测器的构建块可以包括至少三种类型的铺瓦，如图1a、1b和1c所示。一种类型的铺瓦是光电检测器像素阵列铺瓦(例如，图1a)，另一种是数据指铺瓦(例如，图1b)，第三种类型是扫描指铺瓦(例如，图1c)。像素阵列铺瓦可包括传感器基板10、数据线和边缘连接垫11、ITO(氧化铟锡)共用线12和连接垫13、薄膜晶体管(TFT)14、光敏二极管15、扫描线16和边缘连接垫17。TFT和光敏二极管可由非晶或多晶硅制成。
数据指铺瓦可包括基板20、数据线接触指22和数据线边缘连接垫23、电接地线24、边缘连接垫25和接地的接触指26、ITO共用线27、边缘连接垫28和ITO共用的接触指29。
扫描指铺瓦可具有与数据指铺瓦类似的功能以及类似的布置。扫描指铺瓦可包括基板30、扫描线接触指32和扫描线边缘连接垫33、电接地线34、边缘连接垫35和接地的接触指36、ITO共用线37、边缘连接垫38和ITO共用的接触指39。此外，边角铺瓦可用于连接扫描和数据指上的接地线。
根据实施例，互连检测器铺瓦的示例性制造过程如下：将铺瓦电连接在一起以形成功能的光成像器件并可以测试性能。铺瓦可以被分开且可拆掉缺陷铺瓦。随后可将合格的铺瓦装配在一起，以形成完全功能的光成像检测器，如图2所示。
如图3的示例所示，根据实施例的平铺过程如下：将功能铺瓦置于基板上。功能铺瓦可由与传感器和指铺瓦相同类型的玻璃制成或者由不同材料制成(例如，陶瓷或金属，或合成聚合物)。基板的热膨胀系数(CTE)可与铺瓦的CTE匹配。可沿着扫描和数据线方向对准铺瓦。可进行精确对准，使得铺瓦之间的间隙在合适的容限内。可紧固每个铺瓦(例如，使用快速作用胶或光固化胶)。可配置环氧树脂以填充铺瓦之间的间隙。可让面板设置于合适的温度环境下(例如，直到完全固化环氧树脂)。可印制边缘连接垫以电连接每个铺瓦。钝化和保护涂层可涂布于连接垫上。可固化钝化层。预置X射线闪烁体的连续片可被结合或直接沉积于装配的平板成像器顶上的闪烁体薄膜上以形成X射线阵列传感器。X射线阵列传感器和连接电子扫描/数据模块可被密封和封装到所述指。可附着其它模块以完成X射线检测器组件。
实施例中，除了非晶硅工艺，可利用其它半导体工艺(例如，CMOS工艺)来制造铺瓦。CMOS图像传感器阵列可制造于4”～12”晶片上并装配在一起以形成大尺寸平板检测器。这种传感器可用于许多应用，包括医疗成像、工业无损成像、港口处的安全检查等。实施例中，多个CCD传感器也可被互连以形成大尺寸的平板光子检测器。
前述实施例(例如，使用电互连的平铺光电传感器阵列的平板检测器)和优点仅仅是示例且不被认为限制所附权利要求书。以上教示可应用于其它装置和方法，如本领域熟练技术人员可理解的。许多可选方案、修改和变型将是本领域熟练技术人员显见的。

Claims (32)

1.一种高能辐射的大面积数字成像检测器，包括：
平底板；
附着于所述平底板上的检测器铺瓦的N×M阵列，每个所述检测器铺瓦包括在具有必要电路的基板上制造的光电传感器阵列；
附着于所述平底板上的多个数据指铺瓦，每个数据指铺瓦都包括多条数据线；
附着于所述平底板上的多个扫描指铺瓦，每个扫描指铺瓦都包括多条扫描线；
在相邻的所述检测器铺瓦的前表面上互连相邻的所述检测器铺瓦的电互连网络；
连接所述检测器铺瓦的N个单元到多个所述数据指铺瓦的电互连网络；
连接所述检测器铺瓦的M个单元到多个所述扫描指铺瓦的电互连网络；
其中，所述的N是大于或等于1的整数，M是大于或等于2的整数。
2.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，一层闪烁材料被置于所述检测器铺瓦顶上。
3.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述检测器铺瓦还包括多条数据线、扫描线、ITO共用线、接地线和边缘连接垫。
4.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述数据指铺瓦还包括ITO共用线、接地线和边缘连接垫和接触指。
5.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述扫描指铺瓦还包括ITO共用线、接地线和边缘连接垫和接触指。
6.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述检测器铺瓦具有5μm到5mm的格栅间距。
7.如权利要求6所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述检测器铺瓦具有10μm到1mm的格栅间距。
8.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述检测器铺瓦是光电二极管单元。
9.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述检测器铺瓦是CCD单元。
10.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述检测器铺瓦是CMOS传感器单元。
11.如权利要求2所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述闪烁材料是粉末的形式。
12.如权利要求2所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述闪烁材料是涂层或薄膜的形式。
13.如权利要求2所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述闪烁材料是CsI:T1的薄膜。
14.如权利要求2所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述闪烁材料是稀土掺杂的Gd2O2S。
15.如权利要求1所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述高能辐射包括光子。
16.如权利要求15所述的大面积数字成像检测器，其特征在于，所述光子包括X射线或伽马射线。
17.一种制造高能辐射的大面积数字成像检测器的方法，包括以下步骤：
将检测器铺瓦的N×M阵列排列于平底板上形成重复的规则图形，每个所述传感器铺瓦包括在具有必要电路的基板上制造的光电传感器阵列；
将多个数据指铺瓦排列于所述平底板上形成重复的规则图形，每个所述数据指铺瓦都包括多条数据线；
将多个扫描指铺瓦排列于所述平底板上形成重复的规则图形，每个所述扫描指铺瓦都包括多条扫描线；
固定所述检测器铺瓦、数据指铺瓦和扫描指铺瓦到所述平底板上同时维持所述规则图形；
形成在相邻的所述铺瓦的前表面上连接相邻的所述铺瓦的电互连网络；
用钝化涂层保护所述电互连网络和所述铺瓦；
其中，所述的N是大于或等于1的整数，M是大于或等于2的整数。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，一层闪烁材料被置于所述检测器铺瓦顶上。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述检测器铺瓦还包括多条数据线、扫描线、ITO共用线、接地线和边缘连接垫。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述数据指铺瓦还包括ITO共用线、接地线、边缘连接垫和接触指。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述扫描指铺瓦还包括ITO共用线、接地线、边缘连接垫和接触指。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述检测器铺瓦具有5μm到5mm的栅格间距。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述检测器铺瓦具有10μm到1mm的栅格间距。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述检测器铺瓦是含有非晶硅光电二极管的光敏器件单元。
25.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述检测器铺瓦是CCD单元。
26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述检测器铺瓦是CMOS活动像素传感器单元。
27.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述闪烁材料是粉末的形式。
28.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述闪烁材料是涂层或薄膜的形式。
29.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述闪烁材料是CsI:T1的薄膜。
30.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述闪烁材料是稀土掺杂的Gd2O2S。
31.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述高能辐射包括光子。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述光子包括X射线或伽马射线。
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