DE102005003378A1 - Vorrichtung zur Erkennung ionisierender Strahlung - Google Patents

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Abstract

Eine Fotodiodendetektoranordnung (110) zur Verwendung mit einem Detektor für ionisierende Strahlung (100) enthält eine erste Schicht (200), die eine erste Seite (202), eine zweite Seite (204) und ein an der zweiten Seite (204) angeordnetes Array von Backlit-Fotodioden (206) aufweist, und eine zweite Schicht (210), die der zweiten Seite (204) der ersten Schicht (200) benachbart und gegenüberliegend angeordnet ist. Die zweite Schicht (210) enthält Vias (212). Lichtstrahlen (230), die an der ersten Seite (202) in die erste Schicht (200) eintreten und auf die Backlit-Fotodioden (206) an der zweiten Seite (204) auftreffen, rufen an den Vias (212) der zweiten Schicht (210) elektrische Signale hervor, wodurch sie elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden (206) in einer Entfernung von den Backlit-Fotodioden (206) liefern.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf einen Detektor für ionisierende Strahlung und speziell auf einen Detektor für ionisierende Strahlung, der ein Backlit-Fotodiodenarray verwendet.
  • Strahlungsbildgebungssysteme werden vielfach für medizinische und industrielle Zwecke verwendet, wie z.B. für Röntgen-Computertomographie (CT). Ein typisches Detektorsystem kann ein Feld oder Array aus Szintillatorelementen aufweisen, die an einem Array aus Fotodioden befestigt sind, die zum Erkennen von ionisierender Strahlung und Umwandeln derselben in Lichtenergie und danach in elektrische Signale verwendet werden, die die einfallende ionisierende Strahlung repräsentieren. Um die Bildqualität zu erhöhen, ist eine große Anzahl einzelner Pixel, wie z.B. in der Größenordnung von 1000 bis 4000 einzelnen Pixeln mit je einem für jedes entsprechende Pixel verwendeten Verstärker erforderlich. Wenn die Anzahl der einzelnen Pixel und Verstärker steigt, wird die Schaffung der notwendigen Signalverbindungen zur Verarbeitung komplex und umständlich. In dem Bestreben, einen Teil dieser Komplexität beseitigen, sind Arrays aus rückseitig beleuchteten oder Backlit-Foto dioden untersucht worden, was eine Erhöhung der Anzahl der Fotodioden-Erkennungselemente in einem Fotodiodenarray-Chip ermöglicht. Backlit-Fotodiodenarray-Chips sind jedoch gegen elektronisches Übersprechen empfindlich, was zumindest teilweise auf die Dicke des Fotodiodenarray-Chips selbst zurückzuführen ist. Demgemäß besteht in der Fachwelt Bedarf an einer Detektoranordnung für ionisierende Strahlung, die diese Nachteile überwindet.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • Die hierin offenbarten Ausführungsformen schaffen eine Fotodiodendetektoranordnung zur Verwendung mit einem Detektor für ionisierende Strahlung. Die Anordnung enthält eine erste Schicht, die eine erste Seite, eine zweite Seite und ein auf der zweiten Seite angeordnetes Array von Backlit-Fotodioden aufweist, und eine zweite Schicht, die der zweiten Seite der ersten Schicht benachbart und gegenüberliegend angeordnet ist. Die zweite Schicht enthält Durchkontaktierungen oder Vias. Lichtstrahlen, die an der ersten Seite in die erste Schicht eintreten und auf die Backlit-Fotodioden an der zweiten Seite auftreffen, führen zu elektrischen Signalen an den Vias der zweiten Schicht und erzeugen dabei elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden in einem Abstand entfernt von den Backlit-Fotodioden.
  • Weitere hierin offenbarte Ausführungsformen schaffen einen Detektor für ionisierende Strahlung, der eine Fotodiodendetektoranordnung und einen Szintillator aufweist. Die Fotodiodendetektoranordnung enthält eine erste Schicht, die eine erste Seite, eine zweite Seite und ein an der zweiten Seite angeordnetes Array von Backlit-Fotodioden aufweist, und eine zweite Schicht, die der zweiten Seite der ersten Schicht benachbart und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die zweite Schicht Vias aufweist. Der Szintillator ist an der ersten Seite der ersten Schicht angeordnet und enthält eine Strahlungseinfalloberfläche und eine Strahlungsaustrittsoberfläche. Der Szintillator erzeugt Lichtstrahlen, die in Folge von an der Einfalloberfläche einfallender Strahlung an der Austrittsoberfläche austreten, wobei die an der Austrittsoberfläche austretenden Lichtstrahlen auf der ersten Seite der ersten Schicht der Fotodiodendetektoranordnung einfallen. Lichtstrahlen, die auf der ersten Seite in die erste Schicht eintreten und auf die Backlit-Fotodioden an der zweiten Seite auftreffen, verursachen elektrische Signale an den Vias der zweiten Schicht, wodurch sie elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden entfernt von den Backlit-Fotodioden erzeugen.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
  • Es wird nun auf die beispielhaften Zeichnungen Bezug genommen, wobei gleiche Elemente in den beigefügten Figuren gleich nummeriert sind:
  • 1 stellt ein beispielhaftes Mehrschicht-CT-Röntgendetektormodul gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar,
  • 2 stellt eine Endansicht des Detekormoduls aus
  • 1 dar, wobei einige Details weggelassen worden sind, und
  • 3 veranschaulicht Daten, die von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung aufgenommen worden sind.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
  • Ausführungsformen der Erfindung schaffen eine sehr dünne Backlit-Fotodiodendetektoranordnung zur Verwendung innerhalb eines Detektors für ionisierende Strahlung, wie z.B. eines Mehrschicht-Computertomografie(CT)-Röntgendetektors. Während die hierin beschriebenen Ausführungsformen Röntgenstrahlen als beispielhafte ionisierende Strahlung beschreiben, wird erkannt werden, dass die offenbarte Erfindung auch auf andere hochenergetische ionisierende Strahlung, wie z.B. Gammastrahlung, hochenergetische Elektronen (Beta)-Strahlung oder hochenergetische geladene Teilchen (wie z.B. solche, die in der Kernphysik und Weltraumteleskopen auftreffen) anwendbar ist. Demgemäß ist die offenbarte Erfindung nicht auf die Ausführungsformen mit Röntgenstrahlenerkennung beschränkt.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Mehrschicht-CT-Röntgendetektors 100, der eine Fotodiodendetektoranordnung 110, einen an einer Oberfläche der Anordnung 110 befestigten Szintillator, eine an einer anderen Oberfläche der Anordnung 110 befestigte gedruckte Schaltungsplatine (PCB) 130 und eine mit der PCB 130 über Verbinder 150, 160 verbundene flexible Leitung 140 aufweist. Die PCB 130 kann Verarbeitungschips 170 enthalten.
  • Indem nun auf die 1 und 2 gemeinsam Bezug genommen wird, enthält die Fotodiodendetektoranordnung 110 eine erste Schicht 200, die eine erste Seite 202 und eine zweite Seite 204 aufweist, und eine zweite Schicht 210, die der zweiten Seite 204 der ersten Schicht 200 benachbart und gegenüberliegend angeordnet ist. Die erste Schicht 200, die auch als Backlit-Fotodiodenarray bezeichnet wird, enthält ein Array von Backlit-Fotodioden 206, die auf der auch als Rückseite bezeichneten zweiten Seite 204 angeordnet sind. Die zweite Schicht 210 weist Vias 212 zum Übertragen eines elektrischen Signals durch die zweite Schicht 210 auf.
  • In einer Ausführungsform ist die erste Schicht 200 von einer Dicke gleich oder kleiner als etwa 150 Mikrometer, in einer anderen Ausführungsform ist die erste Schicht 200 von einer Dicke gleich oder kleiner als 100 Mikrometer, in einer weiteren Ausführungsform ist die erste Schicht 200 von einer Dicke gleich oder kleiner als etwa 50 Mikrometer, und in noch einer anderen Ausführungsform ist die erste Schicht 200 von einer Dicke gleich oder größer als etwa 25 Mikrometer. In einer Ausführungsform, bei der die erste Schicht von einer Dicke gleich oder kleiner als etwa 150 Mikrometer und gleich oder größer als etwa 25 Mikrometer ist, ist das Zelle/Zelle-Signalübersprechen zwischen benachbarten Backlit-Fotodioden 206 gleich oder kleiner als etwa 4%, und in einer Ausführungsform, bei die erste Schicht von einer Dicke gleich oder kleiner als etwa 100 Mikrometer und gleich oder größer als etwa 25 Mikrometer ist, ist das Zelle/Zelle-Signalübersprechen zwischen benachbarten Backlit-Fotodioden 206 gleich oder kleiner als etwa 2%, wie in den Testdaten in 3 dargestellt ist. In 3 stellt die Datenkurve 300 das gesamte Signalübersprechen zwischen einer und allen acht ihr benachbarten Backlit-Fotodioden 206 für eine Siliziumdicke der ersten Schicht 200 von etwa 150 Mikrometer dar, und die Datenkurve 310 stellt das gesamte Signalübersprechen zwischen einer und allen acht ihr benachbarten Backlit-Fotodioden 206 für eine Sili ziumdicke der ersten Schicht 200 von etwa 100 Mikrometern dar. Demgemäß ist das durchschnittliche Signalübersprechen zwischen zwei beliebigen benachbarten Backlit-Fotodioden 206 bei einer Siliziumdicke der ersten Schicht 200 von etwa 150 Mikrometern gleich oder kleiner als etwa 4%, und das durchschnittliche Signalübersprechen zwischen zwei beliebigen benachbarten Backlit-Fotodioden 206 ist bei einer Siliziumdicke der ersten Schicht 200 von etwa 100 Mikrometern gleich oder kleiner als etwa 2%. Das durch die Datenkurven 300 und 310 in 3 dargestellte Signalübersprechen ist über eine Pixelteilung in dem Bereich von etwa 500 Mikrometer bis etwa 900 Mikrometer dargestellt, wobei die Pixelteilung von der Vorderkante eines Pixels bis zu der Vorderkante eines anderen, in linearer Anordnung benachbarten Pixels gemessen wird.
  • In einer Ausführungsform sind die erste und zweite Schicht 200, 210 aus Silizium hergestellt, und die erste Schicht 200 ist mechanisch und elektrisch mit der zweiten Schicht 210 verbunden. Die erste und zweite Schicht 200, 210 können unter Verwendung von Lötpunkten, leitfähigen Epoxidpunkten, Kaltverschmelzen von Metallunterlagen, jedes anderen geeigneten Verfahrens oder einer beliebigen Kombination davon verbunden sein.
  • Der Szintillator 120 empfängt Röntgenphotonenenergie, die durch den Pfeil 220 dargestellt wird, an einer Strahlungseinfallfläche 124 und wandelt die Photonenenergie 220 über Szintillatorelemente 122 in durch die Pfeile 230 dargestellte Lichtstrahlen um, die den Szintillator 120 an einer Strahlungsaustrittsfläche 126 verlassen. Die Lichtstrahlen 230 werden an der ersten Seite 202 der ersten Schicht 200 empfangen, durchqueren die erste Schicht 200 und treffen auf den Backlit-Fotodioden 206 an der zweiten Seite 204 auf, wobei sie elektrische Signale an den Vias 212 der zweiten Schicht 210 hervorrufen, wodurch sie elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden 206 in einer Entfernung von der zweiten Seite 204 der ersten Schicht 200 liefern. In einer Ausführungsform erstrecken sich die Vias 212 von einer Vorderseite 214 der zweiten Schicht 210 zu einer gegenüberliegenden Rückseite 216. Es können jedoch Variationen der Signalführung in das Silizium der zweiten Schicht 210 eingebaut sein, wodurch eine Vorderseite/Rückseite-, Vorderseite/Kante-Signalübertragung oder beliebige Kombinationen davon geschaffen werden.
  • Wie zuvor erörtert kann die Fotodiodendetektoranordnung 110 eine dritte Schicht, die PCB 130, aufweisen, die an der Rückseite 216 der zweiten Schicht 210 befestigt ist und in Signalverbindung mit den Vias 212 an der Rückseite 216 steht. In einer Ausführungsform enthält die PCB 130 elektrische Verbindungen (nicht dargestellt), die sich von einer ersten Platinenoberfläche 132, wo sie mit den Vias 212 verbunden sind, zu einer zweiten Platinenoberfläche 134 erstrecken, wo sie mit elektronischen Komponenten, wie z.B. den Verarbeitungschips 170, verbunden sein können. Leiterbahnen (nicht dargestellt) auf der PCB 130 verbinden die Verarbeitungschips 170 elektrisch mit dem Verbinder 160, der seinerseits über den Verbinder 150 eine Signalverbindung zu der flexiblen Verbindung 140 herstellt. Die Verarbeitungschips 170 können eine Datenakquisitionsschaltung, wie z.B. Verstärker, Analog/Digital-Wandler und Steuerungslogik, enthalten, die elektrisch mit dem Fotodiodenarray 206 verbunden werden soll und die Ausgangssignale von diesem verarbeitet. In einer alternativen Ausführungsform können Ausgangssignalleitungen 136 in geringer Dichte verwen det werden, um Verbindungen zu anderen elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) herzustellen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann ein Mehrschicht-Keramikelement als PCB 130 verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Fotodiodenarray 206 aus 512 Fotodioden bestehen, die jeweils Ausdehnungen von etwa 15 mm mal etwa 32 mm aufweisen.
  • Eine beispielhafte Anwendung der Backlit-Fotodiodendetektoranordnung 110 findet in einem CT-Röntgendetektor 100 statt, wobei ein geringes elektronisches Übersprechen und eine hohe Bildqualität erwünscht sind. Die lamellenförmige Anordnung einer sehr dünnen ersten Siliziumschicht 200, die die Backlit-Fotodioden 206 aufweist, mit einer zweiten Siliziumschicht 210, die die Vias 212 aufweist, sorgt für das geringe elektronische Übersprechen mit der hohen Bildqualität, während eine einfache Materialhandhabung für die anschließende Montage erhalten bleibt.
  • Wie offenbart, können einige Ausführungsformen der Erfindung einige der folgenden Vorteile haben: Einfachheit der Materialhandhabung während der Montage eines CT-Röntendetektormoduls, hohe Bildqualität der CT-Ausgabe, geringes Signalübersprechen zwischen benachbarten Fotodiodenzellen, die Möglichkeit, Signalverbindungen aus der rückwärtigen Oberfläche der Fotodetektoranordnung herauszuführen, das Ermöglichen des Zusammenpackens eines zweidimensionalen Arrays von Detektormodulen zur verbesserten Patientenerfassung durch CT-Rotation und die Verwendung einer Siliziumschicht mit Vias, die einen zu der Siliziumschicht des Fotodiodenarrays, zu einer mechanischen Versteifung zur Glättung und zu einem mechanischen Träger zur Handhabung passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
  • Eine Fotodiodendetektoranordnung 110 zur Verwendung mit einem Detektor für ionisierende Strahlung 100 enthält eine erste Schicht 200, die eine erste Seite 202, eine zweite Seite 204 und ein an der zweiten Seite 204 angeordnetes Array von Backlit-Fotodioden 206 aufweist, und eine zweite Schicht 210, die der zweiten Seite 204 der ersten Schicht 200 benachbart und gegenüberliegend angeordnet ist. Die zweite Schicht 210 enthält Vias 212. Lichtstrahlen 230, die an der ersten Seite 202 in die erste Schicht 200 eintreten und auf die Backlit-Fotodioden 206 an der zweiten Seite 204 auftreffen, rufen an den Vias 212 der zweiten Schicht 210 elektrische Signale hervor, wodurch sie elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden 206 in einer Entfernung von den Backlit-Fotodioden 206 liefern.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird von Fachleuten verstanden, dass vielfältige Änderungen gemacht und Äquivalente für ihre Elemente eingesetzt werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Bereich abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste oder einzige zum Ausführen der Erfindung in Erwägung gezogene Art offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus deutet die Verwendung der Ausdrücke erster, zweiter etc. keine Reihenfolge oder Bedeutung an, sondern die Ausdrücke erster, zweiter, etc. werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Darüber hinaus deutet die Verwendung der Ausdrücke ein, eine etc. keine Beschränkung der Anzahl an, sondern bezeichnet stattdessen nur das Vorhandensein von wenigstens einem der bezeichneten Objekte.
    • 100
    Röntgendetektor
    110
    Fotodiodendetektoranordnung
    120
    Szintillator
    122
    Szintillatorelemente
    124
    Strahlungseinfallfläche
    126
    Stahlungsaustrittsfläche
    130
    Gedruckte Schaltungsplatine (PCB)
    132
    Erste Platinenoberfläche
    134
    Zweite Platinenoberfläche
    136
    Ausgangssignalleitungen
    140
    Flexible Leitung
    150
    Verbinder
    160
    Verbinder
    170
    Verarbeitungschips
    200
    Erste Schicht
    202
    Erste Seite
    204
    Zweite Seite
    206
    Fotodioden
    210
    Zweite Schicht
    214
    Vorderseite
    216
    Rückseite
    220
    Pfeile (Röntgenstrahlen)
    230
    Pfeile (Lichtstrahlen)
    300
    Daten bei 150 μm Dicke
    310
    Daten bei 100 μm Dicke

Claims (10)

  1. Fotodiodendetektoranordnung (110) zur Verwendung mit einem Detektor (100) für ionisierende Strahlung, wobei die Anordnung (110) aufweist: Eine erste Schicht (200), die eine erste Seite (202), eine zweite Seite (204) und ein auf der zweiten Seite (204) angeordnetes Array von Backlit-Fotodioden (206) aufweist, und eine zweite Schicht (210), die der zweiten Seite (204) der ersten Schicht (200) benachbart und gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die zweite Schicht (210) Vias (212) aufweist, wobei Lichtstrahlen, die in die erste Schicht (200) an der ersten Seite (202) eintreten und auf die Backlit-Fotodioden (206) an der zweiten Seite (204) auftreffen, elektrische Signale an den Vias (212) der zweiten Schicht (210) hervorrufen, wodurch sie elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden (206) entfernt von den Backlit-Fotodioden (206) liefern.
  2. Anordnung (110) nach Anspruch 1, bei der die Dicke der ersten Schicht (200) gleich oder größer als etwa 25 Mikrometer und gleich oder kleiner als etwa 100 Mikrometer ist.
  3. Anordnung (110) nach Anspruch 1, bei der die erste Schicht (200) mit der zweiten Schicht (210) mechanisch und elektrisch verbunden ist, die Dicke der ersten Schicht (200) gleich oder kleiner als etwa 150 Mikrometer ist und die erste und zweite Schicht (200, 210) jeweils Silizium enthalten.
  4. Anordnung (110) nach Anspruch 1, bei der sich die Vias (212) von einer Vorderseite (214) der zweiten Schicht (210) zu einer gegenüberliegenden Rückseite (216) der zweiten Schicht erstrecken.
  5. Anordnung (110) nach Anspruch 1, bei der das Array von Backlit-Fotodioden (206) benachbarte Backlit-Fotodioden (206) enthält, die ein Zelle/Zelle-Signalübersprechen von gleich oder weniger als etwa 4% aufweisen.
  6. Anordnung (110) nach Anspruch 1, bei der das Array von Backlit-Fotodioden (206) benachbarte Backlit-Fotodioden (206) enthält, die ein Zelle/Zelle-Signalübersprechen von gleich oder weniger als etwa 2% aufweisen.
  7. Detektor (100) für ionisierende Strahlung, der aufweist: Eine Fotodiodendetektoranordnung (110), die aufweist: Eine erste Schicht (200), die eine erste Seite (202), eine zweite Seite (204) und ein an der zweiten Seite (204) angeordnetes Array von Backlit-Fotodioden (206) aufweist, und eine zweite Schicht (210), die der zweiten Seite (204) der ersten Schicht (200) benachbart und gegenüberlie gend angeordnet ist, wobei die zweite Schicht (210) Vias (212) aufweist, und einen Szintillator (120), der an der ersten Seite (202) der ersten Schicht (200) angeordnet ist, wobei der Szintillator (120) aufweist: Eine Strahlungseinfallfläche (124) und eine Strahlungsaustrittsfläche (126), wobei der Szintillator (120) Lichtstrahlen (230) erzeugt, die in Folge der an der Einfallfläche (124) einfallenden Strahlung an der Austrittsfläche (126) austreten, wobei die an der Austrittsfläche (126) austretenden Lichtstrahlen (230) auf der ersten Seite (202) der ersten Schicht (200) der Fotodiodendetektoranordnung (110) einfallen, wobei die Lichtstrahlen (230), die in die erste Schicht (200) an der ersten Seite (202) eintreten und auf die Backlit-Fotodioden (206) an der zweiten Seite (204) auftreffen, elektrische Signale an den Vias (212) der zweiten Schicht (210) hervorrufen, wodurch sie elektrische Ausgangssignale von den Backlit-Fotodioden (206) entfernt von den Backlit-Fotodioden (206) liefern.
  8. Detektor (100) nach Anspruch 7, bei dem die Dicke der ersten Schicht (200) gleich oder größer als etwa 25 Mikrometer und gleich oder kleiner als etwa 150 Mikrometer ist, und das Array der Backlit-Fotodioden (206) benachbarte Backlit-Fotodioden (206) enthält, die ein Zelle/Zelle- Signalübersprechen von gleich oder weniger als etwa 4% aufweisen.
  9. Detektor (100) nach Anspruch 7, bei dem die Dicke der ersten Schicht (200) gleich oder kleiner als etwa 100 Mikrometer ist, und das Array der Backlit-Fotodioden (206) benachbarte Backlit-Fotodioden (206) enthält, die ein Zelle/Zelle-Signalübersprechen von gleich oder weniger als etwa 2% aufweisen.
  10. Detektor (100) nach Anspruch 7, bei dem sich die Vias (212) von einer Vorderseite (214) der zweiten Schicht (210) zu einer gegenüberliegenden Rückseite (216) der zweiten Schicht (210) erstrecken, und der weiterhin aufweist: Eine dritte Schicht, die eine gedruckte Schaltungsplatine (130) aufweist, die elektrische Verbindungen auf einer ersten Platinenoberfläche (132) aufweist, die sich bis zu einer zweiten Platinenoberfläche (134) hindurch erstrecken, wobei die elektrischen Verbindungen auf der ersten Platinenoberfläche (132) zur Signalverbindung mit den Vias (212) angeordnet sind und die elektrischen Verbindungen auf der zweiten Platinenoberfläche (134) zur Signalverbindung mit wenigstens einer elektronischen Komponente (170) angeordnet sind.
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