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Die Erfindung betrifft eine photonische Signalleitung, eine Detektorchipanordnung, einen Strahlendetektor und ein Verfahren zur Datenübertragung ohne elektrischen Kontakt in einer Detektorchipanordnung.
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Bei medizinischen Untersuchungen, zum Beispiel bei Computertomographie-Aufnahmen oder auch der Positronen-Emissionstomographie, mit Hilfe von Röntgenstrahlen kommen Detektoren als Strahlendetektoren zum Einsatz. Diese Röntgendetektoren können als Szintillator-Detektoren oder Detektoren mit Direktkonvertern ausgebildet sein. Als Strahlendetektor soll im Folgenden jede Art von Detektor verstanden werden, die radioaktive Strahlung detektiert, insbesondere aber Röntgenstrahlen oder andere harte Strahlen, wie zum Beispiel Gammastrahlen, erfasst.
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Bei Szintillator-Detektoren wird das Szintillatormaterial bei dem Durchgang der Röntgenstrahlung angeregt und die Anregungsenergie in Form von Licht wieder abgegeben. Dieses im Material erzeugte, sichtbare Licht wird mit Hilfe von Photodioden gemessen. Der Szintillatordetektor ist in der Regel nach Art eines Arrays mehrere Szintillatorelemente umfassend ausgebildet, wobei den Szintillatorelementen einzelne Photodioden zugeordnet sind, so dass die Photodioden ebenfalls ein Array bilden.
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Detektoren mit Direktkonvertern weisen Halbleiter-Materialien auf, die eine Direktumwandlung der auf sie eintreffenden Strahlung in ein elektrisches Signal vornehmen. Die auftreffende Röntgenstrahlung erzeugt unmittelbar Ladungsträger in Form von Elektronen-Loch-Paaren. Durch Anlegen einer Spannung (Biasspannung) an das Halbleitermaterial werden durch das hierdurch erzeugte elektrische Feld die Ladungsträgerpaare getrennt und gelangen zu elektrischen Kontakten oder Elektroden, die auf dem Halbleitermaterial angebracht sind. Hierdurch wird ein elektrischer Ladungspuls erzeugt, der proportional zur absorbierten Energie ist und von einer nachgeschalteten Auslese-Elektronik ausgewertet wird. Im Bereich der human-medizinischen Bildgebung angewandte, beispielsweise auf CdTe oder CdZnTe basierende Halbleiter-Detektoren weisen gegenüber den dort heutzutage gängigen Szintillatordetektoren den Vorteil auf, dass bei ihnen eine energiesortierende Zählung möglich ist, d. h. die erfassten Röntgenquanten können in Abhängigkeit von ihrer Energie beispielsweise in zwei Klassen (hochenergetisch und niederenergetisch) oder mehrere Klassen aufgeteilt werden.
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Bei beiden Arten von Detektoren müssen Signale aus der Sensorebene an eine in einer dahinter liegenden Ebene angeordnete Auswerteelektronik weitergeleitet werden. Herkömmlich werden die Signale von der Sensorebene über Drahtverbindungen, auch Wirebonds genannt, an einen dem Sensorchip nachgeschalteten Chip bzw. an ein Substrat weitergeleitet. Die Wirebonds sind in Zwischenräumen bzw. Lücken zwischen den Sensorchips angeordnet und verbrauchen somit einen Teil der Fläche in der Sensorebene, welche nicht als sensitive Fläche zur Verfügung steht. Damit geht auch ein Verlust an Sensitivität bzw. ein schlechteres Signal/Rausch-Verhältnis einher.
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Eine Möglichkeit, den Verlust an Sensorfläche zu verringern, besteht in dem Einsatz von sogenannten Through-Silicon-Vias (TSV), mit denen platzsparend eine elektrische Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite von Halbleiterchips realisiert wird. Allerdings ist bei der Anordnung solcher Kontaktelemente eine hohe Positioniergenauigkeit notwendig, um einen Kontakt zwischen den verschiedenen Ebenen einer Chipanordnung herzustellen. Zudem ist die Bandbreite und damit die Übertragungsrate der einzelnen Kontaktelemente begrenzt, so dass eine größere Anzahl von Kontakten notwendig ist, welche wiederum einen Teil der Sensorfläche beanspruchen. Ferner sind mit der Verwendung von TSVs auch eine geringere Ausbeute (yield) an funktionierenden Bauelementen und damit höhere Kosten verbunden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative, einfach zu realisierende Signalleitung für einen Strahlendetektor mit einer verbesserten Sensitivität zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird durch eine photonische Signalleitung gemäß Patentanspruch 1, durch eine Detektorchipanordnung gemäß Patentanspruch 8, durch einen Strahlendetektor gemäß Patentanspruch 12 und durch ein Verfahren zur kontaktfreien Datenübertragung in einer Detektorchipanordnung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Signalleitung für eine Detektorchipanordnung weist eine Sensor-Schnittstelle zu einer Sensorchipanordnung auf. Unter einer Detektorchipanordnung soll insbesondere eine Anordnung mit einem Sensorchip, beispielsweise ein Röntgensensorchip, verstanden werden. Der Sensorchip kann zum Beispiel Photodioden und Szintillatormaterial oder einen Direktkonverter umfassen. Die Sensor-Schnittstelle dient der Übertragung von Sensorsignalen bzw. diesen Signalen entsprechenden Daten und der Konversion der von Sensoren der Sensorchipanordnung erfassten Sensorsignale in ein Format, insbesondere ein digitales Datenformat, welches mit Hilfe von Lichtwellen übertragbar ist. Dazu geeignet sind Wellenlängen im Infrarotbereich, in dem Silizium transparent ist.
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Die erfindungsgemäße Signalleitung umfasst ferner eine Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinrichtung, welche mit der Sensorschnittstelle verbunden ist und dazu eingerichtet ist, von der Sensorchipanordnung empfangene Daten mit Hilfe von Lichtwellen zu senden. Bei der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser handeln, mit dem Licht definiert und gerichtet an eine gewünschte Position bzw. eine vorbestimmte Empfangseinrichtung übertragen werden kann. Insbesondere sollte im einfachsten Anwendungsfall, bei dem eine Kommunikation jeweils zwischen einer definierten Datenübertragungseinrichtung und einer bestimmten Empfangseinrichtung realisiert ist, der Lichtkegel der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung ausreichend eng sein und ausreichend genau auf die der jeweiligen Datenübertragungseinrichtung zugeordnete Empfangseinrichtung ausgerichtet sein, so dass Empfangseinrichtungen, die benachbarten Datenübertragungseinrichtungen zugeordnet sind, nicht gestört werden.
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Die erfindungsgemäße Signalleitung weist zudem eine Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die von der Licht emittierenden Datenübertragungseinrichtung gesendeten Daten zu empfangen, und eine Ausgangsschnittstelle auf, welche mit der Datenempfangseinrichtung und mit einer Auswerteelektronik verbunden ist und dazu eingerichtet ist, von der Datenempfangseinrichtung empfangene Daten an die Auswerteelektronik weiterzuleiten. Die Ausgangsschnittstelle kann insbesondere elektronische Bauelemente zur Konversion der empfangenen Lichtwellen in digitale Daten mit einem Format umfassen, welches von der angeschlossenen Auswerteelektronik weiterverarbeitbar ist. Unter Lichtwellen sollen in dieser Anmeldung nicht nur elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich verstanden werden, sondern jede Art von elektromagnetischen Wellen, welche unter Berücksichtigung der Abmessungen, der Materialien der Anordnung sowie der Anforderungen an die Datenübertragungsrate als geeignet erscheinen.
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Die erfindungsgemäße Detektorchipanordnung weist die erfindungsgemäße photonische Signalleitung sowie eine Sensorschicht auf, welche die Sensorchipanordnung umfasst. Sie weist weiterhin auch eine Auswerteschicht auf, welche die Auswerteelektronik umfasst. Die Licht emittierende Datenübertragungseinrichtung ist der Sensorschicht räumlich zugeordnet angeordnet und die Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung ist der Auswerteschicht räumlich zugeordnet.
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Der erfindungsgemäße Strahlendetektor umfasst die erfindungsgemäße Detektorchipanordnung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Datenübertragung ohne elektrischen Kontakt in einer Detektorchipanordnung werden zunächst Sensorsignale, welche von einer Sensorchipanordnung erfasst wurden, in ein digitales Datenformat konvertiert. Weiterhin werden die konvertierten digitalen Daten in Form von Lichtwellen mit Hilfe einer Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung ausgesandt. Die ausgesandten digitalen Daten werden mit Hilfe einer Lichtwellen erfassenden Datenempfangseinrichtung empfangen und über eine Ausgangsschnittstelle, welche mit der Datenempfangseinrichtung und mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, an die Auswerteelektronik weitergeleitet.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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Im Folgenden werden die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten auch kurz als Sender bezeichnet und die Datenempfangseinrichtungen auch kurz als Empfänger bezeichnet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen photonischen Signalleitung umfassen die von der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung emittierten Lichtwellen einen Frequenzbereich, in dem die Sensoren der Sensorchipanordnung nicht sensitiv sind. Die Wahl eines solchen Frequenzbereichs für die von der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung emittierten Lichtwellen hat die vorteilhafte Wirkung, dass die Lichtwellen zur Datenübertragung das von den Sensoren der Sensorchipanordnung erfasste Sensorsignal nicht unerwünscht beeinflussen können. Eine Alternative oder Ergänzung kann auch eine Abschirmung der Signalleitung von den Sensoren der Sensorchipanordnung sein, welche der Abschirmung der Sensoren gegen die Lichtwellen zur Datenübertragung und umgekehrt auch der Abschirmung der Lichtwellen zur Datenübertragung gegen Lichtsignale aus dem Sensorbereich dient. Als Materialen für die Abschirmung der Signalleitung gegen den Sensor werden bevorzugt Materialien verwendet, die gegen Strahlung, welche vom Sensor herrührt, undurchlässig sind. Als Materialien zur Abschirmung des Sensors gegen die Signalleitung werden bevorzugt Materialien verwendet, die gegen Infrarotstrahlung undurchlässig sind.
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Eine weitere Alternative oder Ergänzung zur Minimierung gegenseitiger Störungen besteht darin, die Strahlungsdetektion und die optische Datenübertragung zeitlich zu entkoppeln. Geeignet wäre die Nutzung der Detektortotzeit zur Datenübertragung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen photonischen Signalleitung ist der Frequenzbereich der emittierten Lichtwellen derart gewählt, dass zumindest ein Teil der Lichtwellen von einem Substrat, welches sich zwischen der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung und der Lichtwellen erfassenden Datenempfangseinrichtung befindet, nicht absorbiert wird. Beispielweise kann das Substrat Silizium umfassen, das insbesondere für langwellige elektromagnetische Wellen gut durchlässig ist. Vorteilhafterweise wird das Spektrum der emittierten Lichtwellen derart an die Transparenzeigenschaften des jeweiligen Substratmaterials angepasst, dass eine ausreichende Durchlässigkeit des Substratmaterials für die emittierten Lichtwellen besteht, so dass eine Informationsübertragung mit geringem Energieaufwand mit Hilfe der photonischen Signalleitung gewährleistet ist.
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In einer spezifischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen photonischen Signalleitung umfasst der Frequenzbereich der von der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung emittierten Lichtwellen den Infrarotbereich. Da Silizium im Infrarotbereich transparent ist, ist für den besonders häufigen Anwendungsfall der Verwendung von Silizium als Chipmaterial bzw. auch Substratmaterial eine optische Kommunikation im Infrarotbereich prinzipiell ohne weitere Vorbehandlung des Siliziums möglich.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Signalleitung umfasst die Sensor-Schnittstelle eine Digitalisierungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die von Sensoren der Sensorchipanordnung erfassten Sensorsignale in digitale Daten zu wandeln, welche mit Hilfe von Lichtwellen übertragbar sind. Denn es müssen die von Sensoren erfassten Sensorsignale in ein übertragbares digitales Format konvertiert werden, um in Form von Lichtwellen übertragbar zu sein. Zusätzlich umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Ausgangsschnittstelle eine Wandlungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die empfangenen Lichtwellen in ein von der Auswerteelektronik verarbeitbares digitales Format zu konvertieren.
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In einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen photonischen Signalleitung umfasst die Licht emittierende Datenübertragungseinrichtung einen Oberflächenemitter zur Emission der Lichtwellen. Zusätzlich kann die Datenempfangseinrichtung einen optischen Leiter oder eine Lichtempfangseinheit umfassen. Anders ausgedrückt, kann die Datenempfangseinrichtung beispielsweise ein Lichtleitersystem umfassen, welches die emittierten Lichtwellen zu einer Lichtempfangseinheit mit Empfangssensoren weiterleitet.
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In einer speziellen Variante der erfindungsgemäßen photonischen Signalleitung umfasst die Lichtempfangseinheit eine PIN-Diode.
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In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen photonischen Signalleitung ist eine Licht emittierende Einheit, beispielsweise ein Laser in der Auswerteebene statt in der Senderebene angeordnet. In diesem Fall reflektiert oder absorbiert der Sender zur Kommunikation das von dem Laser emittierte Licht, wobei Reflektion zum Beispiel dem digitalen Wert 1 entspricht und Absorption dem digitalen Wert 0 entspricht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Detektorchipanordnung ist die Licht emittierende Datenübertragungseinrichtung in einer der Sensorschicht direkt benachbarten Schicht oder direkt in der Sensorschicht angeordnet. Ferner kann auch die Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung in einer der Auswerteschicht direkt benachbarten Schicht oder direkt in der Auswerteschicht angeordnet sein. Eine derart nahe Positionierung an der Sensorschicht bzw. der Auswerteschicht erleichtert die Signalübertragung zwischen den genannten Schichten und der Signalleitung. Es besteht also ausreichend Freiheit bei der Positionierung der Datenübertragungseinrichtung und der Datenempfangseinrichtung. Entscheidend ist, dass zwischen dem Sender und dem Empfänger keine Materialien verwendet werden, welche die Lichtwellen zu stark absorbieren.
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In einer speziellen Variante der erfindungsgemäßen Detektorchipanordnung weist die Sensorschicht zusätzlich elektronische Datenverarbeitungseinrichtungen auf, welche dazu eingerichtet sind, die von der Sensorschicht erfassten Sensorsignale weiterzuverarbeiten und die verarbeiteten Daten an die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinrichtung zu übermitteln. Beispielsweise können die erfassten Sensorsignale vor der Konvertierung in digitale Daten noch verstärkt werden.
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In einer besonders praktikablen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Detektorchipanordnung weist die Auswerteschicht elektrische Kontakte auf, mit denen Daten von der Auswerteschicht an andere Einheiten übertragen werden können.
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Der erfindungsgemäße Strahlendetektor kann zum Beispiel ein Szintillationsdetektor oder ein direktkonvertierender Detektor sein.
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Für den Fall, dass der Strahlendetektor ein Szintillationsdetektor ist, umfasst der Detektor eine Szintillationsschicht, welche auf einer Außenseite des Detektors angeordnet ist und der Sensorschicht benachbart ist. Dabei weist die Sensorschicht Sensorelemente zur Erfassung von in der Szintillationsschicht ausgelösten Lichtsignalen auf.
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Für den Fall, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Strahlendetektor um einen direktkonvertierenden Detektor handelt, weist die Detektorchipanordnung eine direktkonvertierende Detektorschicht auf, welche auf einer Außenseite des Detektors angeordnet ist und mit der Sensorschicht über elektrische Kontaktelemente verbunden ist. In diesem Fall besteht die eigentliche Sensorschicht aus Elektroden bzw. Pixelelektroden, welche die im direktkonvertierenden Material der Detektorschicht ausgelösten elektrischen Spannungsimpulse detektieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
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1 schematisch eine herkömmliche Detektorchipanordnung mit einer Drahtverbindung als Signalleitung,
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2 eine Detektorchipanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine Detektorchipanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine Detektorchipanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Erfassen und Auswerten von Sensorsignalen mit Hilfe einer kontaktfreien Datenübertragung in einer Detektorchipanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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In 1 wird eine herkömmliche Röntgendetektor-Chipanordnung 1 gezeigt. Die Anordnung 1 umfasst eine Sensorebene 2, welche eine Außenschicht 3 aufweist, die zum Beispiel aus einem Harz oder aus Glas hergestellt ist. Weiterhin umfasst die Sensorebene 2 eine Sensorchip-Schicht 4, auch Sensorschicht genannt, in der die eigentlichen Sensorbauelemente 17 angeordnet sind, die zum Beispiel im Fall eines Szintillationsdetektors Fotodioden umfassen.
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Fotodioden können zum Beispiel auch Avalanche-Fotodioden (APD) und daraus abgeleitet Silicon-Fotomultiplier (SiPM) sein, welche den bei hohen Feldstärken auftretenden Lawineneffekt (Avalanche-Effekt) in Halbleiterkristallen zur Ladungsträgervermehrung nutzen. Einzelne APDs erzeugen eine strahlungsleistungsproportionale Ausgangsspannung, erreichen aber im Gegensatz zum Photomultiplier nur eine Verstärkung von < 103. SiPMs erzielen Verstärkungen im Bereich von 106. Avalanche-Fotodioden werden bevorzugt zur Detektion von geringen Lichtintensitäten mittlerer oder hoher Frequenz eingesetzt.
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Zum Einzelphotonennachweis können spezielle Avalanche-Photodioden, so genannte Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD), verwendet werden. Dabei erzeugen einzelne Photonen kurzzeitig bis zu einige Mio. Ladungsträger, welche somit leicht als elektrische Impulse registriert werden können.
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Mit dem Einsatz der photonischen Signalleitung kann zum Beispiel bei der PET-Anwendung verhindert werden, dass die Timing-Eigenschaften verschlechtert werden, wie es bei herkömmlichen Anordnungen der Fall ist, weil dort der Signalanstieg durch äußere Kapazitäten verlangsamt wird oder das Signal auf andere Weise eine nicht mehr korrigierbare Latenz aufweist.
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Zusätzlich befinden sich in der Sensorschicht 4 elektronische Bauelemente 18, welche zum Beispiel die von den Photodioden erzeugten Sensorsignale erfassen und verstärken und zusammenfassen. Die Sensorebene 2 umfasst zudem eine Substratschicht 19, auf der die Sensorschicht 4 aufgebracht ist. Diese Substratschicht 19 kann zum Beispiel das Halbleitermaterial Silizium umfassen.
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Die Anordnung 1 weist zusätzlich zu der Sensorebene 2 auch eine sekundäre Chipebene 6 auf, welche an ihrer von der Anordnung 1 abgewandten Seite eine strukturierte Fläche 7 mit elektronischen Bauelementen aufweist. Die sekundäre Chipebene 6 umfasst zusätzlich ein Substrat 20 auf der Innenseite, d.h. auf der dem Substrat 19 der Sensorebene 2 zugewandten Seite.
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Die strukturierte Fläche 7 umfasst zum Beispiel Auswertungselemente, mit denen die Sensorsignale verarbeitet werden. Die Sensorsignale werden von der Sensorchip-Schicht bzw. Sensorschicht 4 über Signalleitungen 5 empfangen, die die Sensorbauelemente 17 und elektronischen Bauelemente 18 der Sensorschicht 4 mit elektronischen Bauelementen der strukturierten Fläche 7 elektrisch verbinden. Die Signalleitung verläuft durch die Substratschicht 19 der Sensorebene 2 und durch das Substrat 20 der sekundären Chipebene 6.
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Die in den elektronischen Bauelementen der strukturierten Fläche 7 der sekundären Chipebene 6 verarbeiteten Signaldaten werden über Kontakt-Pads 8 an Konnektoren bzw. Interposer 9 weitergeleitet. Die Konnektoren oder Interposer dienen als Verbindungen zwischen ICs, d.h. der gezeigten Chipanordnung 1 und Leiterplatten (nicht gezeigt). Sehr fein strukturierte IC-Anschlüsse (die Kontakt-Pads 8) werden mittels eines Substrats bzw. mittels der Interposer auf die für die Leiterplattentechnik benötigten größer dimensionierten Strukturen umgesetzt. Beispielsweise sind die Verbindungsstrukturen 8 an der Chipanordnung 1 im Bereich 10–20 µm dimensioniert, während auf der Leiterplatte die Ballabstände bei 400 µm liegen. Wie bereits erläutert und in der 1 auch veranschaulicht, nehmen die Verbindungen zwischen den beiden Ebenen der Anordnung 1 in der Sensorschicht 4 viel Platz ein, welcher dann nicht mehr für die Sensorchipelemente 17, zum Beispiel Fotodioden, zur Verfügung steht.
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In der 2 ist eine Chipanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Sensorchipanordnung 12 ist als Szintillator-Detektoranordnung ausgebildet, was jedoch nur eine Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung darstellt, und weist ebenfalls eine Sensorebene 2 auf. Alternativ ist auch eine entsprechende Anordnung mit einem Direktkonverter-Detektor möglich. Die Sensorebene 2 umfasst ähnlich wie in der 1 eine Außenschicht 3, eine Sensorchip-Schicht 4, welche unter der Außenschicht 3, d.h. auf der zur Innenseite der Anordnung 1 zugewandten Seite der Außenschicht 3 angeordnet ist.
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Die Sensorchip-Schicht 4 weist Sensorelemente, wie zum Beispiel Fotodioden 17 sowie elektronische Bauelemente 18 auf, welche zum Beispiel die von den Fotodioden 17 erzeugten Sensorsignale erfassen und verstärken, zusammenfassen und zu den Positionen weiterleiten, an denen nun die erfindungsgemäßen Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 angeordnet sind. Die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 können zum Beispiel sogenannte VCSEL-Einheiten sein (VCSEL = vertical-cavitiy surface-emitting laser = Oberflächenemitter). Im Folgenden werden die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 auch als Sender bezeichnet. Die Kommunikation zwischen den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 und der Sensorschicht 4 erfolgt über eine Sensorschnittstelle 25, welche dazu eingerichtet ist, Sensorsignale bzw. Sensordaten in ein Format zu wandeln, welches von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 verarbeitet werden kann. Beispielsweise kann eine Wandlung der Sensorsignale in Digitaldaten vorgenommen werden. Die Digitaldaten können dann von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 an einen Empfänger übertragen werden.
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In der 2 ist beispielhaft eine Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 oberhalb der Sensorschicht 4 angeordnet, d.h. sie ist in der Außenschicht 3 angeordnet, wobei sie elektrische Verdrahtungen oder elektronische Bauelemente der Sensorchip-Schicht 4 kontaktiert. Die Sensorebene 2 umfasst zudem optional auch ein Substrat 19. Eine alternative Anordnung der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheit 10 könnte zum Beispiel eine Positionierung der genannten Einheit 10 in dem Substrat 19 der Sensorebene 2 sein, wobei ein elektrischer Kontakt mit den elektrischen Verdrahtungen oder elektronischen Bauelementen der Sensorchip-Schicht 4 hergestellt sein sollte, um eine Übertragung von Sensorsignaldaten aus der Sensorschicht 4 an die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 zu gewährleisten.
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Bevor die Sensorsignale an die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 übertragen werden, werden die Sensorsignale, wie bereits erwähnt, optional in digitale Sensorsignaldaten umgewandelt, so dass sie in ein Datenformat konvertiert sind, mit welchem die Sensorsignaldaten von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 in einfacher Weise übertragen werden können. Die von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 erfassten Sensorsignaldaten werden mit Hilfe von Lichtwellen bzw. allgemeiner elektromagnetischen Wellen anschließend durch die Substratschicht 19 hindurch an einen Lichtleiter 11, beispielsweise eine Lichtwellen erfassende Glasfaserleitung 11, übermittelt. Die Lichtwellen erfassende Glasfaserleitung 11 wird im Folgenden auch kurz als Empfänger bezeichnet.
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Vorteilhaft werden für die Lichtwellen, mit denen die Sensorsignaldaten übertragen werden, Frequenzen verwendet, mit welchen die Lichtwellen nicht von dem Substrat 19 absorbiert werden. Umfasst das Substrat 19 beispielsweise Silizium, ist es besonders vorteilhaft, als Trägerfrequenz eine Frequenz im Infrarotbereich zu verwenden. Die Glasfaserleitung 11 leitet die empfangenen Signaldaten weiter an eine Lichtwellen empfangende Datenempfangseinheit (nicht gezeigt). Von dort können die erfassten Daten zum Beispiel zentral in einer Auswertungseinheit ausgewertet werden, was in einer solchen optionalen Ausführungsform eine zusätzliche Platzersparnis bringt. Alternativ ist auch eine dezentrale Auswertung, insbesondere on-Chip möglich. Die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 kann Daten mit einer viel größeren Bandbreite übertragen, als das mit Hilfe der herkömmlichen verdrahteten Signalleitungen 5 (zum Beispiel Wirebonds) oder auch der TSVs möglich ist. Außerdem benötigt sie viel weniger Platz in der Sensorschicht 4. Somit wird der Anteil sensitiver Fläche in der Sensorebene erhöht. Dies führt zu einem verbesserten Signal-zu-Rauschverhältnis bei den bei einer Bildaufnahme erfassten Bildern. Zudem kann die Platzierung der Sende- und Empfangseinheiten größere Toleranzen aufweisen, falls die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 Licht in einen größeren Raumwinkel abstrahlen, was technisch leicht zu realisieren ist.
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In der 3 ist eine Chipanordnung 14 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Anordnung 14 umfasst ähnlich wie die Anordnung 12 in 2 eine Sensorebene 2. Die Sensorebene 2 weist eine Außenschicht 3 und eine Sensorchip-Schicht 4 auf, welche unter der Außenschicht 3, d.h. auf der der Innenseite der Anordnung 1 zugewandten Seite der Außenschicht 3 angeordnet ist.
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Die Sensorchip-Schicht 4 weist ebenso wie die in 2 gezeigte Sensorchip-Schicht Sensorelemente, wie zum Beispiel Fotodioden 17, sowie elektronische Bauelemente 18 auf, welche zum Beispiel die von den Fotodioden 17 erzeugten Sensorsignale erfassen und/oder verstärken und/oder zusammenfassen und zu den Positionen weiterleiten, an denen nun die erfindungsgemäßen Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 angeordnet sind. Wie in der Beschreibung zu Figur 2 erläutert, können die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 zum Beispiel sogenannte VCSEL-Einheiten sein. Zwischen den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 und der Sensorschicht 4 ist wie bereits in 2 gezeigt, eine Sensorschnittstelle 25 angeordnet, welche eine Konversion der von der Sensorelektronik 18 erfassten Signale in ein Datenformat ermöglicht, das von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 weiterverarbeitet werden kann.
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In der in 3 gezeigten Anordnung ist die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 beispielhaft oberhalb der Sensorschicht 4 angeordnet, d.h. sie ist in der Außenschicht 3 angeordnet, wobei sie elektrische Verdrahtungen oder elektronische Bauelemente 18 der Sensorchip-Schicht 4 kontaktiert. Die Sensorebene 2 umfasst zudem optional auch ein Substrat 19. Eine alternative Anordnung der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheit 10 könnte zum Beispiel eine Positionierung des Senders 10 in dem Substrat 19 der Sensorebene 2 sein, wobei ein elektrischer Kontakt mit den elektrischen Verdrahtungen oder elektronischen Bauelementen 18 der Sensorchip-Schicht 4 hergestellt sein sollte, um eine Übertragung von Sensorsignaldaten aus der Sensorschicht 4 an die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 zu gewährleisten.
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Bevor die Sensorsignale an die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 übertragen werden, werden die Sensorsignale optional in digitale Sensorsignaldaten gewandelt, so dass sie in ein Datenformat konvertiert sind, mit welchem die Sensorsignaldaten von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 in einfacher Weise übertragen werden können.
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Die in 3 gezeigte Anordnung 14 umfasst zusätzlich eine zweite Chipebene 6, welche an ihrer Unterseite, d.h. der von der Anordnung 14 abgewandten Seite, eine strukturierte Fläche bzw. Schicht 7 mit elektronischen Bauelementen aufweist. Die sekundäre Chipebene 6 umfasst optional zusätzlich ein Substrat 20, welches auf der Innenseite der Anordnung 14, d.h. auf der dem Substrat 19 der Sensorebene 2 zugewandten Seite der sekundären Chipebene 6 angeordnet ist.
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Die strukturierte Fläche 7 weist zum Beispiel Auswertungselemente auf, mit denen die Sensorsignale verarbeitet werden. Beispielsweise werden die in der Sensorebene 2 erfassten Sensorsignale zusammengefasst. Zusätzlich ist an der Außenseite der zweiten Chipebene, d.h. der von der ersten Chipebene, d.h. der Sensorebene 2 abgewandten Seite, eine Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung 13 angeordnet. Die Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung 13 kann alternativ auch auf der anderen Seite der strukturierten Fläche 7, d.h. an der der Sensorebene 2 zugewandten Seite der zweiten Chipebene 6 angeordnet sein. Die Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung 13 erfasst die von der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheit 10 ausgesandten Lichtsignale und leitet sie über eine Ausgangsschnittstelle 26 an elektronische Bauelemente der zweiten Chipebene 7 weiter. Die Ausgangsschnittstelle konvertiert beispielsweise die von der Datenempfangseinrichtung 13 erfassten Signale in ein von den elektronischen Bauelementen weiterverarbeitbares digitales Datenformat. Nach einer optionalen Weiterverarbeitung werden die erfassten Signale über Kontakt-Pads 8 an Konnektoren bzw. Interposer 9 weitergeleitet. Die Konnektoren oder Interposer dienen als Verbindungen zwischen ICs, d.h. der gezeigten Chipanordnung 1 und Leiterplatten (nicht gezeigt). Anders als bei der Anordnung 12 in 2 findet also bei der Anordnung 14 gemäß 3 eine direkte und dezentrale Erfassung und Weiterverarbeitung der Sensorsignale on-Chip in der zweiten Chipebene statt.
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In der 4 ist eine Detektorchip-Anordnung 21 gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die in 4 gezeigte Anordnung 21 kann beispielsweise als Direktkonverter-Sensoranordnung ausgebildet sein, jedoch ist eine solche Anordnung auch als Szintillator-Anordnung nicht ausgeschlossen. Bei der Anordnung 21 in 4 ist die Sensorebene 2 in zwei Unterebenen aufgeteilt, nämlich in eine Detektionsschicht 15, in der im Fall des Direktkonverters das Direktkonvertermaterial angeordnet ist, mit dem einfallende Strahlung detektiert und in eine Detektionsspannung umgewandelt wird, und in eine Signalerfassungsschicht 23, in der zum Beispiel die Signalspannung der detektierten Sensorsignale erfasst und optional verstärkt wird und/oder die Sensorsignale digitalisiert werden.
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Die Signalerfassungsschicht 23 umfasst, anders als die entsprechende Sensorschicht 4 in den 1 bis 3, keine Fotodioden. Im Fall einer Direktkonverteranordnung werden solche Fotodioden nicht benötigt. Wird die Anordnung 21 alternativ als Szintillatoranordnung ausgebildet, so können die Fotodioden beispielsweise in der Detektionsschicht angeordnet sein. In jedem Fall werden in der Detektionsschicht 15 erfasste detektierte Signale bzw. Spannungen, welche proportional zu der erfassten Strahlungsdosis sind, über Kontaktelemente 16, auch Kontakt-Pads genannt, an die Signalerfassungsschicht 23 weitergeleitet.
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Ähnlich wie bei der Anordnung in der 3 ist in der Anordnung 21 der 4 eine Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 beispielhaft oberhalb der Signalerfassungschicht 23 angeordnet. In diesem Fall ist die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 also auf der der Detektionsschicht 15 zugewandten Seite der Signalerfassungsschicht 23 angeordnet, wobei die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 elektrische Verdrahtungen oder elektronische Bauelemente der Signalerfassungsschicht 23 über eine Sensorschnittstelle 25 kontaktiert. Die Sensorebene 2 umfasst zudem optional auch ein Substrat 19.
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Eine alternative Anordnung der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheit 10 könnte zum Beispiel eine Positionierung der genannten Einheit 10 in dem Substrat 19 der Sensorebene 2 sein, wobei ein elektrischer Kontakt mit den elektrischen Verdrahtungen oder elektronischen Bauelementen der Signalerfassungsschicht 23 hergestellt sein sollte, um eine Übertragung von Sensorsignaldaten aus der Signalerfassungsschicht 23 an die Lichtwellen emittierende Datenübertragungseinheit 10 zu gewährleisten.
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Bevor die Sensorsignale an die Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 übertragen werden, werden die Sensorsignale optional in der Signalerfassungsschicht 23 oder in der Sensorschnittstelle 25 in digitale Sensorsignaldaten gewandelt, so dass sie in ein Datenformat konvertiert sind, mit welchem die Sensorsignaldaten von den Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 in einfacher Weise übertragen werden können.
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Die in 4 gezeigte Anordnung 21 umfasst ähnlich wie die Anordnung 14 in 3 zusätzlich eine zweite Chipebene 6, welche an ihrer von der Anordnung 1 abgewandten Seite eine strukturierte Fläche 7 mit elektronischen Bauelementen aufweist. Die zweite Chipebene 6 umfasst optional zusätzlich ein Substrat 20, welches auf der Innenseite der Anordnung 21, d.h. auf der dem Substrat 19 der Sensorebene 2 zugewandten Seite der sekundären Chipebene 6 angeordnet ist.
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Wie bei der Anordnung 14 in 3 weist auch bei der Anordnung 21 in 4 die strukturierte Fläche 7 elektronische Bauelemente wie zum Beispiel Auswertungselemente auf, mit denen die Sensorsignale verarbeitet werden. Beispielsweise werden mit Hilfe der in der Fläche 7 angeordneten elektronischen Bauelemente die in der Sensorebene 2 erfassten Sensorsignale zusammengefasst. Zusätzlich ist an der Außenseite der zweiten Chipebene, d.h. der von der ersten Chipebene, d.h. der Sensorebene 2 abgewandten Seite, eine Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung 13 angeordnet. Die Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung 13 kann alternativ auch auf der anderen Seite der strukturierten Fläche 7, d.h. an der der Sensorebene 2 zugewandten Seite der zweiten Chipebene 6 angeordnet sein. Die Lichtwellen erfassende Datenempfangseinrichtung 13 erfasst die von der Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinheiten 10 ausgesandten Lichtsignale und leitet sie an elektronische Bauelemente der strukturierten Fläche 7 der zweiten Chipebene 6 weiter. Bevor die erfassten Lichtsignale von den elektronischen Bauelementen verarbeitet werden, werden sie noch in einer zwischen dem Empfänger 13 und der Auswerteschaltung der strukturierten Fläche 7 positionierten Ausgangsschnittstelle 26 in ein von den elektronischen Bauelementen verarbeitbares digitales Datenformat konvertiert. Nach einer optionalen Weiterverarbeitung werden die erfassten Signale über Kontakt-Pads 8 an Konnektoren bzw. Interposer 9 weitergeleitet. Die Konnektoren oder Interposer dienen als Verbindungen zwischen ICs, d.h. der gezeigten Chipanordnung 1, und Leiterplatten (nicht gezeigt). Ähnlich wie bei der Anordnung in 3 findet also bei der Anordnung gemäß 4 eine direkte und dezentrale Erfassung der Sensorsignale in der ersten Chipebene 2 und eine Weiterverarbeitung der Sensorsignale on-Chip in der zweiten Chipebene 6 statt. Anders als bei der Anordnung 14 in 3 ist bei der Anordnung 21 in 4 allerdings die Strahlungsdetektion und die Erfassung und Verarbeitung bzw. Wandlung von der Detektion der Strahlung entsprechenden Signalen in zwei verschiedene Ebenen aufgeteilt.
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Bei den in den 2 bis 4 gezeigten Ausgestaltungen ergibt sich vorteilhaft eine größere Freiheit in der Gestaltung der Chipanordnung. Beispielsweise können einzelne Chips mit Komponenten auf beiden Seiten ausgestattet sein oder können die Chipanordnungen als übereinanderliegende Chips mit jeweils beliebiger Orientierung der Empfänger- und Senderebene ausgebildet sein. Die Paare aus Empfänger und Sender können optional pixelweise angeordnet sein oder alternativ auch modulweise verbaut sein. In diesem Fall müssen zusätzlich Multiplexschaltungen empfangsseitig und/oder auch senderseitig ausgebildet sein, um die von verschiedenen Pixeln erfassten Sensorsignale weiterzuleiten. Bei einer modulweise angeordneten Anordnung, in der also nur ein Paar aus Empfänger 13 und Sender 10 oder eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Sendern und einem Empfänger für eine Mehrzahl von Pixeln ausgebildet ist, könnte der Empfängerchip, d.h. der Chip, auf dem der Empfänger angeordnet ist, deutlich kleiner dimensioniert sein als der Sensorchip.
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Weiter alternativ könnten die Paare aus Empfänger und Sender redundant aufgebaut sein, um die Detektoreffizienz zu verbessern. Einzelne Kanäle könnten dabei optional deaktivierbar ausgestaltet sein. Im Fall eines Defekts könnten dann die zusätzlichen Kanäle zugeschaltet werden, so dass Störungen aufgrund von Ausfällen einzelner Sender- oder Empfängereinheiten vermieden werden können. Im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen äußerst vorteilhaften Anordnungen führen defekte TSVs oder herkömmliche Wirebonds oft zu Störungen im gesamten Bauteil. Als weiteren Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die mögliche Vereinfachung bei dem Test eines Chips nach der Herstellung zu nennen, da bei der erfindungsgemäßen Anordnung keine elektrische Kontaktierung für den Test notwendig ist.
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In 5 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren 500 zum Erfassen und Auswerten von Sensorsignalen mit Hilfe einer kontaktfreien Datenübertragung in einer Detektorchipanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Verfahren werden in einem Schritt 5.I zunächst Sensorsignale S mit Hilfe von Sensoren einer Sensorchipanordnung erfasst. Bei den Sensoren kann es sich um Sensoren handeln, welche auf dem Direktkonversionsprinzip beruhen, oder auch um Sensoren, welche auf dem Szintillationsprinzip beruhen, wobei dem Szintillator eine Detektionseinheit, beispielsweise mit Photodioden nachgeschaltet ist. Im letzeren Fall ist den Photodioden üblicherweise noch ein Photomultiplier zur Verstärkung des erfassten Photostroms nachgeschaltet. Die erfassten Sensorsignale werden in einem Schritt 5.II in ein digitales Datenformat DSF konvertiert. Weiterhin werden die konvertierten digitalen Daten in einem Schritt 5.III in Form von Lichtwellen LW mit Hilfe einer Lichtwellen emittierenden Datenübertragungseinrichtung ausgesandt. In einem Schritt 5.IV werden die ausgesandten digitalen Daten mit Hilfe einer Lichtwellen erfassenden Datenempfangseinrichtung empfangen. Die empfangenen Datensignale EDS werden ferner in einem Schritt 5.V über eine Ausgangsschnittstelle, welche mit der Datenempfangseinrichtung und mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, an die Auswerteelektronik weitergeleitet. Bei dem Schritt 5.V kann zum Beispiel auch eine Konversion der empfangenen Daten in ein von der Auswerteelektronik weiterverarbeitbares digitales Datenformat WDF erfolgen. Um Störungen der Sensoren durch die Datenübertragung zu verhindern, kann zum Beispiel die optische Kommunikation so getaktet sein, dass die optische Kommunikation nur während der „Totzeit“ des Detektors aktiv ist.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen Anordnungen um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist.
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Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ oder „Modul“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
