DE102016221481A1

DE102016221481A1 - Strahlungsdetektor mit einer Zwischenschicht

Info

Publication number: DE102016221481A1
Application number: DE102016221481.0A
Authority: DE
Inventors: Harald Geyer; Thorsten ERGLER; Jan Wrege; Michael Hosemann; Stefan Wirth
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2036-11-03
Also published as: US20180120447A1; US10866328B2; CN108020858B; US10598798B2; DE102016221481B4; US20200158890A1; CN108020858A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor (1, 1', 1") mit einer Zwischenschicht (2), die zwischen einer Detektionsschicht (3) mit einer Anzahl von Detektionselementen (4, 4', 4") und einer Anzahl von Ausleseeinheiten (5) angeordnet ist. Dabei weist die Zwischenschicht (2) eine Vielzahl elektrisch leitendender Verbindungen (6, 7) zwischen den Detektionselementen (4) und den Ausleseeinheiten (5) auf. Ferner gibt die Erfindung eine medizintechnisch bildgebende Anlage (20) sowie die Verwendung einer Heizvorrichtung (8) an.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, eine medizintechnisch-bildgebende Anlage sowie eine Verwendung einer Heizvorrichtung zur Beheizung eines Strahlungsdetektors.
Bei der Entwicklung von Strahlungsdetektoren - zum Beispiel Röntgendetektoren für CT-Systeme - gilt es, die Fertigungskosten immer weiter zu senken. Die Hauptkosten (~80%) eines CT-Detektors stecken dabei in dem so genannten Sensorboard. Dieses beinhaltet üblicherweise das direkt-konvertierende oder indirekt-konvertierende Sensormaterial, die Auswerteelektronik (ASIC und bei einigen Aufbauten auch die Photodiode) und ein Trägermaterial bzw. Trägersubstrat, welches als Basiseinheit für den Gesamtaufbau benötigt wird und dem Sensorboard die mechanische Stabilität gibt.
Die Fläche des ASIC ist dabei üblicherweise gleich der Fläche des gesamten CT-Detektors. Dies ist zum Beispiel bei der Technologie für integrierende Detektoren der Fall, bei der Photodioden und der ASIC eine Einheit bilden. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass die Leitungslängen zwischen Photodiode und Auswerteelektronik möglichst kurz gehalten werden, um das Elektronikrauschen zu reduzieren. Des Weiteren wurde die Technologie entwickelt, um kleinere Pixel im Detektor zu ermöglichen.
Auch bei der Counting-Technologie ist die Fläche des ASIC üblicherweise gleich der Fläche des gesamten CT-Detektors. Eine große Unbekannte bei der Entwicklung der Counting-Technologie ist in gewissen Teilen der Einfluss der Eingangskapazität eines Pixels auf das Antwortverhalten und dabei insbesondere das Linearitäts- und Rauschverhalten in Kombination mit der Energieauflösung des ASIC. Um Komplexität und Risiko aus der Entwicklung herauszunehmen, galt es, die Eingangskapazitäten möglichst gering und gleich groß zu halten. Dies führte zu einem prinzipiellen Aufbau (siehe 1), bei dem sich der jeweilige Eingangskanal des ASIC direkt an dem sensorseitigen Pad befindet. Die Leitungslängen sind dabei minimiert und nach Möglichkeit so ausgelegt, dass die Eingangskapazitäten bei allen Pixeln gleich sind.
Der Nachteil dieses hochintegrierten Ansatzes ist hingegen der Preis. Die ASIC-Kosten sind in der Regel nicht durch die enthaltenen Funktionen, sondern von der Fläche bestimmt. Insbesondere mit Blick auf größere Absatzmärkte sollte es also das Ziel sein, die Kosten zu reduzieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigeren Aufbau für einen Strahlungsdetektor anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strahlungsdetektor gemäß Patentanspruch 1, eine medizintechnisch bildgebende Anlage gemäß Patentanspruch 11 und eine Verwendung einer Heizvorrichtung zur Beheizung eines Strahlungsdetektors gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Der vorstehend genannte Strahlungsdetektor umfasst eine Zwischenschicht, die zwischen einer Detektionsschicht mit einer Anzahl von Detektionselementen und einer Anzahl von Ausleseeinheiten angeordnet ist. Dabei weist die Zwischenschicht eine Vielzahl elektrisch leitendender Verbindungen zwischen den Detektionselementen und den Ausleseeinheiten auf.
Der Strahlungsdetektor ist eine Schichtanordnung aus bevorzugt im Wesentlichen parallel angeordneten Schichten. Dabei heißt „im Wesentlichen“, dass die Schichten auch leicht gewölbt sein können. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist erfindungsgemäß also eine Zwischenschicht zwischen der Detektionsschicht und den Ausleseeinheiten angeordnet. Die Ausleseeinheiten sind explizit nicht direkt mit der Detektionsschicht, sondern indirekt über die Zwischenschicht verbunden.
Die Zwischenschicht weist zwei gegenüberliegende flächige Seiten auf, wobei benachbart zur einen flächigen Seite, die im Folgenden auch als Oberseite bezeichnet wird, die Detektionsschicht angeordnet ist. Benachbart zur gegenüberliegenden flächigen Seite, die im Folgenden auch als Unterseite bezeichnet wird, sind die Ausleseeinheiten angeordnet. Die Zwischenschicht kann dabei grundsätzlich als durchgehende Schicht über den gesamten Detektor ausgestaltet sein, was sich besonders vorteilhaft auf die Stabilität bzw. Steifigkeit auswirkt. Sie kann aber auch aus einer Anzahl von innerhalb der Zwischenschicht angeordneten Zwischenschichtelementen gebildet werden, wodurch die Fertigung vereinfacht wird.
Die Detektionsschicht ist allgemein so ausgebildet, dass sie die einfallende Strahlung mittels der Detektionselemente in ein üblicherweise analoges elektrisches Signal umwandelt. Je nach Verwendungszweck kann der Strahlungsdetektor zur Messung elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen und/oder zur Messung von Teilchenstrahlung dienen. Dafür umfasst die Detektionsschicht dem jeweiligen Detektortyp entsprechende Detektionselemente.
Zum Beispiel bei indirekt konvertierenden Röntgendetektoren (auch integrierende Detektoren genannt) ist auf die Oberseite der Zwischenschicht folgend zunächst eine Vielzahl von Photodioden als Detektionselemente in einer ersten Unterschicht der Detektionsschicht angeordnet, die zur Zwischenschicht parallel angeordnet ist. Darauf folgt wiederum eine dazu parallele zweite Unterschicht der Detektionsschicht mit einem Szintillator als weiteres Detektionselement. Dieser konvertiert einfallende Röntgenstrahlung in Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der Szintillator der zweiten Unterschicht kann sich dabei über weite Bereiche des Detektors durchgehend erstrecken, er ist jedoch bevorzugt modular als eine Anzahl von Szintillatorelementen ausgestaltet. Das vom Szintillator erzeugte sichtbare Licht wird folgend auf die jeweils räumlich zugeordnete Photodiode übertragen, die es wiederum in ein elektrisches Signal konvertiert.
Bei direkt konvertierenden Detektoren (auch photonenzählende Detektoren genannt) wird beispielsweise die einfallende Strahlung, bevorzugt in einem Halbleitermaterial, direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt. Detektoren dieses Typs umfassen daher bevorzugt als Detektionselemente Sensorelemente aus Si (Silizium), GaAs (Galliumarsenid), HgI₂ (Quecksilberjodid) und/oder a-Se (amorphes Selen), besonders bevorzugt aus CdTe (Cadmiumtellurid) und/oder CdZnTe (Cadmiumzinktellurid).
Der Detektor umfasst bei beiden Typen jeweils eine Vielzahl von Pixeln, also kleinsten flächigen Bereichen innerhalb der Detektionsschicht, die eigenständig ausgelesen werden können. Um ausgelesen zu werden, ist jedes Pixel mit einer Ausleseeinheit verbunden. Dabei sind bevorzugt mehrere Pixel mit einer Ausleseeinheit verbunden. Ebendiese Verbindungen sind mittels der Zwischenschicht realisiert. Die Zwischenschicht ist dabei leitend bevorzugt über eine Vielzahl von Löt- oder Klebeverbindungen einerseits mit den Pixeln der Detektionsschicht verbunden. Andererseits ist sie mittels ebensolcher Verbindungen mit den Ausleseeinheiten verbunden. Die Fläche der Detektionsschicht entspricht bevorzugt der Fläche der Zwischenschicht, sodass alle Pixel der Detektionsschicht über die von der Gesamtfläche gleiche und ggf. modulare Zwischenschicht jeweils mit einer Ausleseeinheit verbunden sind.
Die Ausleseeinheiten dienen allgemein der Digitalisierung elektronischer Signale aus den Detektionselementen. Sie sind vorzugsweise als ASIC (application specific integrated circuit) implementiert. Dabei umfassen sie bevorzugt auch zusätzlich Auswerteeinheiten. Darin werden beispielsweise in direkt konvertierenden Detektoren die an den jeweiligen Pixeln erfassten elektronischen Signale als Pulse verstärkt, geshaped und je nach Pulshöhe und Schwellenwert gezählt oder unterdrückt.
Bei unterschiedlichen Längen der Leitungen - also der Verbindungen vom Pixel zur Ausleseeinheit - werden, wie eingangs bereits erläutert, unterschiedliche Eingangskapazitäten für die Ausleseeinheit erzeugt. Durch sogenannte Anpassungsstrukturen sind die Eingangskapazitäten jedoch bevorzugt an die darauffolgenden Ausleseeinheiten bzw. die Auswerteeinheiten angepasst, so dass auch mit längeren und sogar unterschiedlich langen Leitungen gearbeitet werden kann. Als Anpassungsstruktur wird hier grundsätzlich jede mögliche Anpassung der Kapazität verstanden. D. h. die Anpassungsstrukturen verändern die Kapazität beispielsweise aufgrund ihrer geometrischen Gestaltung wie Form, Durchmesser und/oder Länge und/oder einer veränderten Permittivität. Dabei ist jedoch zwischen den gegebenenfalls größeren Leitungslängen und einem erhöhten Elektronikrauschen abzuwägen, welches in einer schlechteren Energieauflösung resultiert. Folglich muss bei der Auslegung des Detektors also ein Kompromiss zwischen der Energieauflösung und den Produktionskosten gefunden werden.
Die Zwischenschicht (engl. „Interposer“) stellt insgesamt somit eine Umverteilungsschicht bzw. Umverdrahtungsschicht dar und erhöht zudem die Stabilität des Detektoraufbaus. Sie entkoppelt die Flächen der einzelnen Detektionselemente, also auch die Gesamtfläche der Detektionsschicht, von den Flächen der Ausleseeinheiten. D. h. die Ausleseeinheiten können vorzugsweise kleiner ausgestaltet sein und müssen nicht mehr die gesamte Detektorfläche einnehmen. Die Zwischenschicht stellt somit einen Paradigmenwechsel in der Entwicklung von Strahlungsdetektoren dar; denn im derzeitigen Stand der Technik wird die Ausleseeinheit möglichst direkt an der Detektionsschicht angeordnet. Mittels der Reduktion der von den Ausleseeinheiten eingenommenen Fläche wird somit vorteilhafterweise auch eine Preisreduktion bei der Fertigung eines erfindungsgemäßen Strahlendetektors erreicht.
Ein, insbesondere erfindungsgemäßer, Strahlungsdetektor weist eine Heizvorrichtung auf. Diese umfasst zumindest ein Heizelement, das zwischen einer Detektionsschicht mit einer Anzahl von Detektionselementen und einer Anzahl von Ausleseeinheiten angeordnet ist. Das zumindest eine Heizelement ist also benachbart sowohl zu den Ausleseeinheiten als auch zur Detektionsschicht. Es kann dabei so ausgestaltet sein, dass es eine eingebrachte Heizleistung möglichst homogen über die gesamte Fläche des Detektors abgeben kann. Besonders bevorzugt sind jedoch mehrere Heizelemente gleichmäßig und bereichsweise so über die Fläche des Detektors verteilt, dass einzelne Bereiche des Strahlungsdetektors mit unterschiedlichen Heizleistungen versorgt werden können. Dadurch lässt sich eine für das Material der Detektionselemente bzw. das Sensormaterial günstige Temperaturstabilisierung auch in unterschiedlichen Bereichen des Sensormaterials erreichen.
Weiterhin kann das Heizelement auch so ausgestaltet sein, dass es je nach Bedarf sowohl eine positive Heizleistung als auch eine negative Heizleistung in den Detektor einbringen kann. Dazu kann es beispielsweise als Wärmeleitung wirken, die an ein Peltier-Element gekoppelt ist, das sowohl heizen als auch kühlen kann. In einfacher Weise kann das Heizelement aber auch beispielsweise als Heizdraht ausgebildet sein, dessen Heizleistung über einen ihn durchfließenden Strom geregelt wird.
Der hier geschilderte Strahlungsdetektor mit der Heizvorrichtung kann als eigenständige Idee unabhängig von dem zuvor beschriebenen Strahlungsdetektor also auch ohne die Zwischenschicht mit den leitenden Verbindungen vorteilhaft genutzt werden. Dann könnte die Heizvorrichtung beispielsweise in Freiräumen zwischen den direkten Kontakten zwischen Detektionselementen und Ausleseeinheiten angeordnet sein. Besondere synergetische Effekte ergeben sich jedoch, wenn das Heizelement der Heizvorrichtung in die Zwischenschicht des vorher beschriebenen Strahlungsdetektors integriert ist. Denn gerade die Zwischenschicht würde sonst eine Wärmeübertragung von üblicherweise unter dem ASIC angeordneten Heizelementen erschweren. Gleichzeitig stellt die Zwischenschicht vorteilhafterweise den Raum bereit, das Heizelement erfindungsgemäß im Detektor anzuordnen.
Die eingangs genannte medizintechnisch bildgebende Anlage (z. B. CT) umfasst einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor, bevorzugt einen direktkonvertierenden Röntgendetektor. Durch die vergleichsweise große Fläche des Detektors bei der Computertomographie ergibt sich für einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor hier ein besonders großes Einsparungspotential bei den Fertigungskosten. Zudem kommt der Effekt der Heizvorrichtung bei den hohen Strahlenflussdichten in CT-Geräten und der damit verbundenen hohen Verlustleistung besonders vorteilhaft zum Tragen.
Insbesondere bei direktwandelnden Röntgendetektoren verändert sich der Widerstand des Sensormaterials mit dem eingestrahlten Röntgenfluss. Dies führt zugleich auch zu einer vom Röntgenfluss abhängigen Änderung des gemessenen Signals, also der Zählrate und der Energieauflösung. Diese Signaländerung kann allerdings kompensiert werden, indem abhängig von der Röntgenstrahlungsvariation auch die Heizleistung variiert wird. Erfindungsgemäß wird daher eine Heizvorrichtung zur Beheizung eines Strahlungsdetektors verwendet. Sie ist dabei zwischen einer Detektionsschicht mit einer Anzahl von Detektionselementen und einer Anzahl von Ausleseeinheiten angeordnet. Zudem steuert eine Steuereinrichtung die Heizvorrichtung an und regelt eine in den Strahlungsdetektor eingebrachte Heizleitung.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibung weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor ist eine Gesamtfläche der Detektionselemente vorzugsweise groß gegenüber einer Gesamtfläche der Ausleseeinheiten. D. h. die Summe der Einzelflächen der Detektionselemente ist groß gegenüber der Summe der Einzelflächen der Ausleseeinheiten. Besonders bevorzugt ist die Gesamtfläche der Detektionselemente doppelt so groß, ganz besonders bevorzugt vierfach so groß wie die Gesamtfläche der Ausleseeinheiten. Denn je mehr Fläche der Ausleseeinheiten gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden kann, desto größer ist auch die Kostenreduktion.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor zur Detektion von beliebiger ionisierender Strahlung wie beispielsweise Alpha- oder Beta-Teilchen eingesetzt werden. Bevorzugt ist er jedoch zur Detektion von Röntgenstrahlung ausgebildet. Bei Röntgenstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 bis 250 Pikometern.
Bevorzugt sind die elektrisch leitenden Verbindungen bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor als Durchkontaktierungen und Umverdrahtungsstrukturen ausgebildet. Darüber sind die einzelnen Pixel der Detektionsschicht mit entsprechenden Schnittstellen der Ausleseeinheiten verbunden. Die Zwischenschicht wird von den Durchkontaktierungen, welche auch als sogenannte „Vias“ bezeichnet werden, senkrecht zu den flächigen Seiten durchdrungen. Die Umverdrahtungsstrukturen bezeichnen dabei Strukturen von Leiterbahnen, die sich in einer Ebene parallel zu den flächigen Seiten der Zwischenschicht erstrecken. Mittels der Umverdrahtungsstrukturen wird also eine räumliche Umordnung der leitenden Verbindungen innerhalb dieser Ebene erzielt.
Die Zwischenschicht weist bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor auf einer den Ausleseeinheiten zugewandten Seite eine Umverdrahtungsstruktur auf. D. h. die Umverdrahtungsstruktur ist bevorzugt auf der Unterseite der Zwischenschicht angeordnet. Besonders bevorzugt weist die Zwischenschicht die Umverdrahtungsstruktur ausschließlich auf der Unterseite auf.
An das Substrat, aus dem die Zwischenschicht besteht, werden aus unterschiedlichen Gründen hohe Anforderungen gestellt. Zum einen muss es beispielsweise in einem CT-Gerät als Trägereinheit die Fliehkräfte (50g-80g je nach Rotationsgeschwindigkeit) im Detektor aushalten und darf sich dabei nicht verformen. Die Oberflächenbeschaffenheit, Welligkeit, Abmessungen usw. müssen in einem sehr engen Toleranzbereich liegen, so dass die Ausrichtung der Pixelmatrix auf den Fokus als Subeinheit im Detektor möglich ist und es nicht zu Bildartefakten kommt. Dies muss durch den Fertigungsprozess selbst gewährleistet werden. Es müssen die weiteren Komponenten (Detektionseinheiten, ASIC usw.) des Detektors hochpräzise platziert werden können. Auch hier gibt es unabdingbare Vorgaben seitens des Fertigungsprozesses, z. B. an die Welligkeit u. Ä. Des Weiteren muss die Zuverlässigkeit des gesamten Aufbaus über 10 Jahre gewährleistet werden. Der Aufbau wird realisiert durch mehrfache und komplexe Löt- und Klebeprozesse. Die Abweichungen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Subkomponenten sind dabei möglichst gering zu halten, so dass bei thermischen Änderungen der induzierte Stress gering und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer möglichst hoch bleiben.
Vornehmlich die Counting-Technologie der direkt konvertierenden Detektoren stellt besondere Anforderungen an die Steifigkeit des Substrats. Bei der Verwendung von CdTe als Sensormaterial zeigt sich beispielsweise, dass induzierte mechanische Spannungen die Kristallstruktur beeinflussen und infolgedessen die Signalstabilität nicht mehr gewährleistet ist. Es entstehen dann nämlich sogenannte Hochdriftregionen oder Driftspots, sodass der Detektor für die CT-Bildgebung nicht mehr geeignet ist. Für das Substrat bedeutet dies, dass es sich nach der Aufbringung des CdTe-Sensors nicht mehr verformen darf und auch bei thermischen Schwankungen keine bzw. nur sehr geringe mechanische Belastungen auf das Sensormaterial ausüben darf.
Bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor umfasst die Zwischenschicht daher bevorzugt ein Substrat aus einem Glasfaserverbundwerkstoff, Hartpapier, Keramik und/oder besonders bevorzugt Glas. Als Glasfaserverbundwerkstoff wird dabei ein Kombinationswerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasermaterial verstanden. Keramik bezeichnet einen Werkstoff, der aus einer Vielzahl anorganischer nichtmetallischer Materialien durch Formen und Brennen hergestellt wird. Hartpapier ist ein Faserverbundwerkstoff aus Papier und einem Kunstharz, bevorzugt Phenoplast, der besonders bevorzugt flammenhemmend entsprechend der Klasse FR-4 ist. Für alle genannten Werkstoffe können die vorgenannten, an das Substrat gestellten Anforderungen in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Aufbau erfüllt werden, wie später noch näher beschrieben wird.
Glas ist als Substrat besonders bevorzugt, weil sich bei diesem Werkstoff die Durchkontaktierungen mittels eines Ätzverfahrens erzeugen lassen und nicht mechanisch gebohrt werden müssen. Dies führt zu einem günstigeren Aspektverhältnis, d. h. es ergibt sich ein besseres Verhältnis von Höhe zu Breite der Durchkontaktierung. Mit anderen Worten können also bei Glas mehr Durchkontaktierungen pro Fläche erstellt werden, sodass zwischen den Durchkontaktierungen (bei gleicher Dichte) mehr Freiraum für die Umverdrahtungsstrukturen sowie gegebenenfalls für die Heizelemente verbleibt.
Das Heizelement ist bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor bevorzugt als mäanderförmiger elektrischer Leiter ausgebildet. Er ist also in Form einer Rechteckfunktion alternierend und bevorzugt wechselweise an der Oberseite und der Unterseite der Zwischenschicht angeordnet. Das Heizelement ist also quasi als Häkelheizung beispielsweise mittels beidseitig geätzter Aussparungen in die Zwischenschicht eingebracht. Dafür werden besonders bevorzugt Zwischenräume genutzt, die zwischen den leitenden Verbindungen vorhanden sind, die die Detektionselemente mit den Ausleseeinheiten verbinden. Mithilfe der auf diese Weise beidseitigen Anordnung des Heizelements kann die eingebrachte Heizleistung vorteilhafterweise gleichmäßig zu beiden benachbarten Seiten, also sowohl an die Detektionselemente als auch an die Ausleseeinheiten, abgegeben werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor umfasst die Heizvorrichtung bevorzugt eine Steuereinrichtung, die die Heizleistung regelt, die in den Strahlungsdetektor eingebracht wird. Die Heizleistung kann beispielsweise über eine einfache Temperaturmessung und einen entsprechenden Regelungskreis und/oder in Abhängigkeit von der vom Detektor erfassten Strahlungsleistung angepasst werden.
Ein erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor umfasst bevorzugt zudem eine Anzahl von leitenden Stützstrukturen, die einerseits der Weiterleitung der Daten von den Ausleseeinheiten bzw. Auswertungseinheiten dienen, die also zum Beispiel die Daten in Verbindung mit anderen Komponenten an eine Rekonstruktionseinheit übertragen. Andererseits können die Stützstrukturen aber auch als tragendes Element zwischen der Zwischenschicht und zum Beispiel einer darunterliegenden Trägerschicht fungieren. Dazu sind die leitenden Stützstrukturen in einer Schicht mit den Ausleseeinheiten bzw. Auswertungseinheiten angeordnet. Eine leitende Stützstruktur umfasst besonders bevorzugt eine Anzahl von Elementen zur Weiterleitung der Daten der Ausleseeinheit, die grundsätzlich in unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet sein können, z. B. als sogenannte „Ballstack-Struktur“. Diese bezeichnet eine gestapelte Anordnung aus Lotbällen und Platten mit Umverdrahtungsstrukturen.
Eine solche leitende Stützstruktur ermöglicht es, dass die Umverdrahtungsstrukturen der erfindungsgemäßen Zwischenschicht verglichen mit bekannten mehrlagigen Umverdrahtungsstrukturen einfach, d. h. insbesondere einlagig, gehalten werden können. Dadurch wird vorteilhafterweise die Stabilität der Zwischenschicht erhöht und der Fertigungsprozess vereinfacht.
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:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Strahlungsdetektors nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors,
4 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors mit Heizvorrichtung,
5 eine Darstellung eines Graphen zur Erläuterung der Regelung der Heizvorrichtung und
6 eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Computertomographiesystems.

Es soll in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, dass sich die Begriffe „oben“ und „unten“ hier auf die schematische Darstellung beziehen. Bei einem bestimmungsgemäß eingebauten Strahlungsdetektor entspricht „oben“ in Richtung einer (Röntgen-)strahlungsquelle weisend und „unten“ dementsprechend von dieser weg weisend (d. h. „oben“ entspricht der Richtung, aus der die zu detektierende Strahlung auf die Detektionselemente auftrifft).
1 zeigt beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung eines direkt konvertierenden Strahlungsdetektors 1* nach dem Stand der Technik. Der Strahlungsdetektor 1* ist hier aus mehreren parallelen Schichten zusammengesetzt.
Eine erste Schicht wird von zwei nebeneinander angeordneten Halbleitersensoren 4, beispielsweise CdTe-Sensoren, gebildet. In einer zweiten darunterliegenden Schicht sind nebeneinander vier ASICs 5 angeordnet. Die ASICs 5 der zweiten Schicht sind direkt über Lötverbindungen 10 mit den Halbleitersensoren 4 verbunden. Dabei erstrecken sie sich über eine Gesamtfläche, die genauso groß ist wie die Gesamtfläche der Halbleitersensoren 4. Unter der zweiten Schicht ist als eine dritte Schicht eine keramische Trägerschicht 15* angeordnet. Diese ist üblicherweise als LTCC-Schicht 15* (Low Temperature Cofired Ceramics) ausgebildet. D. h. sie ist eine mehrlagige Schaltung auf Basis von gesinterten Keramikträgern. Die ASICs 5 stehen hier direkt über Lötverbindungen 10 mit der Trägerschicht 15* in leitendem Kontakt, wobei eine Umverdrahtung innerhalb der Schaltung der LTCC-Schicht 15* erfolgt. Über die Trägerschicht 15* ist der Strahlungsdetektor 1* mittels eines Konnektors 16, der als Eingangs- bzw. Ausgangsschnittstelle des Strahlungsdetektors 1* wirkt, beispielsweise mit weiteren (hier nicht gezeigten) Auswertungseinheiten wie zum Beispiel einem Auswertungscomputer oder einer Rekonstruktionseinrichtung eines CT-Geräts verbunden.
Im Betrieb einfallende, zu detektierende Strahlung wird hier also von den Halbleitersensoren 4 in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt, dann direkt von den ASICs 5 ausgelesen, ausgewertet und digitalisiert. Anschließend wird es über die Trägerschicht 15* und den Konnektor 16 weitergeleitet.
In 2 ist grob schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlendetektors 1 in Form eines direkt konvertierenden, photonenzählenden Röntgendetektors dargestellt. Im Gegensatz zum anhand von 1 erläuterten Stand der Technik umfasst der erfindungsgemäße Strahlendetektor 1 eine Zwischenschicht 2. Diese ist unter einer Detektionsschicht 3 mit zwei Halbleitersensoren 4 als Detektionselemente 4 angeordnet. Die Halbleitersensoren 4 umfassen eine Vielzahl von Pixeln, die über Lötverbindungen 10 mit der Zwischenschicht 2 verbunden sind.
Die Zwischenschicht 2 weist zwei flächige Seiten auf, von denen eine, nämlich die Oberseite, zu der Detektionsschicht 3 weist. Senkrecht zu den flächigen Seiten der Zwischenschicht 2 erstrecken sich in der Zwischenschicht 2 Durchkontaktierungen 6, die jeweils über eine der Lötverbindungen 10 mit einem Pixel eines Halbleitersensors 4 verbunden sind. Die Durchkontaktierungen 6 werden bevorzugt mittels eines Ätzverfahrens in ein Substrat 11 der Zwischenschicht eingebracht. Als Substrat 11 wird bevorzugt Glas verwendet. Die Zwischenschicht 2 weist auf ihrer flächigen Seite, nämlich einer Unterseite, die der Oberseite gegenüberliegt, Umverdrahtungsstrukturen 7 auf. Die Umverdrahtungsstrukturen 7 umfassen dabei Leiterbahnen, die jeweils über eine Durchkontaktierung mit einem Pixel des Halbleitersensors 4 verbunden sind. Der Strahlungsdetektor 1 umfasst weiterhin zwei ASICs 5, die als Ausleseeinheit 5 fungieren. Jede der Leiterbahnen ist über einen Kontakt mit einem Eingang eines ASICs 5 verbunden. Mittels der Umverdrahtungsstrukturen 7 wird also in einer Ebene parallel zu den flächigen Seiten der Zwischenschicht 2 eine räumliche Umordnung erzielt. Dadurch können die Pixel, die gleichmäßig über die relativ große Fläche des Halbleitersensors 4 verteilt sind, mit dem ASIC 5 verbunden werden, der eine vergleichsweise kleine Fläche aufweist.
Die ASICs 5 sind dabei in einer dritten Schicht unter der Zwischenschicht 2 angeordnet. In dieser dritten Schicht sind neben den ASICs 5 sogenannte „Ballstack-Strukturen“ 12 als leitende Stützstrukturen 12 angeordnet. Die Ballstack-Strukturen 12 sind eine schichtweise Anordnung aus parallelen Leiterplatten 13 und dazwischen angeordneten Lotbällen 14, die die Leiterplatten 13 miteinander verbinden. Die Leitplatten sind zugleich parallel zu den Schichten 2, 3 des Strahlungsdetektors 1 angeordnet. Sie können beispielsweise aus Prepreg bestehen und mittels üblicher Verfahren ausgebildete Umverdrahtungsstrukturen aufweisen. Ein wesentlicher Anteil der im Strahlungsdetektor 1 nötigen Umverdrahtung erfolgt in diesen Ballstack-Strukturen 12.
Die ASICs 5 weisen ferner Ausgänge auf, die über die Zwischenschicht 2 mit den Ballstack-Strukturen 12 verbunden sind. Unter der dritten Schicht ist eine Trägerschicht 15 angeordnet. Die Trägerschicht 15 weist Leiterbahnen auf, die leitend über Lotbälle 14 mit den Ballstack-Strukturen verbunden sind. Die Trägerschicht 15 kann im Vergleich zum Stand der Technik einfacher und somit kostengünstiger ausgeführt sein, da die Umverdrahtung, wie bereits beschrieben, zum Großteil in den Ballstack-Strukturen 12 erfolgt. Die Leiterbahnen der Trägerschicht 15 werden gemeinsam zu einem Konnektor 16 geführt. Über diesen kann auch der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor mit weiteren (hier nicht gezeigten) Auswertungseinheiten wie zum Beispiel einem Auswertungscomputer oder einer Rekonstruktionseinrichtung eines CT-Geräts verbunden sein.
Der Signalfluss ist im erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor wie folgt: Einfallende Röntgenstrahlung wird in den Halbleitersensoren 4 in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Das Analogsignal wird über die Lötverbindungen 10 zu den Durchkontaktierungen 6 in der Zwischenschicht 2 weitergeleitet. Auf der Unterseite der Zwischenschicht 2 wird es in der Umverdrahtungsstruktur 7 räumlich umgeleitet, d. h. das Signal eines jeweiligen Pixels wird mittels einer Leiterbahn zu dem ihm zugehörigen Eingang des ASIC 5 geführt. Im ASIC 5 wird das Signal ausgelesen und ausgewertet, d. h. als Puls verstärkt, geshaped und je nach Pulshöhe und Schwellenwert gezählt oder unterdrückt. Im ASIC 5 wird das Signal zudem digitalisiert. Aus einem Ausgang des ASIC 5 wird das Digitalsignal wiederum über die Umverdrahtungsstruktur 7 der Zwischenschicht 2 zu einer Ballstack-Struktur 12 geleitet. In der Ballstack-Struktur werden die digitalen Signale aus den Ausgängen der ASICs 5 soweit nötig weiter umverdrahtet, also räumlich umverteilt und schließlich über die Trägerschicht 15 zu dem Konnektor 16 als Ausgangsschnittstelle des Strahlungsdetektors geleitet.
Umgekehrt kann der Konnektor 16 jedoch auch als Eingangsschnittstelle beispielsweise für Steuerungssignale des Strahlungsdetektors 1 wirken. Diese nehmen dann den analog umgekehrten Weg durch die Trägerschicht 15, Ballstack-Struktur 12 und Umverdrahtungsstruktur 7 zu einem Steuerungseingang des ASIC. Sie können beispielsweise dazu genutzt werden, um Energieschwellen im ASIC 5 für die zu zählenden Röntgenquanten festzulegen oder um die Regelung einer Heizvorrichtung (vgl. 4) zu steuern.
In 3 ist beispielhaft und grob schematisch ein ähnlicher erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor 1' wie in 2 gezeigt, hier allerdings in Form eines integrierenden Röntgendetektors 1'. Im Unterschied zu 2 befinden sich hier in der Detektionsschicht 3 nicht nur lediglich zwei Halbleitersensoren 4, sondern eine Anordnung mit zwei Unterschichten. In der nach außen weisenden oberen Unterschicht ist als ein Detektionselement ein Szintillator 4" angeordnet, der einfallende Röntgenstrahlung in sichtbares Licht wandelt. In der darunterliegenden unteren Unterschicht sind nebeneinander vier Photodioden 4' angeordnet, auf die das sichtbare Licht aus dem Szintillator 4" übertragen wird. Die Photodioden 4' erstrecken sich gemeinsam über die Fläche des Szintillators 4" und konvertieren das sichtbare Licht in ein dem Pixel zugeordnetes elektrisches Signal, das über eine Lötverbindung 10 an die Zwischenschicht 2 weitergeleitet wird. Von den Lötverbindungen 10 an gleicht der hier beschriebene Detektoraufbau dem aus 2, sodass an dieser Stelle analog darauf verwiesen wird.
4 zeigt beispielhaft und grob schematisch ebenfalls einen ähnlichen erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor 1" wie in 2, hier allerdings mit einer Heizvorrichtung 8. Die Heizvorrichtung 8 umfasst ein Heizelement 9. Dieses ist als Heizdraht 9 ausgebildet, der zwischen den Durchkontaktierungen 6 und den Umverdrahtungsstrukturen 7 in der Zwischenschicht 2 angeordnet ist. Der Heizdraht 9 hat die Form einer Rechteckfunktion (mäanderförmig) und erstreckt sich wechselweise in Abschnitten parallel zu und auf der Oberseite bzw. der Unterseite der Zwischenschicht 2, wobei die Abschnitte jeweils mit zusätzlichen Durchkontaktierungen senkreckt zur Oberseite bzw. Unterseite miteinander verbunden sind. Der hier gezeigte Strahlungsdetektor 1" weist hier - gemeinsam für die beiden Halbleitersensoren 4 - nur einen ASIC 5 auf, der mittig angeordnet und analog über die Durchkontaktierungen 6 und die Umverdrahtungsstrukturen 7 der Zwischenschicht 2 mit den einzelnen Pixeln beider Halbleitersensoren 4 verbunden ist. In dem ASIC 5 ist hier zusätzlich eine Steuereinrichtung der Heizvorrichtung 8 implementiert, die die Heizleistung regelt, die in den Strahlungsdetektor 1" eingebracht wird.
In 5 ist ein Graphen zur Erläuterung der Regelung der Heizvorrichtung dargestellt. In dem Strahlungsdetektor 1" aus 4 auftretende Leistungen sind auf der vertikalen Achse P in einem zeitlichen Verlauf gegenüber der horizontalen Achse t aufgetragen. Eine von der Röntgenstrahlung erzeugte Verlustleistung X ist gestrichelt dargestellt, während eine von der Heizvorrichtung 8 eingebrachte Heizleistung H dunkel gezeigt ist. Die beiden Funktionen haben einen gegengleichen Verlauf. Dadurch wird erreicht, dass eine Summe der im Detektor auftretenden Verlustleistungen L konstant bleibt. Dafür wird die von der Heizvorrichtung 8 eingebrachte Heizleistung H in Abhängigkeit von der einfallenden und im Strahlungsdetektor 1" gemessenen Röntgenintensität durch eine im ASIC 5 implementierte Steuereinrichtung geregelt. Die konstant gehaltene Gesamtverlustleistung L lässt sich schon bei der Auslegung des Detektors berücksichtigen, sodass Artefakte bei der Bildgebung vermieden werden können.
In 6 ist beispielhaft und grob schematisch eine erfindungsgemäße medizintechnisch bildgebende Anlage 20, hier als konkretes Beispiel ein Computertomographiegerät 20, gezeigt. Das Computertomographiegerät 20 umfasst einen Patiententisch 25 zur Lagerung eines Patienten 24 als Untersuchungsobjekt. Der Patiententisch 25 ist entlang einer Systemachse 26 in das Messfeld verstellbar, worüber der Patient 24 im Messfeld positioniert werden kann. Das Computertomographiegerät 20 umfasst ferner eine Gantry 22 mit einer um die Systemachse 26 drehbar gelagerten Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 1, 1', 1". Die Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 1, 1', 1" weist eine Röntgenstrahlungsquelle 23 und einen Strahlungsdetektor 1, 1', 1" auf, die einander gegenüberliegend so ausgerichtet sind, dass im Betrieb eine von dem Fokus der Röntgenstrahlungsquelle 23 ausgehende Röntgenstrahlung auf den Strahlungsdetektor 1, 1', 1" trifft. Der Strahlungsdetektor 1, 1', 1" ist zur ortsaufgelösten Erfassung der Röntgenstrahlung in einzelne Pixel 21 strukturiert, die zu mehreren Strahlungsdetektorzeilen angeordnet sind. Zu jeder Projektion erzeugt der Strahlungsdetektor 1, 1', 1" einen Satz von Projektionsdaten. Diese Projektionsdaten werden anschließend weiterverarbeitet und zu einem resultierenden Bild verrechnet.
Ein solches Computertomographiegerät 20 wird bekanntermaßen zur 3D-Bildrekonstruktion eingesetzt. Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet (Region of Interest) werden bei Rotation der Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 1, 1', 1" Projektionsdaten aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation der Quelle-Strahlungsdetektor-Anordnung 23, 1, 1', 1" beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patiententisches 25 in Richtung der Systemachse 26. Die Röntgenstrahlungsquelle 23 und der Strahlungsdetektor 1, 1', 1" bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn um den Patienten 24. Der genaue Aufbau und die konkrete Arbeitsweise eines solchen CTs sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht im Detail erläutert.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Vorrichtung“, „Einheit“ und „Anlage“ nicht aus, dass die betreffende Komponente aus mehreren zusammenwirkenden Teilkomponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. So kann die Steuereinrichtung der Heizvorrichtung beispielsweise in der Ausleseeinheit bzw. Auswerteeinheit integriert und/oder in einer zentralen Steuereinrichtung für die medizintechnisch bildgebende Anlage implementiert sein.

Claims

Strahlungsdetektor (1, 1', 1") mit einer Zwischenschicht (2), die zwischen einer Detektionsschicht (3) mit einer Anzahl von Detektionselementen (4, 4', 4") und einer Anzahl von Ausleseeinheiten (5) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (2) eine Vielzahl elektrisch leitendender Verbindungen (6, 7) zwischen den Detektionselementen (4) und den Ausleseeinheiten (5) aufweist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtfläche der Detektionselemente (4, 4', 4") groß gegenüber einer Gesamtfläche der Ausleseeinheiten (5) ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, der zur Detektion von Röntgenstrahlung ausgebildet ist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitenden Verbindungen als Durchkontaktierungen und Umverdrahtungsstrukturen ausgebildet sind.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht (2) auf einer den Ausleseeinheiten zugewandten Seite die Umverdrahtungsstrukturen (7) aufweist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht ein Substrat aus einem Glasfaserverbundwerkstoff, Hartpapier, Keramik und/oder Glas umfasst.
Strahlungsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer, vorzugsweise leitenden, Stützstruktur (12), umfassend eine Anzahl von Elementen (13, 14) zur Weiterleitung von Daten von der Ausleseeinheit (5).
Strahlungsdetektor (1"), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Heizvorrichtung (8), die zumindest ein Heizelement (9) umfasst, das zwischen einer Detektionsschicht (3) mit einer Anzahl von Detektionselementen (4, 4', 4") und einer Anzahl von Ausleseeinheiten (5) angeordnet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, wobei das Heizelement (9) als mäanderförmiger elektrischen Leiter (9) ausgebildet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Heizvorrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die die in den Strahlungsdetektor eingebrachte Heizleistung regelt..
Medizintechnisch bildgebende Anlage (20) mit einem Strahlungsdetektor (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung einer Heizvorrichtung (8) zur Beheizung eines Strahlungsdetektors (1, 1', 1"), wobei - die Heizvorrichtung (8) ein Heizelement (9) umfasst, das zwischen einer Detektionsschicht (3) mit einer Anzahl von Detektionselementen (4, 4', 4") und einer Anzahl von Ausleseeinheiten (5) angeordnet ist und - eine Steuereinrichtung die Heizvorrichtung ansteuert und eine Heizleistung regelt, die in den Strahlungsdetektor eingebracht wird.