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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Bilddetektor
für eine
Röntgeneinrichtung.
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In der Röntgendiagnostik finden elektronische
Bilddetektoren vermehrt Verwendung. Während insbesondere Einzelaufnahmen
auch heute noch häufig
mit röntgenempfindlichem
Filmmaterial aufgezeichnet werden, ist es vor allem bei Serien von Röntgenaufnahmen
wünschenswert,
elektronische Bilddetektoren zu verwenden. Sie ermöglichen
zum einen die Aufnahme schnellerer Bildfolgen aufgrund der geringeren
erforderlichen Belichtungszeiten und des entfallenden mechanischen
Film-Transports, zum anderen können
die erfassten Daten unmittelbar einer elektronischen Auswertung
zugeführt
werden. So müssen
etwa in der Computer-Tomographie Serien von Tausenden von Einzelaufnahmen
zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, z.B. zu einem Röntgenschnittbild.
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In der Computer-Tomographie werden
Bilddetektoren eingesetzt, die aus einzelnen Modul-Boards bestehen.
Diese setzen sich jeweils aus einem Szintillator und einer angrenzenden
Reihe von Fotosensoren zusammen, die in einzeln kontaktierte Detektions-Punkte,
also in Pixel-Punkte, strukturiert ist. Die Fotosensor-Schicht besteht
aus einem Fotodioden-Material und liefert für jeden Pixel-Punkt, also auf
jedem Messkanal, einen analogen Strom, der proportional zur gemessenen
Röntgenintensität ist. Ein
A/D-Wandler setzt diesen in einen digitalen Wert um, der dem Auswerte-Computer
als einzelner Bildpunkt, also als Pixel, zugeführt wird.
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Da jeder Pixel-Punkt der Fotodiode über einen
zugehörigen
Messkanal einen eigenen Messwert liefert, muss für die Kontaktierung jedes Pixel-Punktes
eine eigene elektrische Lei tung vorgesehen werden. Die Pixel-Punkte
werden bislang linear, also in einer Reihe, angeordnet. Die Kontaktierung wird über Kontaktflächen hergestellt,
die in einer von den Pixel-Punkten
getrennt angeordneten, parallelen Reihe angeordnet sind und zu denen
elektrische Leiterbahnen führen.
Jede Kontaktfläche
dient als Bond-Pad für
die jeweilige elektrische Leitung. Die elektrischen Leitungen werden
seitlich aus der länglichen
Fotodiode herausgeführt.
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In der Computer-Tomographie werden
Modul-Boards mit einer möglichst
großen
Anzahl von Messkanälen
verwendet; Anzahlen von 10.000 Messkanälen und mehr sind wünschenswert.
Die verwendeten Bond-Techniken werden bei derartig großen Kanalzahlen
zunehmend schwierig zu handhaben. Zudem ist man durch die Bond-Technik
auf eine lineare Anordnung der Fotodioden bzw. Pixel-Punkte beschränkt, da
die Bond-Pads bei einer flächigen
Anordnung eine zu große
Oberfläche
einnehmen würden,
die als Totzone für
den Detektor anzusehen wäre.
Ein weiterer Nachteil des bisherigen Modul-Aufbaus besteht in den
weiten Signalwegen, die zwischen den linear angeordneten Pixel-Punkten und
der Auswerte-Elektronik entstehen. Die langen Signalwege verursachen
zum einen lange Signal-Laufzeiten, die für die Auswertung schnell abfolgender
Bild-Serien nachteilig sind, zum anderen sind sie anfällig für Störsignale.
Nicht zuletzt ist der Kostenaufwand für das Herstellen derartig vieler Bond-Verbindungen
sehr hoch. Angesichts der Schwierigkeiten der bisherigen Technologie
scheint eine Erhöhung
der Anzahl von Kanälen
auf mehr als 10.000 nicht sinnvoll möglich zu sein.
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Zwar sind anstelle des Modul-Aufbaus
auch flächige
Detektor-Konzepte
bekannt, die auf kostengünstigere
Weise einen höheren
Integrationsgrad erreichen. Diese Konzepte, z.B. Panels aus amorphem Silizium,
lassen sich aber nicht ohne weiteres in der Computer-Tomographie
implementieren. Insbesondere ist das Nachleuchten der vorbekannten
Detektoren dafür
verant wortlich, dass keine ausreichende Zeit-Auflösung und
Aufnahme-Dynamik erreicht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, einen Bilddetektor für
Röntgenbilder
anzugeben, der eine flächige
Anordnung von Detektor-Pixeln mit einem hohen Flächenfüllfaktor aufweist, d.h. mit
hoher Ausnutzung der Detektor-Oberfläche durch Detektor-Pixel-Punkte.
Der Bilddetektor soll gleichzeitig eine gute Detektions-Empfindlichkeit
und -Dynamik aufweisen, problemlos elektrisch verbindbar und unaufwändig herstellbar
sein.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Bilddetektor
gemäß Patentanspruch
1.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht
darin, einen Bilddetektor anzugeben, dessen Detektor-Pixel-Punkte
rückseitig
kontaktiert sind. Damit ist gemeint, dass die Detektor-Pixel-Punkte einen elektrischen
Kontakt auf ihrer von der Bild-Quelle
abgewandten Seite aufweisen, über
den sie elektrisch verbunden werden. Als Material für die Detektor-Pixel-Punkte
wird ein organisches Fotodioden-Material verwendet. Organische Fotodioden
sind zum einen sehr unaufwändig
und kostengünstig,
zum anderen weisen sie die für
Anwendungen in der Computer-Tomographie erforderliche Aufnahme-Dynamik
auf, die unter anderem kein Nachleuchten zeigt. Die rückseitige
Kontaktierung ermöglicht
die Herstellung von elektrischen Verbindungen durch problemlos anzuwendende
Hochintegrations-Technologien
anstelle der bisher verwendeten Bond-Techniken, da Kontaktflächen und
Sensoren nicht mehr unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Außerdem werden
Totzonen in der Detektor-Oberfläche
vermieden, die durch die bisher erforderlichen Bond-Pads gegeben
waren, und damit der Füllfaktor
erhöht.
Dies ermöglicht
insbesondere die Verwendung des Bilddetektors in der Computer-Tomographie.
Zudem wird durch die Erfindung die Länge der analogen Signallaufstrecken
auf ein Minimum verringert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung sind die Rückseitenkontakte
der Detektor-Pixel-Punkte mit Durchkontaktierungen in einem Substrat
verbunden, die zur Rückseite
des Substrats führen.
Durch Verwendung eines solchen Substrats können zusätzliche Funktionalitäten realisiert
werden. Z.B. kann die elektrische Schaltung komplexer gestaltet
und der Integrationsgrad erhöht
werden. Außerdem
kann das Substrat dem Bilddetektor die erforderliche mechanische
Stabilität
und Form verleihen.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat aus einem Material
hergestellt wird, das als Abschirmung gegen Röntgenstrahlung wirksam ist.
Das Material ist entweder integraler Bestandteil des Materials,
aus dem das Substrat hergestellt ist, oder es ist als zusätzliche Schicht
auf dem Substrats aufgebracht. Die Abschirmung gegen Röntgenstrahlung
dient dem Schutz sämtlicher
hinter der fotosensitiven Schicht des Bilddetektors gelegenen aktiven
oder passiven elektrischen Bauelemente und sonstigen Komponenten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung sind auf der Rückseite
des Substrats elektrische Bauelemente montiert, mit denen die Foto-Sensoren über die
Durchkontaktierungen verbunden werden. Diese Bauelemente können sowohl
aktiv als auch passiv sein und können
lediglich der Ansteuerung der Foto-Sensoren oder auch einer ersten
Signal-Vor-Auswertung der Foto-Sensor-Signale dienen. Dadurch wird
der Bilddetektor als Modul einsetzbar. Durch Zusammensetzen einzelner
solcher Module können
dann verschiedene Detektoren beliebiger Größe und Form zusammengestellt
werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen im
einzelnen:
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1 Bilddetektor
gemäß der Erfindung
in perspektivischer Ansicht,
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2 Bilddetektor
gemäß der Erfindung
als Schnitt,
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3 Variante
des Bilddetektors gemäß der Erfindung
als Schnitt,
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4 Bilddetektor-Substrat
gemäß der Erfindung
mit Kontaktflächen
für Foto-Sensoren
in perspektivischer Draufsicht.
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In 1 ist
ein Bilddetektor gemäß der Erfindung
in perspektivischer, nicht maßstäblicher
Ansicht dargestellt. Für
den Aufbau des Bilddetektors ist das Substrat 1 das tragende
Element. Es wird ein großflächiges,
mechanisch stabiles Substrat verwendet, z.B. aus Al2O3-Keramik. Je nach Größe des Detektors und Anwendungszweck
können
auch Substrate aus organischen Materialien oder Folien-Substrate verwendet
werden.
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Über
dem Substrat 1 ist eine fotosensitive Schicht 2 dargestellt,
durch die Foto-Sensoren gebildet sind. Die fotosensitive Schicht 2 besteht
aus einem Material, das in Abhängigkeit
vom Auftreten von elektromagnetischer Strahlung ein elektrisches
Signal erzeugt, vorzugsweise aus einem organischen Fotodioden-Material.
Es kommen aber auch Halbleiter-Detektoren, halbleitende Materialien
oder Fotozellen in Betracht. Die fotosensitive Schicht 2 kann entweder
als durchgängige,
geschlossene Schicht des fotosensitiven Materials gebildet sein
oder aus einzeln strukturierten Pixel-Punkten dieses Materials zusammengesetzt
sein. Bei einer durchgängigen Schicht
des fotosensitiven Materials werden die einzelnen Pixel-Punkte durch
die Struktur der elektrischen Kontaktierung gebildet; dabei wird
bei Auftreten eines Detektions-Ereignisses ein elektrisches Signal
jeweils an dem unmittelbar nächstliegenden elektrischen
Kontakt messbar.
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Während
als fotosensitives Material auch ein Halbleiter-Bilddetektor verwendet
werden könnte, der
in der Lage ist, in direkter Abhängigkeit
von Röntgenstrahlung
elektrische Signale zu erzeugen, ist in der in 1 dargestellten Variante als fotosensitive Schicht
eine organische Diode vorgesehen, die elektrische Signale nur in
Abhängigkeit
von Strahlung anderer Wellenlänge
als Röntgenstrahlung
erzeugen kann. Deswegen ist eine Leuchtstoffschicht 4 vorgesehen,
die oberhalb der fotosensitiven Schicht 2 angeordnet ist,
und die bei Anregung durch Röntgenstrahlung
eine Strahlung einer solchen Wellenlänge emittiert, die durch die
fotosensitive Schicht 2 detektiert werden kann. Die Leuchtstoffschicht 4,
auch als Szintillator bezeichnet, kann z.B. aus Gd2O2S mit adäquater
Dotierung bestehen, aus CdWO4, aus CsI mit adäquater Dotierung,
aus LoS mit adäquater
Dotierung, aus BgO oder sonstigen bekannten Materialien. Sie kann
sowohl unstrukturiert als auch in einer Array- oder Matrix-Anordnung
strukturiert sein.
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Um einen guten optischen Kontakt
zwischen der fotosensitiven Schicht 2 und der Leuchtstoffschicht 4 zu
gewährleisten,
ist eine Kontaktschicht 3 vorgesehen, deren Oberflächengüte und Brechungsindex
so beschaffen sind, dass die Strahlung beim Passieren der Schichtgrenzen
nicht übermäßig reflektiert
oder gebrochen wird. Zudem kann die Kontaktschicht 3 die
Funktion einer Haftvermittlungsschicht erfüllen.
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Wird elektromagnetische Strahlung
in der fotosensitiven Schicht 2 detektiert, so erzeugt
diese ein elektrisches Signal, das über zwei elektrische Kontakte
abgreifbar ist. Einer der beiden Kontakte befindet sich an der der
Bildquelle zugewandten Vorderseite der fotosensitiven Schicht 2.
Dieser Kontakt wird durch die Unterseite der Kontaktschicht 3 hergestellt,
die elektrisch leitend ausgestaltet ist und als gemeinsamer Kontakt
bzw. als gemeinsames Potenzial für
alle Pixel-Punkte dient. Zu diesem Zweck besteht die Kontaktschicht 3 aus
leitfähigem
Material; stattdessen kann sie aber auch an ihrer Rückseite eine
leitfähige
Beschichtung aufweisen. Ein zweiter Kontakt jedes Pixel-Punktes
befindet sich auf der anderen Seite der fotosensitiven Schicht 2 und
ist jeweils mit einer eigenen Kontaktfläche auf dem Substrat 1 verbunden.
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Durch das Substrat 1 hindurch
sind die Pixel-Punkte mit den auf der Rückseite des Substrats 1,
in 1 also untenliegenden,
elektrischen Bauelementen 5, 6 verbunden. Diese
sind mittels herkömmliche
Verbindungstechnologien montiert, z.B. SMD, Ball-Grid oder Flip-Chip.
Sie umfassen mindestens einen I/O-Stecker 5, über den
Signale zwischen dem Bilddetektor und der sonstigen Röntgeneinrichtung ausgetauscht
werden. Dies können
die analogen oder bereits digitalisierten Messwerte der einzelnen Pixel-Punkte
der fotosensitiven Schicht 2 sein. Die elektrischen Bauelemente
können
zusätzlich
auch aktive elektrische Bauelemente 6 umfassen, in denen
eine Vor-Auswertung oder Auswertung der Signale der Pixel-Punkte
stattfindet, z.B. D/A-Wandler, Auswerte-asics, DSP's, Controller-Bausteine
oder I/O-Bausteine.
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Da insbesondere aktive elektrische
Bauelemente durch Röntgenstrahlung
beschädigt
werden können,
besteht das Substrat 1 aus einem Material, das als Abschirmung
gegen Röntgenstrahlung
dient. Dies ist entweder eine Al2O3-Keramik oder ein organischer Werkstoff
mit Füllung
durch ein Material hoher Atom-Zahl. Dadurch wird die gesamte hinter
dem Substrat 1 liegende Elektronik vor Röntgenstrahlung geschützt.
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Typische Schichtdicken für das Substrat 1 hängen von
den mechanischen und sonstigen Anforderungen ab. Typische Schichtdicken
für die
Leuchtstoffschicht 4, die Kontaktschicht 3 und
die fotosensitive Schicht 2 liegen im Bereich von 0,3mm
bis 10mm. Die Schichtdicken werden so gewählt, dass die Röntgenstrahlung
möglichst
vollständig
absorbiert werden kann und bei der Detektion möglichst rauscharme elektrische
Signale erzeugt werden.
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In 2 ist
ein nicht maßstäblicher
Schnitt des Bilddetektors aus 1 dargestellt.
Der Schnitt zeigt den gleichen Aufbau, der in 1 dargestellt ist. Die von der Bildquelle
kommende Röntgenstrahlung
trifft in der 2 von
oben kommend auf die Leuchtstoffschicht 4. In der Leuchtstoffschicht 4 wird sie
in eine Strahlung anderer Wellenlänge umgewandelt, die durch
die fotosensitive Schicht 2 detektiert werden kann, nachdem
sie zuvor die Kontaktschicht 3 durchlaufen hat.
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Auf der von der Bildquelle abgewandten Rückseite
der fotosensitiven Schicht 2 sind elektrische Kontakte 7 erkennbar.
Diese Rückseitenkontakte 7 dienen
der elektrischen Kontaktierung der Pixel-Punkte in der fotosensitiven
Schicht 2. Diese ist als durchgehende, nicht strukturierte
Schicht aufgebracht. Die einzelnen Pixel-Punkte werden durch die Strukturierung
der Rückseitenkontakte 7 gebildet, das
heißt,
durch jeden Rückseitenkontakt 7 wird
ein Pixel-Punkt definiert. Die Strukturierung der Rückseitenkontakte 7 entspricht
also zugleich der Pixellierung der fotosensitiven Schicht 2.
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Die Rückseitenkontakte 7 sind
mit dem Substrat 1 über
Solder-Bumps 8 verbunden,
weswegen an die Stelle der herkömmlichen
Bond-Technologie nun also eine Solder-Bond-Technik tritt. Die Solder-Bond-Technik
ist besser geeignet, Verbindungen in hoher Anzahl und hoher Integrationsdichte
zu erzeugen. Die Solder-Bumps sind mit Durchkontaktierungen 9 verbunden,
die durch das Substrat 1 hindurch zu dessen Rückseite
führen.
Rückseitig
sind die Durchkontaktierungen 9 mit rückseitigen Solder-Bumps 8 verbunden, über die
wiederum die elektrischen Bauelemente 5, 6 mittels
geeigneter Kontaktelemente 10, z.B. ebenfalls Solder-Bumps,
verbunden sind. Damit wird auch die Rückseite des Substrats mittels
einer Solder-Bond-Technik bestückt.
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Bei Bedarf ist es möglich, im
Substrat 1 oder auf dessen Rückseite Metallisierungs-Ebenen
vorzusehen, um die elektri sche Schaltung komplexer gestalten und
höher integrieren
zu können.
Diese Möglichkeit
kann insbesondere dann genutzt werden, wenn als elektrische Bauelemente 6 nicht
nur einfache I/O-Bausteine vorgesehen sind, sondern auch D/A-Wandler,
Auswerte-asics, DSP's
oder Controller-Bausteine, die eine Digitalisierung und Auswertung
der Bilddetektor-Signale vornehmen. Durch die Bestückung der
Substrat-Rückseite
mit elektrisch aktiven Auswerte-Bauelementen 6 ergibt sich
eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung, da so lange
analoge Signal-Laufwege von den Pixel-Punkten der fotosensitiven
Schicht 2 zur Auswerte-Elektronik vermieden werden. Dadurch
sind kurze Signal-Laufzeiten sowie eine geringe Störsignal-Anfälligkeit
gewährleistet.
Kurze Signal-Laufzeiten spielen insbesondere für die Verwendung des Bilddetektors in
der Computer-Tomographie mit ihren schnellen Einzelbildfolgen eine
große
Rolle.
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Um die Auswerte-Elektronik 6 vor
Beschädigung
durch Röntgenstrahlung
zu schützen,
muss eine Abschirmung vorgesehen werden, die wie bei 1 beschrieben in das Substrat 1 integriert
ist. Die Integration der Röntgen-Abschirmung
in das Substrat 1 bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich,
dass eine gesonderte Abschirmung der Auswerte-Elektronik 6,
wenn diese getrennt, z.B. in einer seitlich angeordneten Box untergebracht
ist, nicht erforderlich ist. Dadurch entfällt nicht nur die Notwendigkeit
einer eigens vorzusehenden getrennten Abschirmung, sondern auch
das Erfordernis, eine im Hinblick auf Streu-Strahlung besonders
geeignete Platzierung für die
Auswerte-Elektronik 6 zu finden.
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In 3 ist
eine Variante des Bilddetektors gemäß der Erfindung im nicht maßstäblichen
Schnitt dargestellt. Die 3 zeigt
alle bereits in der vorhergehenden 2 erläuterten
Detektor-Bestandteile unter Verwendung derselben Bezugszeichen,
zusätzlich
jedoch ist die gesonderte Röntgenstrahlungs-Schutzschicht 11 dargestellt.
Diese ist zwischen der fotosensitiven Schicht 2 und dem
Substrat 1 angeordnet und auf das Substrat 1 aufgebracht.
Sie ist aus einem einfach zu verarbeitenden bzw. aufzudruckenden
organischen Material hergestellt, das mit einem Material hoher Atomzahl
gefüllt
ist, um eine für Röntgenstrahlung
geringe Transparenz zu erzielen. Die Strukturierung des Substrats 1 erfolgt
nach dem Aufbringen der Röntgenstrahlungs-Schutzschicht 11, da
die Durchkontaktierungen 9 durch die Röntgenstrahlungs-Schutzschicht 11 hindurchreichen
müssen
und die Solder-Bumps 8 auf der Röntgenstrahlungs-Schutzschicht 11 angeordnet
sein müssen.
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Weitere Varianten sind denkbar, in
denen die Röntgenstrahlungs-Schutzschicht 11 auf
der Rückseite
des Substrats 1 oder auf der Rückseite der fotosensitiven
Schicht 2 aufgebracht wird. Wesentlich bei der Anordnung
der Röntgenstrahlungs-Schutzschicht 11 ist
lediglich, dass diejenigen elektrischen Bauelemente des Bilddetektors,
die empfindlich für Beschädigungen
durch Röntgenstrahlung
sind, im Röntgenstrahlengang
jenseits der Schutzschicht 11 liegen. Da als empfindliche
Bauelemente vor allem die elektrischen Bauelemente 6 in
Betracht kommen, muss die Schutzschicht 11 vor allem vor
diesen platziert werden.
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In 4 ist
eine perspektivische Draufsicht auf das Substrat des Bilddetektors
gemäß der Erfindung
nicht maßstäblich dargestellt.
In der Figur sind die Leuchtstoffschicht 4, die Kontaktschicht 3 und
die fotosensitive Schicht 2 nicht dargestellt, um die Oberfläche des
Substrats 1 zeigen zu können.
Das Substrat 1 ist rückseitig
mit den elektrischen Bauelementen 5, 6 bestückt und
weist vorderseitig, d.h. auf der zur Bild-Quelle zugewandten Seite,
ein Matrix-förmiges Array
von Solder-Bumps 8 auf. Dieses Array entspricht, wie dies
vorangehend beschrieben ist, der Strukturierung der Pixel-Punkte
in der fotosensitiven Schicht 2, und zwar unabhängig davon,
ob diese als durchgängige
Schicht oder ihrerseits strukturiert aufgebracht wird. Das Array
entspricht also zugleich der Pixellierung des Bilddetektors.
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Der beschriebene und in den Figuren
dargestellte Bilddetektor weist eine beliebig vorgebbare Oberflächen-Form
und -Größe auf und
ist beliebig in Pixel strukturierbar, außerdem umfasst er eine Auswerte-Elektronik 6.
Damit ist er je nach gewünschter Bildgröße entweder
einzeln verwendbar oder kann als Modul zusammen mit weiteren ebensolchen
Bilddetektor-Modulen zu einem größeren Bilddetektor zusammengesetzt
werden. Für
den dargestellten Bilddetektor bzw. das Bilddetektor-Modul sind
Kantenlängen
von einigen cm bis zu einigen 10 cm ohne weiteres realisierbar.
Durch Zusammensetzen solcher Detektor-Module sind Bilddetektoren
mit einer im Prinzip unbegrenzten Gesamtoberfläche realisierbar.
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Von besonderem Vorteil im Hinblick
auf den Fertigungsaufwand ist die Verwendung von organischen Materialien
für möglichst
viele Elemente oder Schichten des Bilddetektors. Damit wird der
Bilddetektor ausgehend von einem mechanisch stabilen Substrat 1 aufgebaut,
auf den die weiteren Bestandteile als Folien aufgedruckt oder mittels
Solder-Bond-Technik montiert werden. Insbesondere die organische
fotosensitive Schicht 2, gegebenenfalls samt Kontaktschicht 3 und
Leuchtstoffschicht 4, kann als Folie hergestellt werden.
Neben der Optimierung des Fertigungsaufwandes bietet die Folientechnologie
den weiteren Vorteil einer sehr vielfältigen Strukturierbarkeit.
Außerdem
sind insbesondere organische Fotodioden aufgrund ihres geringen
Nachleuchtens und ihrer schnellen Bild-Dynamik hervorragend geeignet
für die
Anwendung in der Computer-Tomographie.