FR2794894A1 - Dispositif de detection de rayonnements connecte par film conducteur anisotrope - Google Patents
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Abstract
Dispositif de détection de rayonnement comprenant : - au moins un détecteur à semi-conducteur (10, 12, 14),- au moins un circuit électronique (16) de polarisation et/ ou de lecture dudit détecteur, et- des moyens de connexion (18a, 18b, 20a, 20b, 21a, 21b) entre ledit détecteur et ledit circuit électronique,et dans lequel les moyens de connexion comportent au moins un film adhésif conducteur anisotrope (18a, 18b). Application à la réalisation de systèmes d'imagerie médicale.
Description
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DISPOSITIF DE DETECTION DE RAYONNEMENTS CONNECTE PAR
FILM CONDUCTEUR ANISOTROPE Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de détection de rayonnements, sensible aux rayonnements X, bêta ou gamma et un système d'imagerie utilisant un tel dispositif de détection.
FILM CONDUCTEUR ANISOTROPE Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de détection de rayonnements, sensible aux rayonnements X, bêta ou gamma et un système d'imagerie utilisant un tel dispositif de détection.
L'invention trouve des applications dans les domaines scientifiques et industriels, notamment en radiologie, et pour le contrôle non destructif de la matière. Elle trouve également des applications en médecine nucléaire et en imagerie médicale.
En particulier, le dispositif de détection de l'invention peut être utilisé dans une gamma-caméra, un tomographe à positons ou un imageur radiologique numérique.
Etat de la technique antérieure
Parmi les détecteurs de rayonnement généralement utilisés, on peut distinguer notamment les détecteurs à scintillation et les détecteurs à semiconducteur.
Parmi les détecteurs de rayonnement généralement utilisés, on peut distinguer notamment les détecteurs à scintillation et les détecteurs à semiconducteur.
Dans un détecteur à scintillation, le rayonnement énergétique interagit avec la matière d'un cristal, appelé scintillateur, qui émet un photon lumineux en réponse à un photon X ou un photon y. Le photon lumineux est alors converti en charges électriques au moyen d'un photomultiplicateur.
La résolution en énergie d'un détecteur est fortement liée au nombre de charges fournies en réponse à un événement, c'est-à-dire en réponse à une
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interaction entre le rayonnement et la matière du détecteur.
Dans les détecteurs à semi-conducteur, qui sont dépourvus de scintillateur, le nombre de charges créées en réponse à un photon X ou y incident est d'un ordre de grandeur supérieur à celui obtenu avec un détecteur à scintillation. Ainsi, les détecteurs à semiconducteur tendent à remplacer peu à peu les détecteurs à scintillation, notamment dans les domaines comme l'imagerie médicale où l'activité des sources de rayonnement n'est pas très importante.
Les détecteurs à semi-conducteur sont fabriqués à partir de blocs de semi-conducteurs tels que CdTe, CdZnTe, GaAs, InP, et fonctionnent selon un principe de conversion directe de l'énergie des photons incidents en porteurs de charges électriques.
Ce principe est illustré de façon très sommaire en référence à la figure 1.
Le détecteur de la figure 1 comprend un unique élément de détection formé à partir d'un bloc de semiconducteur 10.
Sur les faces principales opposées du bloc, désignées par "faces de connexion" dans la suite du texte, sont formées respectivement une première électrode 12 et une deuxième électrode 14.
Les électrodes sont connectées à un circuit électronique 16. Ce circuit a deux fonctions essentielles. La première fonction est d'appliquer entre les électrodes 12 et 14 une tension de polarisation. La deuxième fonction est de collecter les charges créées par l'interaction de rayonnements dans le semi-conducteur et de former ainsi un signal de détection.
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Le signal de détection peut être fourni ensuite à un circuit de formation d'image, non représenté.
Lorsqu'un rayonnement énergétique atteint le bloc de semi-conducteur 10, il crée des charges sous la forme de paires électron-trou, en cédant tout ou partie de son énergie à la matière.
Sous l'effet d'un champ électrique établi entre les électrodes par l'application de la tension de polarisation, les électrons et les trous migrent respectivement vers les électrodes situées sur les faces de connexion opposées. Les électrons et les trous sont alors recueillis par le circuit 16 pour la formation du signal.
La figure 2 montre un détecteur à semiconducteur constituant une variante par rapport à celui de la figure 1. Il comporte une pluralité d'éléments de détection formés dans le même bloc de semi-conducteur 10.
Chaque élément de détection est défini par une électrode individuelle 14 formée sur l'une des faces de connexion. Cette face de connexion comporte ainsi plusieurs électrodes juxtaposées mais non jointives.
La face de connexion opposée du semi-conducteur comporte une seule électrode 12 commune à tous les éléments de détection.
Une telle structure de détecteur est connue par exemple d'après le document (1) dont la référence est précisée à la fin de la description.
La référence 16, sur la figure 2, désigne toujours un circuit électronique de polarisation et de lecture destiné à appliquer une tension de polarisation entre l'électrode commune 12 et les électrodes
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individuelles 14, et destiné à recueillir un signal de détection pour chacun des éléments de détection.
Des lignes en trait mixte représentent les connexions nécessaires entre les électrodes du détecteur, et en particulier les électrodes individuelles 14, et des bornes de correspondantes du circuit électronique 16.
La connexion entre le détecteur et le circuit électronique, ou une carte de connexion intermédiaire, doit répondre à un certain nombre d'exigences et soulève un certain nombre de difficultés.
Une première possibilité de connexion consiste à coller directement le détecteur sur le substrat du circuit électronique ou sur un support de connexion intermédiaire approprié, en utilisant une colle conductrice.
Cependant, les colles conductrices, généralement à deux composants, sont coûteuses et leur application sur les composants fait appel à des techniques complexes. L'application de la colle comprend en effet une opération de mélange des composants puis un dépôt selon une technique de sérigraphie.
En outre, des problèmes de compatibilité chimique entre les colles et le matériau du détecteur peuvent conduire à des défauts de fiabilité et des chutes de performances des détecteurs au cours du temps.
On peut ajouter que le collage des détecteurs, s'il reste envisageable pour des détecteurs à élément de détection unique, comme le détecteur illustré par la figure 1, s'avère particulièrement désavantageux pour des détecteurs comportant une pluralité d'éléments de
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détection, ce qui est le cas pour le détecteur de la figue 2.
En effet, pour éviter que la colle conductrice ne vienne court-circuiter les électrodes individuelles des éléments de détection, il est nécessaire de prévoir une isolation adaptée. Celle-ci requiert une mise en oeuvre d'étapes de masquage complexes. Cette contrainte supplémentaire est incompatible avec une bonne résolution spatiale des détecteurs et avec la réalisation de détecteurs avec une forte densité d'éléments de détection (pixels).
Pour éviter les difficultés mentionnées cidessus, et pour accroître la résolution des détecteurs, une deuxième possibilité de connexion connue fait appel à une technique d'hybridation par billes de matériau de jonction. Dans ce cas, le détecteur, comprenant un ou plusieurs éléments de détection, peut être reporté et connecté directement sur une plate-forme comprenant les circuits de polarisation ou de lecture. La technique d'hybridation qui est bien maîtrisée dans le cadre de la fabrication de capteurs de type infrarouge est également envisagée pour des dispositifs d'imagerie à rayons X ou y. On peut se reporter à titre d'illustration aux documents (2), (3), (4) et (5) dont les références sont données à la fin de la description.
L'hybridation des détecteurs reste cependant une technique dont la mise en #uvre est coûteuse et complexe. Elle est de plus inadaptée à la connexion de détecteurs de grandes dimensions. La surface de report autorisée par les techniques d'hybridation usuelles est en effet limitée à quelques centimètres carrés.
Enfin, il convient de souligner la fragilité des détecteurs qui supportent très mal les contraintes
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mécaniques et thermiques. Des températures au-delà de 150 C, nécessaires à l'hybridation des billes de connexion sont, par exemple, susceptibles d'altérer les propriétés de détection.
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de proposer un dispositif de détection de rayonnements ne présentant pas les difficultés mentionnées ci-dessus, et liées à la connexion d'un détecteur à un circuit de lecture et de polarisation.
La présente invention a pour but de proposer un dispositif de détection de rayonnements ne présentant pas les difficultés mentionnées ci-dessus, et liées à la connexion d'un détecteur à un circuit de lecture et de polarisation.
Un but est également de proposer un dispositif susceptible d'être réalisé sans que les détecteurs de rayonnement ne subissent de contraintes mécaniques ou thermiques excessives.
Un autre but est de proposer un dispositif de détection de grande taille, peu coûteux, susceptible d'être équipé de détecteurs également de grande taille, ou d'un nombre important d'éléments de détection individuels.
Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif de détection de rayonnement comprenant : - au moins un détecteur à semi-conducteur, - au moins un circuit électronique de polarisation et/ou de lecture dudit détecteur, et - des moyens de connexion entre ledit détecteur et ledit circuit électronique.
Conformément à l'invention, les moyens de connexion comportent au moins un film adhésif conducteur.
L'utilisation d'un film adhésif conducteur s'avère être un moyen particulièrement économique et
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fiable pour l'assemblage des éléments constitutifs du dispositif et pour assurer les liaisons électriques entre le détecteur à semi-conducteur et le circuit électronique. Il permet aussi d'assembler des éléments de grande surface (quelques dm2).
De plus, l'utilisation d'un film adhésif permet d'affranchir les parties fragiles du dispositif, et en particulier le détecteur, de toute contrainte mécanique ou thermique.
Enfin, le film conducteur adhésif est moins susceptible d'interagir chimiquement avec les parties qu'il assemble, qu'une colle conductrice.
Selon un aspect particulièrement avantageux de l'invention, le film adhésif peut être un film conducteur anisotrope comprenant deux faces principales opposées parallèles, le film étant conducteur dans un sens perpendiculaire aux faces et étant sensiblement isolant dans un sens parallèle aux faces principales.
En d'autres termes, le film anisotrope est conducteur dans le sens de son épaisseur et isolant parallèlement à sa surface.
Cette caractéristique permet de réaliser une connexion aisée entre une pluralité d'électrodes individuelles du détecteur et des bornes correspondantes d'un support de connexion, sans prendre de mesures particulières pour l'isolation mutuelle entre les électrodes.
En effet, comme le film conducteur anisotrope est isolant dans un sens parallèle à sa surface, tout court-circuit entre électrodes voisines est automatiquement évité.
Il convient de préciser que les films conducteurs anisotropes sont en soi connus. Il s'agit
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par exemple de films adhésifs acryliques chargés de particules conductrices. Ces particules peuvent se présenter notamment sous la forme de billes calibrées en nickel, recouvertes d'argent. Un tel film est commercialisé par exemple par la société 3M sous la référence 9703.
Une description plus détaillée de la structure du film est par conséquent omise ici.
Dans une réalisation particulière du dispositif de l'invention, les moyens de connexion peuvent comporter en outre une ou plusieurs cartes de connexion, connectées audit circuit électronique.
Chaque carte de connexion est collée contre une face de connexion du détecteur à semi-conducteur, équipée d'au moins une électrode, par l'intermédiaire dudit film adhésif conducteur.
Ici, la carte de connexion a essentiellement un rôle d'intermédiaire entre le détecteur et le circuit électronique de polarisation et/ou de lecture.
Eventuellement, lorsqu'une pluralité de dispositifs de détection sont associés, la carte de connexion peut avoir également un rôle d'isolation électrique. Cet aspect est décrit plus en détail dans la suite du texte.
Dans certaines réalisations, la carte de connexion peut en outre, servir de support à tout ou partie du circuit électronique de polarisation et/ou de lecture.
Dans une construction particulière du dispositif, les moyens de connexion peuvent comporter notamment une première carte de connexion collée sur une première face de connexion du détecteur à semiconducteur par l'intermédiaire d'un premier film
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adhésif conducteur et une deuxième carte de connexion collée sur une deuxième face de connexion du détecteur à semi-conducteur, opposée à ladite première face de connexion, par l'intermédiaire d'un deuxième film adhésif conducteur. Un film conducteur anisotrope est utilisé en particulier lorsque la face de connexion correspondante comprend plus d'une électrode.
L'une des cartes de connexion peut être utilisée par exemple pour la connexion d'une électrode commune unique sur la première face de connexion, tandis que la deuxième carte peut être prévue pour la connexion individuelle d'une pluralité d'électrodes sur la deuxième face du détecteur. Chaque électrode correspond alors à un détecteur individuel du même bloc de semi-conducteurs.
L'invention concerne également un système d'imagerie, comme par exemple un système d'imagerie médicale, comprenant un dispositif de détection tel que décrit ci-dessus, avec un empilement d'une pluralité de détecteurs.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique simplifiée d'un détecteur de rayonnements à élément de détection unique illustrant le principe de fonctionnement des détecteurs à semi-conducteurs.
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- La figure 2, déjà décrite, est une coupe schématique simplifiée d'un détecteur à semi-conducteur et à éléments de détection multiples.
- La figure 3 est une vue éclatée en perspective de la structure d'un dispositif de détection conforme à l'invention.
- La figure 4 est une vue éclatée en perspective de la structure d'un dispositif de détection conforme à l'invention et incluant une pluralité de détecteurs de rayonnements.
Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention
Dans la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures susmentionnées, sont désignées avec les mêmes références.
Dans la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures susmentionnées, sont désignées avec les mêmes références.
Par ailleurs, il convient de préciser que pour des raisons de lisibilité des figures, les différents composants des dispositifs représentés ne sont pas reproduits selon une échelle uniforme.
Sur la figure 3, on retrouve un détecteur à éléments de détection multiples, formé dans un bloc 10 de matériau semi-conducteur.
La référence 12 désigne une électrode commune, par exemple en Au déposé chimiquement à partir d'un sel AuCl3, sur une première face de connexion du bloc 10.
De la même façon, la référence 14 se rapporte à une pluralité d'électrodes individuelles formées sur la deuxième face de connexion.
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Dans l'exemple décrit, l'épaisseur du bloc 10 de semi-conducteur est de 0,9 mm et les faces de connexion présentent chacune une aire de 16x20 mm2.
Bien que la figure en représente un nombre plus réduit, la deuxième face de connexion peut être équipée, par exemple, de seize électrodes 14 longitudinales, sous la forme d'une peigne avec un pas de 1 mm.
L'électrode commune 12 est reliée à une première borne d'un circuit de lecture et de polarisation 16 par l'intermédiaire d'un film conducteur anisotrope 18a, d'une première carte de connexion 20a, et d'une ligne de connexion représentée symboliquement avec la référence 21a.
La carte de connexion est par exemple formée d'une feuille de matériau isolant telle que le Kapton, recouverte d'une couche ou d'une piste conductrice en cuivre.
Sur la figure, une face 22a de la première carte de connexion 20a, tournée vers le bloc de silicium 10, est recouverte d'une couche de cuivre. La face opposée 24a est isolante.
Les électrodes 14 de la deuxième face du bloc de semi-conducteur 10 sont individuellement reliées à une pluralité de bornes correspondantes du circuit électronique 16. Elle y sont reliées par l'intermédiaire d'un deuxième film conducteur anisotrope 18b, d'une deuxième carte de connexion 20b et d'un faisceau de lignes de connexion 21b.
Les lignes de connexion 21b, de même que la ligne 21a, peuvent être constituées, par exemple, par des pistes conductrices, ou peuvent être simplement éliminées lorsque le circuit électronique 16 de lecture
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et de polarisation est directement formé ou reporté sur l'une des cartes de connexion.
La deuxième carte de connexion 20b présente une face 22b tournée vers le bloc 10 de semi-conducteur, dont une partie est collée au bloc par l'intermédiaire du deuxième film conducteur anisotrope 18b. La face 22b comprend également des pistes de connexion isolées, représentées de façon très schématique et en pointillé sur la figure, qui assurent la connexion vers le circuit de lecture. Tout comme la première carte de connexion, la deuxième carte 20b peut être formée à partir de Kapton cuivré.
Grâce au caractère de conduction anisotrope du film conducteur adhésif 18b, chaque électrode 14 peut être connectée individuellement à une borne et une piste de connexion de la carte de connexion 20b, et donc au circuit de lecture et de polarisation.
Le circuit de lecture et de polarisation peut ainsi être conçu pour appliquer une tension de polarisation à l'ensemble des électrodes et pour recueillir individuellement les charges apparaissant sur chaque électrode 14 en réponse à des interactions ayant lieu dans des régions correspondantes du bloc de semi-conducteur.
L'utilisation de feuilles de Kapton cuivré comme carte de connexion est particulièrement avantageuse. Elle permet en effet, lorsque les feuilles sont collées sur le bloc de semi-conducteur par les films conducteurs anisotropes, d'obtenir une structure particulièrement compacte.
En outre, le caractère isolant électrique des faces 24a, 24b tournées à l'opposé du bloc de semiconducteur permettent l'association et en particulier
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l'empilement d'une pluralité de détecteurs sans mesure d'isolation particulière.
Un tel empilement est représenté sous la forme d'un éclaté à la figure 4.
L'empilement comprend une pluralité de détecteurs formés de blocs 10 de semi-conducteur, par exemple au nombre de 256, équipés chacun d'une première et d'une deuxième cartes de connexion 20a, 20b. Les cartes sont respectivement reliées aux détecteurs par des films 18a, 18b conducteurs anisotropes.
Les liaisons électriques 21a, 21b vers un circuit de polarisation et de lecture 16 sont symboliquement indiquées par des traits mixtes.
Chaque détecteur, c'est-à-dire chaque bloc de semi-conducteur comprend un nombre d'éléments de détection correspondant au nombre d'électrodes individuelles 14 représentées sur la figure 3.
Ainsi, en empilant une pluralité de détecteurs comprenant chacun une pluralité d'éléments de détection, on obtient un dispositif avec un grand nombre d'éléments individuels encore appelés "pixels".
Les signaux de tous les pixels peuvent être recueillis par le circuit électronique 16 et traités pour former une "image"du rayonnement reçu de l'environnement. A cet effet, le circuit 16 peut comporter ou être associé à un circuit de formation d'image. Ce type de circuit est en soi connu.
Les bonnes performances des détecteurs à semiconducteur, associées à des moyens de connexion par film conducteur anisotrope, qui évitent les courants de fuite entre des pixels voisins, permettent de réaliser des systèmes d'imagerie, et notamment d'imagerie
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médicale, particulièrement fiables avec une excellente résolution en énergie.
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Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
A380 (1996) 262-265
A380 (1996) 262-265
<Desc/Clms Page number 15>
(5)
GB-A-2 319 394
GB-A-2 319 394
Claims (9)
1. Dispositif de détection de rayonnement comprenant : - au moins un détecteur à semi-conducteur (10,12, 14), - au moins un circuit électronique (16) de polarisation et/ou de lecture dudit détecteur, et - des moyens de connexion (18a, 18b, 20a, 20b, 21a,
21b) entre ledit détecteur et ledit circuit électronique, caractérisé en ce que les moyens de connexion comportent au moins un film adhésif conducteur (18a, 18b).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le film adhésif (18a, 18b) est un film conducteur anisotrope comprenant deux faces principales opposées parallèles, le film étant conducteur dans un sens perpendiculaire aux faces et étant isolant dans un sens parallèle aux faces principales.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de connexion comportent en outre au moins une carte de connexion (20a, 20b), connectée audit circuit électronique (16), chaque carte de connexion étant collée contre une face de connexion du détecteur à semi-conducteur, équipée d'au moins une électrode, par l'intermédiaire dudit film adhésif (18a, 18b) .
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel au moins une partie du circuit électronique est formé sur la carte de connexion.
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5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de connexion (20a) comportent une première carte de connexion collée sur une première face de connexion du détecteur à semi-conducteur par l'intermédiaire d'un premier film adhésif conducteur anisotrope (18a) et une deuxième carte de connexion (20b) collée sur une deuxième face de connexion du détecteur à semi-conducteur, opposée à ladite première face de connexion, par l'intermédiaire d'un deuxième film adhésif conducteur anisotrope (20b).
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la première face de connexion du détecteur est équipée d'une électrode unique (12) et dans lequel la deuxième face de connexion du détecteur est équipée d'une pluralité d'électrodes (14).
7. Dispositif de détection selon la revendication 1, comportant une pluralité de détecteurs à semi-conducteur.
8. Dispositif de détection selon la revendication 7, dans lequel chaque détecteur (10,12, 14) est équipé d'une première et d'une deuxième carte de connexion (20a, 20b), collées respectivement sur le détecteur au moyen d'un film adhésif conducteur anisotrope, et dans lequel les détecteurs, équipés des cartes de connexions sont empilés.
9. Système d'imagerie comprenant un dispositif de détection selon la revendication 8.
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| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 010, no. 186 (E - 416) 28 June 1986 (1986-06-28) * |
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 02 30 January 1998 (1998-01-30) * |
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