JP2017078581A - 放射線検出器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、蛍光の利用効率を高めて感度特性を改善するために、シンチレータ層の上に反射層をさらに設ける場合もある。
シンチレータ層は、一般的に、テルビウム賦活硫酸化ガドリニウム(Gd2O2S/Tb、又はGOS)、タリウム賦活ヨウ化セシウム(CsI/Tl)などを用いて形成される。
一方、タリウム賦活ヨウ化セシウムを用いてシンチレータ層を形成すれば、多数の柱状結晶が基板に垂直な方向に並んだ構造を得ることができる。この様な構造とすれば、ファイバー効果により、柱状結晶同士の間のクロストークを低減させることができるので、X線画像の品質を向上させることができる。また、タリウム賦活ヨウ化セシウムを用いてシンチレータ層を形成すれば、MTF(Modulation Transfer Function)や感度特性を向上させることもできる。
ところが、タリウム賦活ヨウ化セシウムは、弱い潮解性を有している。そのため、タリウム賦活ヨウ化セシウムが吸湿すると、隣接する柱状結晶が互いに結合するおそれがある。隣接する柱状結晶が互いに結合すると、ファイバー効果が弱まり、画像ににじみが発生したり、MTFなどが低下したりするおそれがある。
しかしながら、防湿性能をさらに向上させることができる技術の開発が望まれていた。
また、本発明の実施形態に係る放射線検出器は、X線のほかにもγ線などの各種放射線に適用させることができる。ここでは、一例として、放射線の中の代表的なものとしてX線に係る場合を例にとり説明をする。したがって、以下の実施形態の「X線」を「他の放射線」に置き換えることにより、他の放射線にも適用させることができる。
まず、第1の実施形態に係るX線検出器1について例示をする。
図1は、第1の実施形態に係るX線検出器1を例示するための模式斜視図である。
なお、煩雑となるのを避けるために、図1においては、保護層2f、反射層6、第1の防湿体7、接合層8、第2の防湿体10などを省いて描いている。
図2(a)は、X線検出器1の模式断面図である。図2(b)は、図2(a)におけるA部の模式拡大図である。
なお、煩雑となるのを避けるために、図2においては、信号処理部3、画像伝送部4などを省いて描いている。
放射線検出器であるX線検出器1は、放射線画像であるX線画像を検出するX線平面センサである。X線検出器1は、例えば、一般医療用途などに用いることができる。ただし、X線検出器1の用途は、一般医療用途に限定されるわけではない。
アレイ基板2は、基板2a、光電変換部2b、制御ライン(又はゲートライン)2c1、データライン(又はシグナルライン)2c2、配線パッド2d1、配線パッド2d2および保護層2fを有する。
光電変換部2bは、基板2aの一方の表面に複数設けられている。
光電変換部2bは、矩形状を呈し、制御ライン2c1とデータライン2c2とで画された領域に設けられている。複数の光電変換部2bは、マトリクス状に並べられている。
なお、1つの光電変換部2bは、1つの画素(pixel)に対応する。
また、光電変換部2bには、光電変換素子2b1において変換した信号電荷を蓄積する図示しない蓄積キャパシタを設けることができる。図示しない蓄積キャパシタは、例えば、矩形平板状を呈し、薄膜トランジスタ2b2の下に設けることができる。ただし、光電変換素子2b1の容量によっては、光電変換素子2b1が図示しない蓄積キャパシタを兼ねることができる。
薄膜トランジスタ2b2は、蛍光が光電変換素子2b1に入射することで生じた電荷の蓄積および放出のスイッチングを行う。薄膜トランジスタ2b2は、アモルファスシリコン(a−Si)やポリシリコン(P−Si)などの半導体材料を含むものとすることができる。薄膜トランジスタ2b2は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有している。薄膜トランジスタ2b2のゲート電極は、対応する制御ライン2c1と電気的に接続される。薄膜トランジスタ2b2のソース電極は、対応するデータライン2c2と電気的に接続される。薄膜トランジスタ2b2のドレイン電極は、対応する光電変換素子2b1と図示しない蓄積キャパシタとに電気的に接続される。
1つの制御ライン2c1は、基板2aの周縁近傍に設けられた複数の配線パッド2d1のうちの1つと電気的に接続されている。1つの配線パッド2d1には、フレキシブルプリント基板2e1に設けられた複数の配線のうちの1つが電気的に接続されている。フレキシブルプリント基板2e1に設けられた複数の配線の他端は、信号処理部3に設けられた図示しない制御回路とそれぞれ電気的に接続されている。
1つのデータライン2c2は、基板2aの周縁近傍に設けられた複数の配線パッド2d2のうちの1つと電気的に接続されている。1つの配線パッド2d2には、フレキシブルプリント基板2e2に設けられた複数の配線のうちの1つが電気的に接続されている。フレキシブルプリント基板2e2に設けられた複数の配線の他端は、信号処理部3に設けられた図示しない増幅・変換回路とそれぞれ電気的に接続されている。
保護層2fは、絶縁性材料から形成することができる。
保護層2fは、例えば、窒化ケイ素(SiN)などの無機材料から形成することができる。
保護層2fは、例えば、アクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ブチラールなどの熱可塑性樹脂から形成することもできる。熱可塑性樹脂を用いれば、保護層2fとシンチレータ層5との間の密着性を向上させることができる。
なお、光電変換部2b、制御ライン2c1、およびデータライン2c2を覆う無機材料からなる層と、無機材料からなる層の上に設けられ有効画素領域Aを覆う熱可塑性樹脂からなる層を設けることもできる。
信号処理部3には、図示しない制御回路と、図示しない増幅・変換回路とが設けられている。
図示しない制御回路は、各薄膜トランジスタ2b2の動作、すなわちオン状態およびオフ状態を制御する。例えば、図示しない制御回路は、フレキシブルプリント基板2e1と配線パッド2d1と制御ライン2c1とを介して、制御信号S1を各制御ライン2c1毎に順次印加する。制御ライン2c1に印加された制御信号S1により薄膜トランジスタ2b2がオン状態となり、光電変換部2bからの画像データ信号S2が受信できるようになる。
複数の電荷増幅器は、各データライン2c2にそれぞれ電気的に接続されている。
複数の並列/直列変換器は、複数の電荷増幅器にそれぞれ電気的に接続されている。
複数のアナログ/デジタル変換器は、複数の並列/直列変換器にそれぞれ電気的に接続されている。
そして、図示しない複数の電荷増幅器は、受信した画像データ信号S2を順次増幅する。
図示しない複数のアナログ/デジタル変換器は、直列信号に変換された画像データ信号S2をデジタル信号に順次変換する。
画像伝送部4は、図示しない複数のアナログ/デジタル変換器によりデジタル信号に変換された画像データ信号S2に基づいて、X線画像を構成する。構成されたX線画像のデータは、画像伝送部4から外部の機器に向けて出力される。
シンチレータ層5は、複数の光電変換素子2b1が設けられる領域(有効画素エリアA)を覆うように設けられている。
柱状結晶の集合体からなるシンチレータ層5は、例えば、真空蒸着法などを用いて形成することができる。
シンチレータ層5の厚み寸法は、例えば、600μm程度とすることができる。柱状結晶の柱(ピラー)の太さ寸法は、例えば、最表面で8μm〜12μm程度とすることができる。
反射層6は、例えば、酸化チタン(TiO2)などからなる光散乱性粒子と、樹脂と、溶媒を混合した材料をシンチレータ層5上に塗布し、これを乾燥することで形成することができる。
また、反射層6は、例えば、銀合金やアルミニウムなどの光反射率の高い金属からなる層をシンチレータ層5上に成膜することで形成することもできる。
また、反射層6は、例えば、表面が銀合金やアルミニウムなどの光反射率の高い金属からなる板を用いて形成することもできる。
この場合、反射層6の厚み寸法は、100μm程度とすることができる。
なお、反射層6は、必ずしも必要ではなく、X線検出器1に求められる解像度や輝度などの特性に応じて設けるようにすればよい。
蛍光吸収層は、シンチレータ層5において生じた蛍光のうち、光電変換部2bが設けられた側とは反対側に向かう光を吸収して、光電変換部2bに向かわないようにする。
蛍光吸収層を設ければ、輝度は低下するが、解像度を向上させることができる。
蛍光吸収層は、例えば、Fe3O4、CuO、AlTiNなどからなる層をシンチレータ層5のX線の入射側に成膜することで形成することができる。
また、蛍光吸収層は、黒色の樹脂シートなどを用いて形成することもできる。
なお、以下においては、反射層6が設けられる場合を例示する。
第1の防湿体7は、シンチレータ層5の上方、および、基板2a上のシンチレータ層5が設けられた領域の周囲を覆っている。
例えば、反射層6が設けられる場合には、第1の防湿体7は、反射層6、反射層6から露出するシンチレータ層5の側面、および、基板2a上のシンチレータ層5が設けられた領域の周囲を覆っている。
例えば、反射層6が設けられない場合には、第1の防湿体7は、シンチレータ層5の上面、シンチレータ層5の側面、および、基板2a上のシンチレータ層5が設けられた領域の周囲を覆っている。
例えば、大気圧よりも減圧された環境において、シート状やハット状の第1の防湿体7を基板2aに接合すれば、第1の防湿体7と反射層6などとが接触するようにすることができる。
第1層7aは、シンチレータ層5の上方を覆っている。第1層7aは、第2層7bの下地となる。
第1層7aは、シンチレータ層5や反射層6の表面の凹凸を平滑化する機能、第2層7bを成膜した際に第2層7bの成分がシンチレータ層5などに侵入するのを防止する機能、シンチレータ層5の柱状結晶同士の間や溝に充填された気体に起因する圧力を吸収する機能、第2層7bの薄膜化と剥がれ防止を両立させる機能、第1の防湿体7の総面積を低減させる機能などを有する。
そのため、第1層7aは、柔軟性を有する材料から形成することが好ましい。
第1層7aは、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、テフロン(登録商標)樹脂、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、弾性ゴムなどの有機材料から形成することができる。
また、第1層7aは、シート状の部材、ハット状に成型された部材などとすることができる。
第1層7aは、樹脂と溶媒を混合した材料をシンチレータ層5や反射層6などに塗布し、これを乾燥させることで形成されたものとすることもできる。
第2層7bは、防湿機能を有する。
そのため、第2層7bは、第1層7aが有する透湿係数よりも低い透湿係数を有する。
第2層7bは、透湿係数の小さい材料から形成することが好ましい。
第2層7bは、例えば、銅を含む金属、アルミニウムを含む金属、ステンレス、コバール材などの金属材料から形成することができる。
また、第2層7bは、例えば、水ガラス、石英ガラス、液晶ガラス、酸化アルミニウム、窒化シリコン、ジルコニアなどの無機材料から形成することもできる。
また、第2層7bは、金属材料と無機材料から形成することもできる。
第2層7bは、例えば、気相成長法を用いて形成することができる。
この場合、第2層7bの厚みが厚くなりすぎると、X線の吸収が大きくなりすぎるおそれがある。また、第2層7bの厚みが薄くなりすぎるとピンホールが形成されやすくなるので、防湿性能が低下するおそれがある。
そのため、第2層7bの厚み寸法は、10μm以上、100μm以下とすることが好ましい。
接合層8は、第1層7aの周縁近傍と基板2aとを接合している。
接合層8は、例えば、遅延硬化型接着剤(紫外線照射後に一定の時間をおいて硬化反応が顕在化するUV硬化型接着剤)、自然(常温)硬化型接着剤、および加熱硬化型接着剤のいずれかが硬化することで形成されたものとすることができる。
接合層8は、シート状やハット状の第1層7aを基板2aに接合する場合には必要となる。ただし、第1層7aが、樹脂と溶媒を混合した材料を塗布し、これを乾燥させることで形成される場合には、接合層8を省略することもできる。
支持板9の一方の面にはアレイ基板2が設けられ、他方の面には信号処理部3が設けられている。
支持板9は、鉛板などのX線を吸収する材料から形成されている。
信号処理部3にはX線に対する耐性が低い制御回路と増幅・変換回路が設けられている。そのため、X線を吸収する支持板9を設けることで、制御回路と増幅・変換回路を保護するようにしている。
また、支持板9は、X線検出器1を収納する図示しない筐体の内部に保持される。
ここで、第1の防湿体7の第2層7bは、防湿機能を有する。しかしながら、第1の防湿体7の第1層7aは有機材料から形成されるため、防湿性能を高くすることが難しい。 そのため、第1層7aの周端面7aaから第1の防湿体7の内部に水分が侵入するおそれがある。
そこで、防湿機能を有する第2の防湿体10を設けるようにしている。
第2の防湿体10の材料は、透湿係数が低く、第1層7aとの密着性が高い材料から形成することが好ましい。
第2の防湿体10は、例えば、無機材料からなるフィラー材と、樹脂(例えば、エポキシ系樹脂など)を含むものとすることができる。
フィラー材は、例えば、タルク(滑石:Mg3Si4O10(OH)2)などから形成されたものとすることができる。
タルクは、低硬度の無機材料であり、滑り性が高い。そのため、タルクを高い濃度で含有させても、第2の防湿体10の形状変形が困難となることがない。
また、タルクからなるフィラー材の粒径が、数μmから数十μm程度となるようにすれば、タルクの濃度(充填密度)を高めることができる。
タルクの濃度を高めれば、樹脂のみの場合と比較して透湿係数を1ケタ程度低くすることができる。
第2の防湿体10は、吸湿材と、樹脂(例えば、エポキシ系樹脂など)を含むものとすることもできる。
例えば、第2の防湿体10を形成するための材料は、吸湿材である塩化カルシウムと、バインダ樹脂(例えば、エポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂など)と、溶媒を混合して作成したものとすることができる。
この場合、例えば、第2の防湿体10を形成するための材料の密度が2.1g/cc程度、単位重量当たりの吸湿容量が27%程度、粘度が室温で120Pa・sec程度以下となるようにすることができる。
なお、第2の防湿体10は、フィラー材と吸湿材を含んでいてもよい。
可撓性を有する第2の防湿体10とすれば、その柔軟性により、温度変化と部材間の熱膨張率差に起因する熱応力により第2の防湿体10が剥がれるのを抑制することができる。
例えば、フィラー材を含む接着剤を硬化させることで接合層8を形成する。そして、フィラー材を含む接着剤を第1の防湿体7の外側にはみ出させ、これを硬化させることで第2の防湿体10を形成することができる。
すなわち、第2の防湿体10は、接合層8と同じ材料を含み、接合層8と一体化されていてもよい。
第2の防湿体10aは、少なくとも第1層7aの周端面7aaを覆うように設けられている。例えば、第2の防湿体10aは、第1層7aの周端面7aaを覆うように設けることもできるし、第1層7aの周端面7aaと第2層7bの上面の周縁近傍を覆うように設けることもできる。
第2の防湿体10aは、例えば、銅を含む金属、アルミニウムを含む金属、ステンレス、コバール材などの金属材料から形成することができる。
また、第2の防湿体10aは、例えば、水ガラス、石英ガラス、液晶ガラス、酸化アルミニウム、窒化シリコン、ジルコニアなどの無機材料から形成することもできる。
なお、第2の防湿体10aは、金属材料と無機材料を含んでいてもよい。
また、第2の防湿体10aは、第2層7bと一体化させることもできる。
例えば、気相成長法を用いて第2層7bを形成する際に、第1層7aの外側にまで層を成膜することで第2の防湿体10aを形成することができる。
すなわち、第2の防湿体10aは、第2層7bと同じ材料を含み、第2層7bと一体化されていてもよい。
例えば、本発明者が行った加温加湿試験(環境温度:60℃、環境湿度:90%、試験時間:500時間)では、MTFに劣化が見られない良好な防湿性能を確認することができた。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係るX線検出器1の製造方法について例示をする。
図4(a)〜(c)、図5(a)、(b)は、X線検出器1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
まず、図4(a)に示すように、アレイ基板2を作成する。
アレイ基板2は、例えば、基板2aの上に光電変換部2b、制御ライン2c1、データライン2c2、保護層2f、配線パッド2d1、および配線パッド2d2などを順次形成して作成することができる。
アレイ基板2は、例えば、半導体製造プロセスを用いて作成することができる。
なお、配線パッド2d1は、保護層2fに設けられた孔の内部にも設けられ、配線パッド2d1が制御ライン2c1と電気的に接続される。
配線パッド2d2は、保護層2fに設けられた孔の内部にも設けられ、配線パッド2d2がデータライン2c2と電気的に接続される。
例えば、アレイ基板2上の複数の光電変換部2bが形成された領域(有効画素領域A)を覆うようにシンチレータ層5を形成する。
シンチレータ層5は、例えば、真空蒸着法を用いて、ヨウ化セシウム:タリウムからなる膜を成膜することで形成することができる。この場合、シンチレータ層5の厚み寸法は、600μm程度とすることができる。柱状結晶の柱の太さ寸法は、最表面で8〜12μm程度とすることができる。
また、蒸着マスクの形状を選択することにより、シンチレータ層5の周縁近傍がテーパ状となるようにすることができる。
反射層6は、例えば、酸化チタン(TiO2)などからなる光散乱性粒子と、樹脂と、溶媒を混合した材料をシンチレータ層5上に塗布し、これを乾燥することで形成することができる。
乾燥は、常温、もしくは、40℃程度の雰囲気中において行うことができる。
光散乱性粒子を含む樹脂の塗布厚みは、例えば、100μm程度とすることができる。 反射層6の特性(蛍光反射率や反射層6の内部での蛍光の広がりなど)は、用途(輝度を優先する用途や解像度を優先する用途など)に応じて変更することができる。反射層6の特性は、例えば、光散乱性粒子の濃度などにより変更することができる。
また、用途によっては反射層6を省くこともできるし、反射層6の代わりに蛍光吸収層を設けることもできる。
また、フィラー材をさらに添加することで、ある程度の防湿性能を持たせることもできる。
続いて、シート状やハット状の第1層7aをシンチレータ層5に被せる。この際、シート状やハット状の第1層7aの周縁近傍を接着剤に押し付ける様にする。
続いて、接着剤を硬化させて接合層8を形成するとともに、第1層7aをアレイ基板2に接合する。
接着剤としてUV硬化型接着剤を用いる場合は、接着剤に紫外線を照射する。この場合、第1層7aを密着加圧した状態でチャンバ内にて紫外線を照射できる機構を用いるか、第1層7aを密着加圧した状態で石英の窓などを通してチャンバ外から紫外線を照射できる機構を用いるようにすればよい。またさらに、接着剤の硬化率を上げるために、紫外線の照射後に加熱を行い硬化反応を促進してもよい。
例えば、第1層7aのみが露出するようにアレイ基板2の周縁近傍を図示しないマスクで覆う。
続いて、気相成長法を用いて第1層7aの上に第2層7bを成膜する。なお、真空蒸着法を用いる場合には、アレイ基板2を加熱する必要はない。
ここで、一般的に、真空蒸着膜は多孔性であり、厚みが薄くなる程ピンホールが発生しやすくなる。第2層7bにピンホールが生じると、防湿性が低下するおそれがある。
本発明者の得た知見によれば、第2層7bの厚み寸法を10μm以上とすれば、防湿性が低下しない程度にピンホールの発生を抑制することができる。また、第2層7bの厚み寸法を100μm以下とすればX線画像の品質に影響がでない程度にX線の吸収を抑制することができる。また、この程度の厚みであれば、温度の変動により第2層7bが収縮してもアレイ基板2を引っ張る力は限定的である。そのため、アレイ基板2に反りが発生することはない。
以上の様にして、シンチレータ層5の上方を覆う第1層7aを形成し、第1層7aが有する透湿係数よりも低い透湿係数を有し第1層7aを覆う第2層7bを形成して、第1の防湿体7を形成することができる。
例えば、図5(a)に示すように、第1の防湿体7の周囲を囲む様に、フィラー材または吸湿材と、樹脂と、溶媒が混合された材料を塗布する。この際、材料が、少なくとも第1層7aの周端面7aaを覆うようにする。材料の塗布は、ディスペンサなどを用いて行うことができる。
その後、これを乾燥させて第2の防湿体10を形成する。
例えば、接合層8を形成するする際に、接合層8の材料(例えば、フィラー材を含む接着剤)を第1の防湿体7の外側にはみ出させる。そして、接合層8の材料を硬化させることで接合層8と第2の防湿体10を形成する。
この場合、図5(b)に示すように、第2層7bを形成する際に、気相成長法を用いて第1層7aの外側にまで層を成膜することで第2の防湿体10aを形成することもできる。
また、配線4aを介して、信号処理部3と画像伝送部4を電気的に接続する。
その他、回路部品などを適宜実装する。
そして、必要に応じて、光電変換素子2b1の異常や電気的な接続の異常などの有無を確認する電気試験、X線画像試験、高温高湿試験、冷熱サイクル試験などを行う。
以上のようにして、X線検出器1を製造することができる。
Claims (8)
- 基板と、前記基板の一方の面側に設けられた複数の光電変換素子と、を有するアレイ基板と、
前記複数の光電変換素子の上に設けられ、放射線を蛍光に変換するシンチレータ層と、
前記シンチレータ層の上方を覆う第1層と、前記第1層が有する透湿係数よりも低い透湿係数を有し前記第1層を覆う第2層と、を有する第1の防湿体と、
前記アレイ基板の上に設けられ、前記第1層が有する透湿係数よりも低い透湿係数または前記第1層が有する吸湿容量よりも高い吸湿容量を有し、少なくとも前記第1層の周端面を覆う第2の防湿体と、
を備えた放射線検出器。 - 前記第1層は、有機材料を含み、
前記第2層は、金属材料および無機材料の少なくともいずれかを含み、
前記第2の防湿体は、フィラー材および吸湿材の少なくともいずれかと、樹脂を含む請求項1記載の放射線検出器。 - 前記第1層と、前記アレイ基板と、の間に設けられた接合層をさらに備え、
前記第2の防湿体は、前記接合層と同じ材料を含み、前記接合層と一体化されている請求項1または2に記載の放射線検出器。 - 前記第1層は、有機材料を含み、
前記第2層は、金属材料および無機材料の少なくともいずれかを含み、
前記第2の防湿体は、金属材料および無機材料の少なくともいずれかを含む請求項1記載の放射線検出器。 - 前記第2の防湿体は、前記第2層と同じ材料を含み、前記第2層と一体化されている請求項1または4に記載の放射線検出器。
- 複数の光電変換素子を有するアレイ基板の上に、シンチレータ層を形成する工程と、
前記シンチレータ層の上方を覆う第1層を形成し、前記第1層が有する透湿係数よりも低い透湿係数を有し前記第1層を覆う第2層を形成して、第1の防湿体を形成する工程と、
前記アレイ基板の上に、前記第1層が有する透湿係数よりも低い透湿係数または前記第1層が有する吸湿容量よりも高い吸湿容量を有し、少なくとも前記第1層の周端面を覆う第2の防湿体を形成する工程と、
を備えた放射線検出器の製造方法。 - 前記第1層と、前記アレイ基板と、の間に接合層を形成する工程をさらに備え、
接合層を形成する工程において、前記接合層の材料を前記第1の防湿体の外側にはみ出させ、
前記第2の防湿体を形成する工程において、前記はみ出した材料を硬化させて前記第2の防湿体を形成する請求項6記載の放射線検出器の製造方法。 - 前記第2の防湿体を形成する工程は、前記第1の防湿体を形成する工程において行われ、
前記第1の防湿体を形成する工程において、前記第2層を形成する際に、気相成長法を用いて前記第1層の外側にまで層を成膜することで前記第2の防湿体を形成する請求項6記載の放射線検出器の製造方法。
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