JP4447752B2

JP4447752B2 - 放射線検出器

Info

Publication number: JP4447752B2
Application number: JP2000235874A
Authority: JP
Inventors: 卓也本目; 敏雄高林
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: WO2002012919A1; US7019303B2; US20030173493A1; AU2001276727A1; JP2002048872A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放射線検出器に関し、特に大面積の放射線画像を撮像するために複数のイメージセンサを並べて構成した放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用のＸ線診断装置としてＸ線感光フィルムに代えてＣＣＤを用いたＸ線イメージセンサが普及してきている。このような放射線イメージングシステムにおいては、複数の画素を有する放射線検出素子を用いて放射線による２次元画像データを電気信号として取得し、この信号を処理装置により処理して、モニタ上に表示している。代表的な放射線検出素子は、１次元あるいは２次元に配列された光検出器上にシンチレータを配して、入射する放射線をシンチレータで光に変換して、検出する仕組みになっている。
【０００３】
この種の放射線検出素子は、大画面化するほど製造時の歩留まりが劣化する。その解決策として、胸部のレントゲン撮影等に用いる大画面の撮像装置を製作する際には、特開平9-153606号公報に開示されているように複数の検出素子を並べて大画面化する技術が知られている。同公報には、実際の撮像画面より小さい受光画面の素子を組み合わせることで、素子あたりの歩留まりの低下を防止し、製作コストを低減すると記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように複数の検出素子を並べて大画面化した場合、隣接する検出素子との境界部分（つなぎ目部分）からシンチレータがはく離しやすいという問題点がある。これは、つなぎ目付近における解像度の低下や、シンチレータの全面はく離という問題を引き起こすおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、シンチレータの耐久性を確保し、特につなぎ目付近における解像度低下を予防し得る構成の放射線検出器を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る放射線検出器は、(1)結晶Ｓｉ製の矩形基板と、基板の一方の表面上の少なくともその１辺近傍に複数の光電変換素子を２次元に配列して形成した受光部と、受光部と同一の表面の受光部の外側若しくは受光部の反対側の表面に配置され、光電変換素子とシフトレジスタを介して電気的に接続されている電極パッドとを有する複数の撮像基板と、(2)これら複数の撮像基板をそれらの受光部を隣り合わせてそれら全ての受光部の総面積に相当する大面積の受光領域を形成し、当該受光領域の外側に電極パッドを配置するよう２次元上に並べて載置する基台と、(3)基台上に並べられた複数の撮像基板の受光領域を一括して覆う表面の平坦な透明膜と、(4)この透明膜上の受光領域上に直接蒸着により形成されているシンチレータと、を備えているものであり、その隙間等が下記の条件を満たすことを特徴とする。本発明に係る放射線検出器としては、例えば、撮像基板２枚の連結、あるいは、撮像基板４枚を縦横２枚ずつ連結する構成が考えられる。
【０００７】
このシンチレータの厚さとしては、１００μｍ〜１０００μｍであることが望ましい。
【０００８】
複数の撮像基板間に形成される隙間は０μｍ超５０μｍ以下で、かつ透明膜の厚さは２μｍ〜３０μｍであることが望ましい。または、上記隙間として５０μｍ〜７０μｍで、かつ透明膜の厚さとして５μｍ〜３０μｍであってもよい。
【０００９】
本発明によれば、複数の撮像基板の各受光部を隣り合わせて並べることで、大きな撮像面積を有する受光部が形成される。そして、この受光部上に一括して透明膜を形成してその表面を平坦なものとし、その膜上に直接シンチレータを形成しているので、均一なシンチレータを形成することができ、均一な画像特性を有する検出器が得られる。さらにシンチレータが平坦な膜上に形成されることでそのはがれが効果的に防止される。
【００１０】
これらの撮像基板は光電変換素子に電気的に接続されている回路部を有していることが好ましい。このようにすると、信号読出し用の回路を別途形成する必要がなく、製造が容易になり、シンチレータ形成後の取り扱いも簡単になる。
【００１１】
このシンチレータを覆って密封する保護膜をさらに備えていることが好ましい。シンチレータが吸湿材料や強度の低い材料からなる場合、保護膜で密封することで、耐久性が確保される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。また、各図面における寸法、形状は実際のものとは必ずしも同一ではなく、理解を容易にするため誇張している部分がある。
【００１３】
図１は、本発明に係る放射線検出器の一実施形態を示す斜視図であり、図２はその断面図、図３は図２の一部拡大図である。この実施形態の放射線検出器１００は、セラミック製の基台１上に４枚の撮像基板である固体撮像素子２ａ〜２ｄを２×２枚並べて載置したものであり、各固体撮像素子２ａ〜２ｄは、接着樹脂１１によって基台１に固定されている。
【００１４】
各固体撮像素子２は、例えば結晶Ｓｉ製の基板２０上に、光電変換を行う光電変換素子２１を２次元上に配列することで構成されている。この光電変換素子２１は、フォトダイオード（ＰＤ）やトランジスタからなる。この光電変換素子２１の配列された部分を以下、受光部と呼ぶ。各光電変換素子２１は図示していない信号ラインによって固体撮像素子２の隣り合う二辺に配置された電極パッド２２のうち対応する電極パッド２２とシフトレジスタ２３を介して電気的に接続されている。そして、各固体撮像素子２ａ〜２ｄは、受光部が隣り合うように、言い換えると、電極パッド２２が外側に来るように配置されている。このようにすることで、各固体撮像素子２の受光部をできるだけ接近させて配置することができ、それぞれの受光部間の隙間をできるだけ小さくして画像の得られない不感領域を狭くすることができる。
【００１５】
固体撮像素子２ａ〜２ｄ上には、それらの受光部と隣接する受光部間の隙間２５を一括して覆うようにして光電変換素子２１が感度を有する波長帯の光を透過する透明膜３が形成されている。透明膜３としては、表面の平坦性に優れ、光透過特性の良好な樹脂、例えば、ポリイミド樹脂を用いることが好ましい。この透明膜３上には、入射した放射線を光電変換素子２１が感度を有する波長帯の光に変換する柱状構造のシンチレータ４が形成されている。シンチレータ４には、各種の材料を用いることができるが、発光効率が良いTlドープのCsI等が好ましい。
【００１６】
さらに、このシンチレータ４を覆って各固体撮像素子２の電極パッド２２とシフトレジスタ２３との間まで広がり、シンチレータ４を密封する保護膜５が形成されている。この保護膜５は、Ｘ線透過性で、水蒸気を遮断するものであり、例えば、ポリパラキシリレン樹脂（スリーボンド社製、商品名パリレン）、特にポリパラクロロキシリレン（同社製、商品名パリレンＣ）を用いることが好ましい。パリレンによるコーティング膜は、水蒸気及びガスの透過が極めて少なく、撥水性、耐薬品性も高いほか、薄膜でも優れた電気絶縁性を有し、放射線、可視光線に対して透明であるなど保護膜５にふさわしい優れた特徴を有している。
【００１７】
次に、図４〜図８を用いて本発明に係る放射線検出器の製造工程を具体的に説明する。最初に図４に示されるような構造の固体撮像素子２を４枚用意する。そして、平坦な表面を有する基台１の表面上に各固体撮像素子２ａ〜２ｄをそれらの受光部が隣接するよう、言い換えると各電極パッド２２部分が外側に配列されるように光電変換素子２１の受光面を表にして縦横に２枚ずつ並べて載置して接着樹脂１１によって基台１へと固定する（図５参照）。
【００１８】
次に、各電極パッド２２部分をマスキングしたうえで、受光部全体上（その間に形成された隙間２５部分を含む）にポリイミドを塗布したうえで、硬化させることにより約５μｍの厚さを有する透明膜３を形成する（図６参照）。こうして、透明膜３により固体撮像素子２ａ〜２ｄ間の隙間を塞ぐとともに、素子同士の表面位置に段差がある場合でも透明膜３の表面を平滑に形成することができる。
【００１９】
次に、こうして形成された透明膜３上にTlをドープしたCsIを真空蒸着法によって厚さ約400μｍの柱状結晶として成長させることによりシンチレータ４層を形成する（図７参照）。このシンチレータ４層は、固体撮像素子４ａ〜４ｄの全受光部の上に形成されることになる。また、シンチレータ４層が形成される土台となる透明膜３の表面が前述したように平滑な状態であるため、隙間を含む受光部全体にわたって均一なシンチレータ４層を形成することが可能である。
【００２０】
CsIは、吸湿性が高く、露出したままにしておくと空気中の水蒸気を吸湿して溶解してしまうので、その保護のため、CVD（化学的蒸着）法によりシンチレータ４が形成された固体撮像素子２ａ〜２ｄを基台１ごと厚さ10μｍのパリレンで包み込み、保護膜５を形成する（図８参照）。
【００２１】
具体的には、金属の真空蒸着と同様に真空中で蒸着によるコーティングを行うもので、原料となるジパラキシリレンモノマーを熱分解して、生成物をトルエン、ベンゼンなどの有機溶媒中で急冷しダイマーと呼ばれるジパラキシリレンを得る工程と、このダイマーを熱分解して、安定したラジカルパラキシリレンガスを生成させる工程と、発生したガスを素材上に吸着、重合させて分子量約５０万のポリパラキシリレン膜を重合形成させる工程からなる。
【００２２】
CsIの柱状結晶の間には隙間があるが、パリレンはこの狭い隙間にある程度入り込むので、保護膜５は、シンチレータ４層に密着し、シンチレータ４を密封する。このパリレンコーティングにより、凹凸のあるシンチレータ４層表面に均一な厚さの精密薄膜コーティングを形成することができる。また、パリレンのCVD形成は、金属蒸着時よりも真空度が低く、常温で行うことができるため、加工が容易である。
【００２３】
この後で形成した保護膜５に電極パッド２２とシフトレジスタ２３との間に沿って切れ目を入れ、外側の保護膜５をはがすことで、電極パッド２２を露出させて図１〜図３に示される放射線検出器１００を得る。
【００２４】
続いて、本実施形態の動作を図１〜図３により、説明する。入射面側から入射したＸ線（放射線）は、保護膜５を透過してシンチレータ４に達する。このＸ線は、シンチレータ４で吸収され、Ｘ線の光量に比例した所定の波長の光が放射される。放射された光は透明膜３を透過して各々の光電変換素子２１へと到達する。各々の光電変換素子２１では、光電変換により、到達した光の光量に対応する電気信号が生成されて一定時間蓄積される。この光の光量は入射するＸ線の光量に対応しているから、つまり、各々の光電変換素子２１に蓄積されている電気信号は、入射するＸ線の光量に対応することになり、Ｘ線画像に対応する画像信号が得られる。光電変換素子２１に蓄積されたこの画像信号は、図示していない信号ラインからシフトレジスタ２３を介して各電極パッド２２から順次出力されて外部へと転送され、これを所定の処理回路で処理することにより、モニター上にＸ線像を表示することができる。
【００２５】
前述したように、本発明によれば、各固体撮像素子２の受光部を近接して配置することが可能であり、さらに、その表面上に均一なシンチレータ４層を形成しているので、それぞれの受光部の間のつなぎ目部分に生ずる不感領域を狭くすることができ、解像度の劣化も防止できる。また、つなぎ目部分も含めて透明膜３により覆われ、その上にシンチレータ４が形成されているので、シンチレータ４のはく離現象を効果的に防止でき、耐久性が確保できる。そして、受光画面の小さい素子を組み合わせることで、大画面の素子を製作する場合に比べて素子あたりの歩留まりの低下を防止することができ、製作コストの低減も図れる。
【００２６】
本発明者らはこの透明膜３によって素子間の隙間を充填することでシンチレータ４のはく離を抑制する効果を検証するため、固体撮像素子のペアを４種類用意し、各素子を並べて素子間の隙間を一方が狭く、他方が広くなるように配置することで隙間を位置により異ならせて配置したうえで、各素子組の表面にポリイミドを塗布して硬化させることで、それぞれに所定の厚みの透明膜を形成して、その後シンチレータ４としてCsIを400μｍ蒸着した後、境界部分におけるシンチレータ４のはく離の有無を調べた。表１にその結果を示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
隙間が７０μｍの場合でも５μｍ厚の透明膜を形成することでシンチレータ４をはく離することなく蒸着できることが確認された。
【００２９】
この結果から隙間が５０μｍ以下の場合、透明膜の厚さを２μｍ以上とし、隙間が５０μｍより大きく７０μｍ以下の場合、透明膜の厚さを５μｍ以上とすることでシンチレータの剥離が防止できる。また、透明膜が厚すぎると透明膜中でイメージが散乱して解像度が低下してしまうので、透明膜の厚さは３０μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
尚、隙間が１００μｍと大きくなると隙間に入り込んだ透明膜の量が多くなり、透明膜の硬化時の収縮により隙間部分で透明膜にわずかながら凹みができてしまうのでシンチレータの剥離が生じてしまっている。さらに隙間は大きければ大きいほどデッドスペースが増大することになり、極力小さいほど良い。これらのことから隙間は７０μｍ以下に押さえることが好ましい。
【００３１】
なお、上述した隙間の大きさと透明膜の厚さの関係は、シンチレータの厚さは１００μｍ〜１０００μｍの範囲において満たされるものである。
【００３２】
図９は、本発明に係る放射線検出器の第２の実施形態を示す平面図である。コの図に示されるように、２枚の撮像基板である固体撮像素子２ａ、２ｂを連結して大画面の放射線検出器を製造してもよい。さらに、３枚以上の固体撮像素子を一列に並べて大画面化したり、２×ｍ列あるいはｍ×ｎ列並べて大画面化しても構わない。固体撮像素子を２×ｍ列（ただしｍは３以上の整数）並べる場合は、少なくとも四隅に配置される以外の固体撮像素子２’は、少なくとも３辺の境界部分まで受光部２１が配置されている構造（図１０参照）を有している必要がある。また、固体撮像素子をｍ×ｎ列（ただしｍ、ｎとも３以上の整数）並べる場合は、さらに中央部分に配置される固体撮像素子２”は、表面全体に受光部２１が配置される構造（図１１参照）を有している必要がある。この場合、電極パッドは背面に設けて、基台１を貫通する配線を利用して信号を読み出すことが好ましい。
【００３３】
以上の説明では、保護膜５としてパリレン製の単一膜構造の保護膜について説明してきたが、パリレン膜の表面にＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属薄膜からなる反射膜を設ければ、シンチレータ３から放射された光を光電変換素子２１へと戻すことで、輝度の高い画像を得ることができる。この金属薄膜の保護のため、さらにその表面にパリレン膜等を施してもよい。シンチレータ３として防湿性の材料を使用した場合や、装置全体を防湿性の保護ケース内に収容するような場合は、保護膜５を設けなくともよい。
【００３４】
また、本発明における透明膜とは可視光を透過するという意味での透明膜を意味するのではなく、透明膜が設けられる撮像基板の光電変換素子が感度を有する光を透過性質を有することを意味する。したがって、例えば可視光中の特定の波長帯に感度を有する光電変換素子を利用する場合は、その感度域外の可視光に対しては不透明であってもよく、可視光ではなく赤外線や紫外線等に感度を有する光電変換素子を利用する場合は、感度を有する光を透過すれば可視光に対しては不透明であっても構わない。さらに、感度帯域の一部に対しては不透明であってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数の撮像基板を並べて受光部を隣り合わせて並べ、それらの受光部全体を一括して透明膜によって覆ったうえでその上にシンチレータを形成しているので、均一なシンチレータが形成され、良好な画像特性が得られるとともに、シンチレータのはく離が効果的に防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放射線検出器の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の放射線検出器の断面図である。
【図３】図２の一部拡大図である。
【図４】図１の検出器の製造工程を説明する図である。
【図５】図４の工程の続きを説明する図である。
【図６】図５の工程の続きを説明する図である。
【図７】図６の工程の続きを説明する図である。
【図８】図７の工程の続きを説明する図である。
【図９】本発明に係る放射線検出器の別の実施形態を示す平面図である。
【図１０】本発明に係る放射線検出器の別の実施形態に用いられる撮像基板を示す平面図である。
【図１１】本発明に係る放射線検出器のさらに別の実施形態に用いられる撮像基板を示す平面図である。
【符号の説明】
１…基台、２…固体撮像素子、３…透明膜、４…シンチレータ、５…保護膜、１１…接着樹脂、２０…基板、２１…光電変換素子、２２…電極パッド、２３…シフトレジスタ、２５…隙間。

Claims

結晶Ｓｉ製の矩形基板と、前記基板の一方の表面上の少なくともその１辺近傍に複数の光電変換素子を２次元に配列して形成した受光部と、前記受光部と同一の表面の前記受光部の外側若しくは前記受光部の反対側の表面に配置され、前記光電変換素子とシフトレジスタを介して電気的に接続されている電極パッドとを有する複数の撮像基板と、
前記複数の撮像基板をそれらの受光部を隣り合わせてそれらの受光部の総面積に相当する大面積の受光領域を形成し、当該受光領域の外側に電極パッドを配置するよう２次元上に並べて載置する基台と、
前記基台上に並べられた前記複数の撮像基板の前記受光領域を一括して覆う表面の平坦な透明膜と、
前記透明膜上の前記受光領域上に直接蒸着により形成されているシンチレータと、
を備えており、前記シンチレータの厚さは１００μｍ〜１０００μｍであって、前記複数の撮像基板間に形成される隙間は０μｍ超５０μｍ以下であり、かつ前記透明膜の厚さは２μｍ〜３０μｍである放射線検出器。
結晶Ｓｉ製の矩形基板と、前記基板の一方の表面上の少なくともその１辺近傍に複数の光電変換素子を２次元に配列して形成した受光部と、前記受光部と同一の表面の前記受光部の外側若しくは前記受光部の反対側の表面に配置され、前記光電変換素子とシフトレジスタを介して電気的に接続されている電極パッドとを有する複数の撮像基板と、
前記複数の撮像基板をそれらの受光部を隣り合わせてそれらの受光部の総面積に相当する大面積の受光領域を形成し、当該受光領域の外側に電極パッドを配置するよう２次元上に並べて載置する基台と、
前記基台上に並べられた前記複数の撮像基板の前記受光領域を一括して覆う表面の平坦な透明膜と、
前記透明膜上の前記受光領域上に直接蒸着により形成されているシンチレータと、
を備えており、前記シンチレータの厚さは１００μｍ〜１０００μｍであって、前記複数の撮像基板間に形成される隙間は５０μｍ〜７０μｍであり、かつ前記透明膜の厚さは５μｍ〜３０μｍである放射線検出器。
前記撮像基板は前記光電変換素子に電気的に接続されている回路部を有している請求項１または２のいずれかに記載の放射線検出器。
前記撮像基板を２枚備えている請求項１〜３のいずれかに記載の放射線検出器。
前記撮像基板を４枚備えており、それらが縦横に２枚ずつ連結されている請求項１〜３のいずれかに記載の放射線検出器。
前記シンチレータを覆って密封する保護膜をさらに備えている請求項１〜５のいずれかに記載の放射線検出器。