JP4974130B2 - 電離放射線を検出する装置 - Google Patents

Description

本開示は一般的には、電離放射線検出器に関し、具体的には、バックライト式フォトダイオード・アレイを用いた電離放射線検出器に関する。

放射線イメージング・システムは、例えばＸ線計算機式断層写真法（ＣＴ）のように、医療用途及び産業用途に広く用いられている。典型的な検出器システムは、フォトダイオードのアレイに取り付けられたシンチレータ素子のアレイを含んでおり、これらのフォトダイオードを用いて、電離放射線を検出して光エネルギに変換し、次いで入射した電離放射線を表わす電気信号に変換することができる。
米国特許公開第２００３０１２２０８３号

画質を高めるためには、例えば１０００個〜４０００個程度の多数の個別のピクセルが必要であり、各々のピクセルについてそれぞれ１個の増幅器が用いられる。個別のピクセル及び増幅器の数が増加するに従って、処理のために必要な信号接続を設けることが複雑で厄介になる。この複雑さの幾分かを解消する試みとして、フォトダイオード・アレイ・チップのフォトダイオード検出素子数の増加を可能にするバックライト式フォトダイオード・アレイの研究が行なわれてきた。しかしながら、バックライト式フォトダイオード・アレイ・チップは電子的クロストークに敏感であり、このことは少なくとも部分的には、フォトダイオード・アレイ・チップ自体の厚みに起因している。従って、当業界では、これらの欠点を克服するような電離放射線検出器構成が必要とされている。

本書に開示する実施形態は、電離放射線検出器用フォトダイオード検出器アセンブリを提供する。このアセンブリは、第一の側面及び第二の側面、並びに第二の側面に配置されているバックライト式フォトダイオードのアレイを有する第一の層と、第一の層の第二の側面に近接し且つ対向して配置されている第二の層とを含んでいる。第二の層は貫通バイアを含んでいる。第一の側面において第一の層に進入し第二の側面においてバックライト式フォトダイオードに入射する光線が、第二の層の貫通バイアにおいて電気信号を生じ、これによりバックライト式フォトダイオードからの電気出力信号をバックライト式フォトダイオードから一定の距離で供給する。

本書に開示する他の実施形態は、フォトダイオード検出器アセンブリ及びシンチレータを有する電離放射線検出器を提供する。このフォトダイオード検出器アセンブリは、第一の側面及び第二の側面、並びに第二の側面に配置されているバックライト式フォトダイオードのアレイを有する第一の層と、第一の層の第二の側面に近接し且つ対向して配置されている第二の層とを含んでおり、第二の層は貫通バイアを有している。シンチレータは第一の層の第一の側面に配置され、放射線入力表面及び放射線出力表面を含んでいる。シンチレータは、入力表面に入射した放射線に応答して出力表面から出る光線を発生し、出力表面から出た光線はフォトダイオード検出器アセンブリの第一の層の第一の側面に入射する。第一の側面において第一の層に進入し第二の側面においてバックライト式フォトダイオードに入射する光線は、第二の層の貫通バイアにおいて電気信号を生じ、これによりバックライト式フォトダイオードからの電気出力信号をバックライト式フォトダイオードから一定の距離で供給する。

以下、例示的な図面を参照する。図面では、類似の要素には類似の参照番号を付す。

本発明の実施形態は、例えばマルチ・スライス計算機式断層写真法（ＣＴ）Ｘ線検出器のような電離放射線検出器の内部に用いられる極く薄いバックライト式フォトダイオード検出器アセンブリを提供する。本書に記載する実施形態ではＸ線を例示的な電離放射線として示しているが、開示される発明は、例えばγ線、高エネルギ電子（β）線又は高エネルギ荷電粒子（原子物理学及び宇宙望遠鏡で遭遇するようなもの）等のような他の高エネルギ電離放射線にも応用可能であることが理解されよう。従って、開示される発明はＸ線検出の実施形態に限定されない。

図１は、マルチ・スライスＣＴＸ線検出器１００の例示的な実施形態であり、検出器１００は、フォトダイオード検出器アセンブリ１１０と、アセンブリ１１０の一面に取り付けられたシンチレータ１２０と、アセンブリ１１０の他面に取り付けられたプリント回路基板（ＰＣＢ）１３０と、コネクタ１５０及び１６０を介してＰＣＢに接続されているフレックス回路１４０とを有している。ＰＣＢ１３０は、処理チップ１７０を含んでいてよい。

図１及び図２を併せて参照して述べると、フォトダイオード検出器アセンブリ１１０は、第一の側面２０２及び第二の側面２０４を有する第一の層２００と、第一の層２００の第二の側面２０４に近接し且つ対向して配置されている第二の層２１０とを含んでいる。第一の層２００はバックライト式フォトダイオード・アレイとも呼ばれ、裏面とも呼ばれる第二の側面２０４に配置されているバックライト式フォトダイオード２０６のアレイを含んでいる。第二の層２１０は、電気信号を第二の層２１０を通して伝達するための貫通バイア２１２を含んでいる。

一実施形態では、第一の層２００は厚みが約１５０ミクロン以下であり、もう一つの実施形態では、第一の層２００は厚みが約１００ミクロン以下であり、他の実施形態では、第一の層２００は厚みが約５０ミクロン以下であり、さらに他の実施形態では、第一の層２００は厚みが約２５ミクロン以上である。第一の層が約１５０ミクロン以下約２５ミクロン以上である実施形態では、隣接するバックライト式フォトダイオード２０６同士の間のセル間信号クロストークは約４％以下であり、第一の層が約１００ミクロン以下約２５ミクロン以上である実施形態では、隣接するバックライト式フォトダイオード２０６同士の間のセル間信号クロストークは約２％以下である。このことを図３の試験データに示す。図３では、データ線３００が、シリコン厚みが約１５０ミクロンの第一の層２００について、バックライト式フォトダイオード２０６の１個と隣接する全８個との間の合計信号クロストーク量を示しており、データ線３１０が、シリコン厚みが約１００ミクロンの第一の層２００について、バックライト式フォトダイオード２０６の１個と隣接する全８個との間の合計信号クロストーク量を示している。従って、シリコン厚みが約１５０ミクロンの第一の層２００について、任意の２個の隣接するバックライト式フォトダイオード２０６の間の平均信号クロストークは約４％以下であり、シリコン厚みが約１００ミクロンの第一の層２００について、任意の２個の隣接するバックライト式フォトダイオード２０６の間の平均信号クロストークは約２％以下である。図３のデータ線３００及び３１０によって表わされている信号クロストークは、約５００ミクロン〜約９００ミクロンのピクセル・ピッチにわたって示されている。尚、ピッチとは、１個のピクセルの前方端から、線形配列方向に隣接するもう一個のピクセルの前方端までの距離である。

一実施形態では、第一の層及び第二の層２００及び２１０はシリコン製であって、第一の層２００は第二の層２１０に機械的に結合され且つ電気的に接続されている。第一の層及び第二の層２００及び２１０は、はんだボール、導電性エポキシ・ドット、金属パッド間の冷間融合（cold fusion）、その他任意の適当な方法、又はこれらの任意の組み合わせを用いて接合することができる。

シンチレータ１２０は、矢印２２０で示されるＸ線フォトン・エネルギを放射線入力表面１２４で受光し、シンチレータ素子１２２を介してフォトン・エネルギ２２０を矢印２３０で示される光線に変換し、光線は放射線出力表面１２６においてシンチレータ１２０を出る。光線２３０は、第一の層２００の第一の側面２０２で受光され、第一の層２００を透過して第二の側面２０４でバックライト式フォトダイオード２０６に入射して、第二の層２１０の貫通バイア２１２において電気信号を生じ、これによりバックライト式フォトダイオード２０６からの電気出力信号を第一の層２００の第二の側面２０４から一定の距離で供給する。一実施形態では、貫通バイア２１２は、第二の層２１０の前面２１４から、反対側の裏面２１６まで延在している。但し、第二の層２１０のシリコン内部で信号経路の変化に対処することができ、これにより、前面から裏面への信号伝達、前面から端部への信号伝達、又はこれらの任意の組み合わせを可能にする。

前述のように、フォトダイオード検出器アセンブリ１１０は、第二の層２１０の裏面２１６に取り付けられて貫通バイア２１２と信号伝達する第三の層すなわちＰＣＢ１３０を有し得る。一実施形態では、ＰＣＢ１３０は、貫通バイア２１２と接続する第一の基板表面１３２から、処理チップ１７０等の電気的構成要素と接続し得る第二の基板表面１３４まで延在する電気的接続（図示されていない）を含んでいる。ＰＣＢ１３０上の配線（図示されていない）によって処理チップ１７０をコネクタ１６０に電気的に接続し、次いでコネクタ１６０がコネクタ１５０を介してフレックス回路への信号伝達を可能にしている。処理チップ１７０は、例えば増幅器、アナログ・ディジタル回路及び制御ロジックのようなデータ取得サーキットリを含んでいてよく、このサーキットリはフォトダイオード・アレイ２０６に電気的に接続され、またフォトダイオード・アレイ２０６からの出力信号を処理する。代替的な実施形態では、他の電子的構成要素（図示されていない）に接続するために低密度の出力信号線１３６を用いてもよい。さらに他の代替的な実施形態では、ＰＣＢ１３０に多層セラミックを用いてもよい。例示的な一実施形態では、フォトダイオード・アレイ２０６は、各々約１５ミリメートル（ｍｍ）×約３２ｍｍの寸法を有し、５１２個のフォトダイオードから成っていてよい。

バックライト式フォトダイオード検出器アセンブリ１１０の例示的な応用は、低い電子的クロストーク及び高画質が望まれるＣＴＸ線検出器１００である。第二のシリコン層２１０に貫通バイア２１２を設けてバックライト式フォトダイオード２０６を有する極く薄い第一のシリコン層２００の積層構造は、後続の組立てでの材料の扱い易さを保ちつつ、低い電子的クロストーク及び高画質を提供する。

開示のように、本発明の幾つかの実施形態は以下の利点の幾つかを含み得る。すなわち、ＣＴＸ線検出器モジュールの組立て時の材料の扱いが容易であること、ＣＴ出力の画質が高いこと、隣接するフォトダイオード・セル同士の間の信号クロストークが小さいこと、フォトダイオード検出器アセンブリの背面からの信号接続の引き出しが可能であること、検出器モジュールの二次元アレイのパッケージ化を可能にしてＣＴ回転当たりの患者撮影範囲を改善すること、並びにフォトダイオード・アレイのシリコン層との熱膨張係数の適合、平面度保持のための機械的補剛体及び取り扱いのための機械的支持体を提供する貫通バイア付きシリコン層を用いること等がある。

本発明を例示的な実施形態に関して説明したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく本発明の各要素に様々な改変を施しまた本発明の要素を均等構成によって置換し得ることが理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況又は材料を適合させる多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために思量された最良又は唯一の態様として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内の全ての実施形態を包含するものとする。尚、第一、第二等の用語を用いたが順序又は重要性も示すのでは何らなく、一要素を他要素と識別するために用いている。さらに、単数不定冠詞を用いたが数量の制限を示すのではなく、言及している項目が少なくとも１個存在することを示している。

本発明の実施形態による例示的なマルチ・スライスＣＴＸ線検出器モジュールの図である。 細部を幾分省略した図１の検出器モジュールの端面図である。 本発明の例示的な実施形態で採取されたデータを示す図である。

符号の説明

１００ マルチ・スライスＣＴＸ線検出器
１１０ フォトダイオード検出器アセンブリ
１２０ シンチレータ
１２２ シンチレータ素子
１２４ 放射線入力表面
１２６ 放射線出力表面
１３０ プリント基板（ＰＣＢ）
１３２ 第一の基板表面
１３４ 第二の基板表面
１４０ フレックス回路
１５０、１６０ コネクタ
１７０ 処理チップ
２００ 第一の層
２０２ 第一の側面
２０４ 第二の側面
２０６ バックライト式フォトダイオード
２１０ 第二の層
２１２ 貫通バイア
２１４ 前面
２１６ 裏面
２２０ Ｘ線フォトン・エネルギ
２３０ 光線
３００、３１０ データ線

Claims (7)

1. 第一の側面（２０２）及び第二の側面（２０４）、並びに該第二の側面（２０４）に配置されているバックライト式フォトダイオード（２０６）のアレイを含んでいるシリコン製の第一の層（２００）と、
   該第一の層（２００）の前記第二の側面（２０４）に近接し且つ対向して配置され、貫通バイア（２１２）を含んでいる前記第一の層の熱膨張係数と適合する熱膨張係数を有するシリコン製の第二の層（２１０）と、
   第二の基板表面（１３４）まで貫通して延在している電気的接続を第一の基板表面（１３２）に有するプリント回路基板（１３０）を含んでいる第三の層と、
   を備えた電離放射線検出器（１００）用フォトダイオード検出器アセンブリ（１１０）であって、
   前記第一の側面（２０２）において前記第一の層（２００）に進入し前記第二の側面（２０４）において前記バックライト式フォトダイオード（２０６）に入射する光線が、前記第二の層（２１０）の前記貫通バイア（２１２）において電気信号を生じ、これにより前記バックライト式フォトダイオード（２０６）からの電気出力信号を前記バックライト式フォトダイオード（２０６）から一定の距離で前記プリント回路基板（１３０）の前記電気的接続に供給し、
   前記第一の層（２００）は、前記第二の層（２１０）に機械的に結合され且つ電気的に接続されており、
   前記第三の層の前記第一の基板表面（１３２）の前記電気的接続は前記貫通バイア（２１２）との信号通信用に構成されており、前記第二の基板表面（１３４）の前記電気的接続は少なくとも一個の電気的構成要素（１７０）との信号通信用に構成されている、
   前記第一の層（２００）は１００ミクロン以下の均一な厚みを有し、
   前記バックライト式フォトダイオード（２０６）のアレイは、セル間信号クロストークが２％以下である隣接するバックライト式フォトダイオード（２０６）を含んでいる、フォトダイオード検出器アセンブリ（１１０）。
2. 前記第一の層（２００）の厚みは２５ミクロン以上である、請求項１に記載のアセンブリ（１１０）。
3. 前記電気的構成要素（１７０）が前記第三の層上の配線によってをコネクタ（１６０）に電気的に接続され、前記コネクタ（１６０）がフレックス回路への信号伝達を可能する、請求項１または２に記載のアセンブリ（１１０）。
4. 前記貫通バイア（２１２）は、前記第二の層（２１０）の前面（２１４）から、反対側の前記第二の層の裏面（２１６）まで延在している、請求項１乃至３のいずれかに記載のアセンブリ（１１０）。
5. 前記電気的構成要素（１７０）は、前記バックライト式フォトダイオード（２０６）からの前記電気出力信号を処理する増幅器、アナログ・ディジタル回路または制御ロジックでる、請求項１乃至４のいずれかに記載のアセンブリ（１１０）。
6. 前記第一の層（２００）及び前記第二の層（２１０）は、はんだボール、導電性エポキシ・ドット、金属パッド間の冷間融合又はこれらの組み合わせを用いて接合される、請求項１乃至５のいずれかに記載のアセンブリ（１１０）。
7. 前記第一の層（２００）の前記第一の側面（２０２）に配置されているシンチレータ（１２０）を含んでいる請求項１乃至５のいずれかに記載のフォトダイオード検出器アセンブリ（１１０）を備えた電離放射線検出器（１００）であって、
   前記シンチレータ（１２０）は、放射線入力表面（１２４）及び放射線出力表面（１２５）を含んでおり、前記入力表面（１２４）に入射した放射線に応答して前記出力表面（１２６）から出て、前記フォトダイオード検出器アセンブリ（１１０）の前記第一の層（２００）の前記第一の側面（２０２）に入射する光線（２３０）を発生する、電離放射線検出器（１００）。
   

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