具有閃爍體元件和光電二極體陣列的堆疊體的輻射探測器的製作方法

2023-06-14 21:46:11

專利名稱：具有閃爍體元件和光電二極體陣列的堆疊體的輻射探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括閃爍體元件和光電二極體陣列(PDA)的堆疊體的輻射探測器。此 外，其涉及用於生產這樣的輻射探測器的方法和包括這樣的輻射探測器的成像設備。
背景技術：
US20020153492A1公開了一種輻射探測器，其中光電二極體陣列(PDA)和閃爍晶 體附接至延伸進入該閃爍晶體的橫向體積的平面襯底。此外，連接器附接至所述橫向體積 中的襯底，並且多個所得的部件結合成堆疊體，其中閃爍晶體的橫向體積填充以環氧樹脂。

發明內容
根據該情況，本發明的一個目標是提供一種輻射探測器，其能夠容易地製造並且 具有高靈敏度。尤其是期望所述輻射探測器適於在光譜CT (計算機斷層攝影)掃描器中應用。該目標是通過根據權利要求1所述的輻射探測器、根據權利要求2所述的方法以 及根據權利要求15所述的成像設備實現的。優選的實施例在從屬權利要求中公開。根據本發明第一方面，其涉及一種輻射探測器，用於電磁輻射的探測，尤其是類似 X射線光子或者Y光子的高能量輻射的探測。該輻射探測器包括下列部件a)堆疊體，其包括閃爍體元件和光電二極體陣列(或短「PDA」)。通常，閃爍體元 件為立方體形狀，而PDA大體為平板，並且該堆疊體典型地包括閃爍體元件和PDA的交替序 列，其中沒有其他中間部件。此外，該堆疊體的特徵在於下列特性al) PDA連同電導線延伸進入填充這樣的體積的剛性體中，該體積是閃爍體元件橫 向的體積(並且通常與其鄰近)並且下文中將被稱作「邊界體積」。本文中，「橫向」方向對 應於垂直於堆疊方向的方向。此外，下文中堆疊體的剩餘體積(在其中也存在由閃爍體元 件的一部分)將被稱作「堆疊體核」以便與邊界體積相區別。最後，術語「導線」應該表示 與其特定幾何形狀無關的任意電傳導部件。閃爍體元件將典型地為閃爍材料的塊或晶體，其將入射高能量輻射(例如，X射 線)轉換成較低能量的光子，尤其是可見光譜的光子。隨後可以通過在PDA中的光電二極 管探測所述光子，即所述光子被轉換成電信號。a2)PDA的導線終止在邊界體積的表面中，其中下文中該表面將被稱作「接觸表 面」，因為所述導線可以在該平面中與外部電路接觸。接觸表面典型地相對於PDA的平面 (該平面垂直於堆疊方向)垂直或者傾斜。b)設置在前述接觸表面上的並且在下文中可以稱作為「再分配層」的層，所述再分 配層包括與PDA的導線接觸的電線路，其中所述PDA的導線在接觸表面處終止。再分配層 提供與所述PDA的導線的電接入，其中在所述再分配層上的所述線路的末端通常具有與在 接觸表面上的導線不同的幾何布置。本發明涉及一種用於提供輻射探測器，尤其是前述設計的輻射探測器的方法，所述方法包括下列步驟a)堆疊閃爍體元件和PDA，使得所述PDA連同電導線延伸進入所述閃爍體元件橫 向的邊界體積中。b)用材料至少部分地填充在所述邊界體積中的所述PDA之間的空隙，所述材料例 如環氧樹脂、矽樹脂和/或聚醯亞胺樹脂。任選地，堆疊體的其它表面也可以利用相同材料覆蓋。c)將所述邊界體積的一部分移除以使PDA的所述導線在邊界體積的接觸表面中 暴露，其中所述表面由移除的過程生成(例如，通過刻蝕或切割)。該移除通常需要等到填 充材料最初的液體成分已經固化。在該方法的其他可選步驟中，在步驟c)之後具有電線路的再分配層可以設置在 所述接觸表面上，使得所述線路與所述PDA的導線接觸。所描述的輻射探測器和用於生產這樣的探測器的方法提供了一種能夠以工業規 模容易地進行製造的設計，因為首先可以組裝閃爍體元件和PDA的簡單堆疊體，然後該簡 單堆疊體可以通過填充在PDA之間的邊界體積的材料被固定在所假定的單獨幾何結構中。 由於該設計，在閃爍體元件之間不必須提供附加的載體或襯底(除了 PDA之外)，因此將由 於輻射探測而損失的區域減至最小，即減至PDA的厚度。通過在所述PDA上的導線來提供 所需要的來自探測器像素的讀出線路，可以通過在邊界體積的接觸表面處的外部電路例如 以倒裝方式容易地與所述導線接觸。下文中，將描述本發明的各種其他改善，其既涉及輻射探測器又涉及所描述的方法。由於PDA僅能夠以非常低的效率直接探測高能量輻射並且產生除了閃爍體-PDA 鏈之外的電荷，這意味著它們的直接轉換信號不能簡單地結合基於閃爍體的信號使用， 由PDA在輻射入射的平面中所佔據的區域由於探測過程而損失嚴重。為了最小化該損 失，PDA優選的厚度(垂直於輻射入射即通常地在堆疊方向測得的)小於300i!m，優選地 小於150 ilm，最優選地小於^(^！！！或者甚至小於日。!!!!!。由於閃爍體元件典型的厚度為 1000 u m,因此損失區域可以減小至整個區域的大約5-30%或者更小。基本上，光電二極體陣列可以包括僅一個單一光電二極體，其適用於探測在相關 閃爍體元件中生成的次級(光學)輻射。然而優選地，至少一個PDA包括可以從一個或多 個相關閃爍體元件的不同區域探測次級光子的多個光電二極體。由於他們獨立地連接至延 伸進入邊界體積中的導線，因此在所述光電二極體中生成的信號可以被分別讀出並且歸於 在相關閃爍體元件中的不同區域。最優選地，至少一個PDA包括二維光電二極體陣列，其允 許以空間解析度(即，在垂直於所述輻射入射的方向上分辨)以及能量解析度(由與輻射 入射一致的探測層提供)來探測高能量輻射。這使得輻射探測器尤其適於在光譜CT中應 用。閃爍體元件可以是獨立的塊，其中一個這樣的塊設置在兩個連續PDA之間。然而 根據優選的實施例，則存在耦合至同一 PDA的至少兩個閃爍體元件。這些閃爍體元件可以 可選的通過反射層彼此分離，從而防止在他們的一個中生成的次級光子躍遷進入相鄰閃爍 體元件，在該相鄰閃爍體元件中次級光子將生成不期望的串擾效應。此外，分離的單個閃爍 體元件優選地耦合至公共PDA的不同光電二極體，使得可以獨立地探測在他們中生成的輻
5射。若干閃爍體元件可以彼此鄰近地設置在垂直於所述輻射入射(從而增加空間解析度) 以及平行於所述輻射入射的方向(從而增加能量解析度)上。尤其是在後一種情況中，一 個接一個地設置在輻射方向上的閃爍體元件可以包括具有不同吸收特徵的材料。根據本發明的另一優選實施例，至少一個閃爍體元件粘合至至少一個PDA，其中術 語「粘合」應該廣義地指這樣的任意過程通過該過程將閃爍體元件和PDA材料上結合。通 過該材料結合，實現閃爍體元件和相關的PDA之間具有良好光學耦合的緊密連接，從而使 得在從閃爍體元件到PDA的躍遷中幾乎沒有次級光子損失。此外，閃爍體元件和相關PDA 之間牢固的機械連接便於輻射探測器製造期間的堆疊過程。原則上，這將滿足每個閃爍體元件在單一 PDA側面中的一個處耦合至該PDA，使 得由閃爍體元件發射的次級光子可以通過該側面被探測。之後，典型地，閃爍體元件的剩餘 側面則將具有反射塗層以減少次級光子的損失。根據本發明的優選實施例，在至少一個閃 爍體元件處，PDA功能性地耦合至兩個、三個或者四個側面，從而允許在該閃爍體元件的若 幹側面處次級光子的探測。可以可選地將與相同像素相關的若干PDA的光電二極體短路。PDA的導線優選的(在堆疊方向測得的)厚度小於lOym，最優選的厚度小於 lum0這樣薄的傳導結構例如可以通過在絕緣襯底上的金屬化層實現。為了提高他們的可 接入性，優選地為PDA的導線提供在接觸表面處的擴大部。該具有擴大部的構造可以在PDA 的製備期間已經完成，即，在該方法的堆疊步驟a)之前或者緊接在堆疊步驟a)之後，或者 其可以在步驟c)中的移除之後完成。PDA的導線的擴大部在接觸表面中的內徑優選地為至少20 iim，最優選地為至少 50umo在本文中，連接的幾何形狀的「內徑」定義為與該形狀完全匹配的最大圓的直徑。例 如在矩形中，內徑對應於較短側邊的長度。所述的對於內徑的值保證了在接觸表面中提供 足夠的區域用於外部接觸件的可靠結合。PDA的導線的擴大部可以以不同方式實現。根據第一可選方案，該擴大部包括在接 觸表面上的金屬化。這樣的金屬化可以具體地在移除邊界體積的一部分以暴露電導線之後 生成。其可以通過半導體技術的標準過程產生，例如，金屬層的氣相沉積和隨後利用合適掩 模的刻蝕。根據另一實施例，該擴大部包括結合到所述導線並切入進所述接觸表面的附加的 傳導材料。與前述的在接觸表面上的金屬化形成對比，傳導材料從接觸表面延伸進入邊界 體積的深處。附加的傳導材料的具體示例是在至少一個位置(在邊界體積中或者在堆疊體 核中)結合至相應導線的電線。另一個示例是附接至相應導線的金屬塊或者焊料凸點。該 可選方案可以與上面描述的金屬層的沉積相結合。根據本發明的另一實施例，支撐格柵設置在堆疊體橫向的邊界體積中，並且PDA 延伸通過所述格柵的孔。這樣的支撐格柵在製造工藝中尤其有用，因為其允許在邊界體積 中的空隙被填充之前閃爍體元件和相關PDA的堆疊體的便利組裝。需要說明的是，PDA不 需要緊緊固定至格柵的孔中，因為在最終產品中由填充邊界體積的材料提供機械穩定性。再分配層將通常連接至用於對由PDA提供的信號進一步處理的電子部件。特別 的，讀出電路可以連接至再分配層使得信號處理和讀出發生在與信號生成的來源緊密接近 的該電路中。讀出電路可以例如通過專用電路(ASIC)來實現。根據另一實施例，機械載體可以連接至再分配層和/或閃爍體元件和PDA的堆疊體，所述載體允許輻射探測器機械集成到較大系統中。本發明還涉及一種成像設備，包括上面描述的類型的輻射探測器。特別地，該成像 設備可以為X射線、CT (計算機斷層攝影)、PET (正電子發射斷層攝影)、SPECT (單光子發 射計算機斷層攝影)或者核成像設備。


參照下面描述的實施例，本發明的這些方面以及其他方面將變得顯而易見並且得 以闡明。這些實施例將藉助所附的單一附圖通過示例來描述，其中附圖為圖1說明根據本發明的輻射探測器的製造的若干連續步驟。
具體實施例方式對於計算機斷層攝影(CT)的未來發展，光譜或者「彩色」X射線成像是最有前途的 途徑。雖然基於計數模式的探測器的光譜CT具有良好的材料分離能力的特性，但是由多層 探測器、具有相異kVp (即源的峰值電壓)的多X射線源、時間上的kVp調製或者這些方法 的結合而實現的實施方式由於降低的硬體需求，顯得具有吸引力。因此，可以認為具有雙層電流模式的探測器和快速kVp切換X射線源的系統是在 光譜CT中有前途的方法。然而，由於雙層探測器是相當複雜的設備，因此其生產不能根據 CT探測器的標準製造工藝來實現。雙層探測器的特點是光電二極體平行於束的方向安裝。由於閃爍體元件和光電 二極體安裝在取向為垂直於所述束方向的載體上，因此電導線不得不從垂直平面傳輸到水 平平面。因此，需要允許以合理成本大量生產可靠探測設備的製造工藝。為了實現該目的，提出一種後續(back-end)過程，其便於電信號從光電二極體陣 列(PDA)的垂直平面傳輸到襯底的水平平面(當假定輻射入射的方向為垂直的時)。因此， 在安裝閃爍體元件之前不需要固定光電二極體。圖1說明示例性製造工藝的連續步驟，通過該製造工藝生產了根據本發明的這樣 的輻射探測器100。需要注意的是，該圖僅描述了完整輻射探測器的小部分，完整輻射探測 器典型地包括更大量數目的探測單元。圖la)示出工藝的第一步，其中提供兩個閃爍體元件110、110』以及相關的PDA 120。兩個閃爍體元件110、110』在z方向成一行彼此鄰近放置，z方向是在輻射探測器的 後面操作期間輻射入射的方向。閃爍體元件典型地為類似GOS、CsI.ZnSe或CW0的材料的 長方體塊，其從入射的高能量初級光子生成次級光子。兩個閃爍體元件優選地通過反射層 111彼此分離以防止串擾效應。PDA 120典型地包括諸如矽的半導體材料的板，並且光電二極體122 (在該示例中 為兩個)通過在朝向閃爍體元件的區域中適當地摻雜而在PDA表面上形成。此外，在PDA120 的所述表面上提供電導線123，其連接到前述的光電二極體122並且延伸進入PDA的較低部 分121。附加的電線131已連接至電導線123以提供導線的橫截面的擴大部。可選的，選擇部件(例如，閃爍體元件、PDA、導線等)使得其熱膨脹特徵類似，從而 減少在生產和操作期間堆疊體中的熱機械應力。在製造工藝的下一步驟b)中，閃爍體元件110、110』粘合至PDA 120的光電二極
7管122。因此，得到可以作為獨立的、自承載結構來操控的探測器單元U或者「板層」。在步驟c)中，多個前述的探測器單元U—個接一個地安裝在堆疊體方向(x方向) 中，得到堆疊體S。例如由具有用於PDA外延部121的洞的金屬板實現的支撐格柵150用於 從底側機械支撐。需要強調的是，支撐格柵150和PDA外延部121不必須機械連接或電連 接，從而減少在生產過程中的制約。下一生產步驟d)包括鑄模，以便用填充材料130填充在閃爍體元件110、110』橫 向的「邊界體積」BV中的空隙。填充材料130例如可以包括環氧樹脂和/或矽樹脂。可選 地，堆疊體S的其餘側面的一個、二個、三個、四個或五個表面也可以用相同材料覆蓋。在步驟e)中，將底部體積的一部分移除以便在接觸表面CS中接入PDA120的導線 123。該移除可以例如通過刻蝕或者通過切割和拋光來完成。在步驟f)中，在金屬化過程中施加再分配層160。現在，-可以將探測器模塊倒裝晶片結合至載體(如當前的CT掃描器中)，或者-可以將讀出ASIC170和其它電子部件直接安裝在再分配層160上。模塊的底側 的另一部分可以用於將該模塊附接至機械支撐結構180。所描述的技術給出下面的新穎特性-從閃爍體元件的兩個、三個或四個側面的光探測。在該實施例中，可以將一個閃 爍體的所有光電二極體的導線短路並且連接至讀出晶片。從多於一個側面的這樣的光探測 與在所述側面上具有反射塗層的設計相比可以增加效率(因為反射從來不是理想的並且 損失光子)。-可以構建該模塊而不需要昂貴的陶瓷載體。_可以簡單地實現三個或者更多閃爍體層。-可以將PDA變薄，特別的達到小於大約0.2mm的厚度。因為在裝配探測器矩陣之 前可以將PDA粘合至閃爍體元件，因此它們不需要自支撐。本發明的一個重要應用是具有能量解析度的計算機斷層掃描攝影或者具有能量 解析度的投影成像。此外，本發明可以用在能夠從能量分辨X射線光子探測中受益的任意 其他應用。最後，本文指出，在本申請中術語「包括」並不排除其他元件或步驟，「一」或者「一 個」並不排除多個，並且單一處理器或者其他單元可以完成若干裝置的功能。本發明在於每 個新穎特徵以及這些特徵的每個結合。此外，權利要求中的標號不應該理解為對其範圍的 限制。
權利要求
一種輻射探測器(100)，具有a)堆疊體(S)，其包括閃爍體元件(110、110』)和光電二極體陣列(120)，其中，a1)所述光電二極體陣列(120)連同電導線(123)延伸進入填充所述閃爍體元件橫向的邊界體積(BV)的剛性體中；並且a2)所述導線(123)終止在所述邊界體積(BV)的接觸表面(CS)中；b)再分配層(160)，其設置在所述接觸表面(CS)上並且包括電線路，所述電線路與所述光電二極體陣列(120)的所述導線(123)接觸。
2.一種用於生產輻射探測器(100)的方法，包括下列步驟a)堆疊閃爍體元件(110、110』)和光電二極體陣列(120)，使得所述光電二極體陣列連 同電導線(123)延伸進入所述閃爍體元件(110、110』 )橫向的邊界體積(BV)中；b)用材料至少部分地填充在所述邊界體積(BV)中的所述光電二極體陣列(120)之間 的空隙；c)將所述邊界體積(BV)的一部分移除以使所述光電二極體陣列(120)的所述導線 (123)在接觸表面(CS)中暴露。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，在步驟c)之後，將具有電線路的再分配層(160) 設置在所述接觸表面(CS)上，從而使得所述線路與所述光電二極體陣列(120)的所述導線 (123)接觸。
4.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，所述接觸表面(CS)大體垂直於所述光電二極體陣列(120)。
5.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，所述光電二極體陣列(120)的厚度小於100 μ m，優選小於50 μ m。
6.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，至少一個光電二極體陣列(120)包括多個光電二極體(122)，所述光電二極體(122) 獨立地連接至延伸進入所述邊界體積(BV)中的所述導線(123)。
7.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，至少一個光電二極體陣列(120)包括光電二極體(122)的二維陣列。
8.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，將至少兩個閃爍體元件(110、110』 )耦合至同一光電二極體陣列(120)。
9.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，將至少一個閃爍體元件(110、110』 )粘合至光電二極體陣列(120)。
10.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，將至少一個閃爍體元件在兩個、三個或者四個側面上功能性耦合至光電二極體陣列。
11.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，為所述光電二極體陣列(120)的所述導線(123)提供在所述接觸表面(CS)中的擴大 部(131)。
12.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，將支撐格柵(150)設置在所述邊界體積(BV)中，並且所述光電二極體陣列(120)延 伸通過所述格柵的孔。
13.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，將讀出電路(170)連接至所述再分配層(160)。
14.根據權利要求1所述的輻射探測器(100)或者根據權利要求2所述的方法，其特徵 在於，將機械載體(180)連接至所述再分配層(160)和/或閃爍體元件(110、110』)和光電 二極體陣列(120)的所述堆疊體(S)。
15.一種成像設備，尤其是X射線、CT、PET、SPECT或者核成像設備，其包括根據權利要 求1所述的輻射探測器(100)。
全文摘要
本發明涉及一種輻射探測器(100)和一種用於生產這樣的探測器的方法，其中所述探測器包括閃爍體元件(110、110』)和光電二極體陣列(PDA)的堆疊體(S)。PDA(120)連同電導線(123)延伸進入填充閃爍體元件(110、110』)橫向的邊界體積(BV)的剛性體中，其中所述導線終止在所述邊界體積(BV)的接觸表面(CS)中。此外，再分配層(160)設置在接觸表面(CS)上，其中再分配層(160)的電線路與PDA的導線接觸。
文檔編號G01T1/24GK101893718SQ20101011354
公開日2010年11月24日 申請日期2010年2月3日 優先權日2009年2月6日
發明者C·博伊默, C·赫爾曼, O·米爾亨斯, R·斯特德曼布克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司