生产入射辐射固态数字检测器的方法与流程

生产入射辐射固态数字检测器的方法
1.本发明的技术领域是x射线成像仪的技术领域，更具体地，是借助于闪烁体将x射线转换为可见光的技术领域。本发明涉及制备用于x辐射固态数字检测器的转移闪烁体的方法，该检测器包括与辐射转换体相关联的光敏传感器。这种类型的检测器的应用领域尤其是放射学：射线照相术、荧光透视、乳腺x线照相术，以及无损测试。
2.光敏传感器通常由按照矩阵布置的固态光敏元件制成。光敏元件由半导体材料制成，通常是用于ccd或cmos传感器的单晶硅、多晶硅或非晶硅。光敏元件包括至少一个光电二极管、光电晶体管或光敏电阻。这些元件布置在基板上或集成到所述基板中，该基板通常是由玻璃、塑料(聚合物)或金属或另一合成材料(碳、合金、陶瓷等)或硅制成的载体。
3.这些元件通常不能直接感测或几乎不能直接感测非常短波长的辐射(诸如x辐射或伽马辐射)。为此，光敏传感器与包括闪烁物质层的辐射转换体相结合。该物质具有这样的性质：当该物质被这种辐射激发时，发射传感器能感测的较长波长的辐射(例如，可见光或近可见光)。由辐射转换体发射的光照射传感器的光敏元件，所述光敏元件执行光电转换并传送能够被合适的电路使用的电信号。在以下描述中，辐射转换体将称为闪烁体。
4.闪烁体可以由硫氧化钆(gadox或gos)或铊掺杂的碘化铯(csi:tl)或可以用于将x射线转换成光的性质的任何其它类似材料制成。在csi:tl闪烁体的情况下，它可以直接蒸发到光电二极管阵列上或在沉积之后转移。
5.在转移闪烁体的版本中，闪烁体(例如，csi:tl)被蒸发到衬底上，然后结合至光电二极管阵列。衬底必须与通过真空蒸发执行的生产闪烁体的方法兼容。这在允许处理的机械刚度、真空阻力、温度等方面施加了约束。因此，衬底的选择受到生产闪烁体的约束的限制。在结合至光电二极管阵列之后，该衬底形成了检测器的一体部分。该衬底在一定程度上吸收入射x射线，这是不期望的。该衬底反射了由闪烁体发射的光中的一些光，并因此对检测器的性能(灵敏度、分辨率)产生影响。该衬底对检测器的总重量有贡献。然而，针对便携式应用，期望将该重量保持得尽可能低。最后，该衬底会引起光电二极管阵列与闪烁体之间的不同热膨胀，这在温度方面限制了检测器的使用(在存储和操作中)。
6.因此，闪烁体衬底实现了许多不同功能：用于形成闪烁体的闪烁物质的生长的衬底的功能，以及检测器中的反射体的功能。这些功能具有很难调和的不同要求。例如，针对低x射线吸收或低重量的要求很容易将选择引导至聚合物或薄膜。然而，聚合物的耐热性低，不适合生长衬底的功能，并且薄膜的机械强度太低以致于无法处理闪烁体。因此，很难找到针对衬底和反射体两者的功能都表现良好的材料。
7.两种主要类型的生产用于在闪烁体与光电二极管阵列之间建立关联：直接蒸发和转移闪烁体。
8.铊掺杂的碘化铯(csi:tl)闪烁体可以直接蒸发到光电二极管阵列上，在这种情况下，玻璃板代替了衬底。为了保护耐热性有限的玻璃板，生长速度必须低：这会导致长的生产时间。另外，如果在蒸发或后处理期间出现缺陷，则整个面板将报废。由于光电二极管阵列价格昂贵，因此报废成本很高。
9.在蒸发期间，靠近衬底的csi:tl初始层很难构造成针状物。在直接蒸发的情况下，
该层位于光电二极管阵列一侧，并限制了检测器的性能，因为该层会产生附加反射。然而，在本构造中，反射体被放置在csi针状物上或结合至csi针状物并且其选择不受生产闪烁体的约束的影响。
10.转移闪烁体解决方案没有对在光电二极管阵列上生产闪烁体施加约束，而是反射体(其也是衬底)必须满足生产闪烁体的约束。最常见的衬底是铝和石墨。
11.铝具有良好的耐热性，但其密度高，这导致相当重的重量和相当高的x射线吸收。所使用的片材相对较厚，以允许在csi沉积过程期间和连接至光电二极管阵列时进行处理，这对检测器的总重量不利。铝的反射率很高，但不是接近100％。铝的热膨胀系数与光电二极管阵列的热膨胀系数大不相同，这可能会导致热循环期间或检测器温度在使用中发生变化的情况下发生故障。
12.石墨衬底具有良好的耐热性和低x射线吸收。石墨衬底的缺点是反射率差，这导致低灵敏度。石墨衬底不能以低厚度使用，并且往往会污染其环境，在接触时会留下薄碳层。
13.专利us 8779364描述了一种生产闪烁体面板的方法，所述方法包括在第一衬底上生长闪烁体的步骤、在针状物侧附接第二衬底的步骤、分离第一衬底的步骤和移除最初位于第一衬底的基部处的闪烁体的第一生长层的步骤。该方法旨在借助于机械作用(诸如机械抛光或激光切割)移除不具有有利光学性质的闪烁体的初始生长层，并且需要在移除第一衬底之前施加第二衬底。该第二衬底充当闪烁体的保护衬底。
14.本发明旨在通过提出一种生产将闪烁体蒸发衬底和反射体的功能分离的入射辐射固态数字检测器的方法来克服所有或部分上述问题。
15.为此，本发明涉及一种生产包括光敏传感器和辐射转换体的入射辐射固态数字检测器的方法，所述方法包括：在第一衬底上从所述第一衬底生长闪烁物质的步骤，所述闪烁物质能够将所述入射辐射转换为所述传感器能感测的第二辐射，所述闪烁物质包括所述入射辐射所穿过的、沿所述入射辐射的传播方向的上游正面，以及沿所述入射辐射的所述传播方向的与所述上游正面相反的下游正面；在所述闪烁物质的所述下游正面处保持所述闪烁体的步骤；将所述第一衬底与所述闪烁体分离的步骤。
16.根据本发明的所述生产方法可以包括在所述上游正面处将反射体施加至所述闪烁体的步骤。
17.根据一个实施方式，将所述第一衬底与所述闪烁体分离的步骤是通过剥离或使用能够弱化所述闪烁体与所述第一衬底之间的结合的手段执行的。
18.有利地，将所述反射体施加至所述闪烁体的步骤包括以下步骤：在所述上游正面处将所述反射体放置在所述闪烁体上；或者在所述上游正面处以预定压力将所述反射体按压到所述闪烁体上；或者在所述上游正面处将所述反射体结合至所述闪烁体；或者实现沉积薄膜(该薄膜充当反射体)的技术。
19.根据一个实施方式，将所述第一衬底与所述闪烁体分离的步骤可以包括从所述闪烁体移除厚度小于预定义标称厚度的第一区域的步骤。
20.所述闪烁体旨在被施加至先前规定区域，将所述第一衬底与所述闪烁体分离的步骤可以包括从所述闪烁体移除第二区域的步骤，所述第二区域的所述下游正面位于所述先前规定区域之外。
21.在所述闪烁物质的所述下游正面处保持所述闪烁体的步骤可以包括以下步骤：将
所述闪烁体结合至所述光敏传感器；或者真空抽吸；或者机械保持，或静电相互作用。
22.有利地，所述反射体的厚度小于200微米，优选地小于100纳米。
23.根据一个实施方式，所述第一衬底可以用非反射吸收性表面来代替，而不是用所述反射体来代替。
24.本发明还涉及一种使用根据本发明的生产方法获得的、包括光敏传感器和闪烁体的入射辐射固态数字检测器。
25.通过阅读以示例方式给出的实施方式的详细描述，将更好地理解本发明并且另外的优点将变得明显，该描述由附图例示，其中：
26.图1示意性地示出了根据本发明的生产包括光敏传感器的入射辐射固态数字检测器的方法的步骤；
27.图2示意性地示出了根据本发明的方法的一个变型的步骤；
28.图3示意性地示出了根据本发明的移除至少一部分闪烁体的方法的另一变型的步骤；
29.图4示意性地示出了使用根据本发明的生产方法获得的检测器。
30.在这些图中，为了清楚起见，未遵守比例。此外，相同的元件将在各个图中具有相同的附图标记。
31.图1至图3示出了根据本发明的生产数字检测器的方法的步骤。在步骤的附图标记旁边，示意性地示出了构成检测器的元件的根据关联步骤的状态，以便允许根据本发明的方法的更好的可视化。
32.图1示意性地示出了根据本发明的生产包括光敏传感器的入射辐射固态数字检测器的方法的步骤。生产包括光敏传感器11(图1中不可见)的入射辐射固态数字检测器10的方法包括在第一衬底12上生长闪烁体13(也称为辐射转换体)的步骤100，该闪烁体13包括以针状物21的形式从第一衬底12延伸的闪烁物质14，能够将入射辐射转换成传感器11能感测的第二辐射。闪烁物质14包括沿入射辐射的传播方向的、入射辐射穿过的上游正面15，以及沿入射辐射的传播方向的与上游正面15相反的下游正面16。上游正面15和下游正面16可以是平面的，但它们也可以是不规则的，这取决于闪烁物质14的形状。因此，闪烁体13可以蒸发到适合生长的第一衬底12上，即使该第一衬底12不能很好地作为反射体。尽管最常见的闪烁体是csi:tl，但任何闪烁材料都可以使用本发明(例如，csi:na、csbr、gdo2s2:tb、钙钛矿等)。闪烁体13可以是裸露的或涂覆有有机保护层或无机保护层。闪烁物质14有利地采用生长在载体(也称为衬底)上的细针状物的形式。这些针状物基本上垂直于该载体，并且这些针状物部分地限制了朝向传感器发射的光。然而，本发明类似地适用于针状物21不垂直于第一衬底12的情况。本发明也适用于闪烁体不采用针状物形式的情况。
33.在第一衬底12上生长闪烁体13的步骤100可以经由蒸发方法、经由升华、经由等离子体沉积、经由溅射、或经由在液体介质中生长并伴随溶剂的蒸发、或经由任何其它手段来执行。闪烁体13可以是裸露的或由有机保护层或无机保护层保护。
34.根据本发明的方法包括在闪烁物质14的下游正面16处保持闪烁体13的步骤101。换言之，在与第一衬底12相反的一侧上、在针状物21的头部的一侧上、也就是说在针状物21的自由端的一侧上保持闪烁体。在闪烁物质14的下游正面16处保持闪烁体13的步骤101可以包括将闪烁体13结合至光敏传感器11的步骤。或者，在闪烁物质14的下游正面16处保持
闪烁体13的步骤101可以包括真空抽吸或任何其它合适的手段(机械、静电等)的步骤。图1中的元件22表示用于执行保持步骤101的、用于保持闪烁体13的第一元件。
35.根据本发明的方法包括将第一衬底12与闪烁体13分离的步骤102。将第一衬底12与闪烁体13分离的步骤102可以通过剥离来执行，或者通过旨在弱化闪烁体13与第一衬底12之间的结合以经由化学或机械方法，通过机械加工，或通过吹动、抽吸或牵引移除中间层而移除第一衬底12的任何其它手段来执行，剥离是优选的，因为它是一种简单的实现方法。在剥离步骤期间，重要的是施加至闪烁体13以保持该闪烁体的力大于剥离力。因此，将注意优化闪烁体材料14与其第一衬底12的结合，该结合必须足以将闪烁体13保持在适当位置但足够弱以允许其移除。
36.根据本发明的方法可以包括在上游正面15处将反射体17施加至闪烁体13的步骤103。明智地选择反射体17。因为反射体17不必满足生产闪烁体13的约束，所以它可以很简单地是轻的、薄的并且相对不吸收x射线的。有多种材料可供选择。
37.反射体17可以是金属材料、无机材料或有机材料。反射体17也可以是多层的，以防止csi或复合物(复合型)等对反射元件的腐蚀。
38.反射体17不一定是特定部分，它也可以由已经存在于检测器中的其它部分(例如，进入窗口或检测器的封装件)形成。
39.施加反射体17并不是绝对必要的。如果不寻求具有太多的信号通路，则也可以使闪烁体13裸露，但是反射体17的施加使得可以将光电二极管阵列接收的光的量最大化。也可以选择使用吸收性材料，以牺牲灵敏度来优化空间分辨率。
40.将反射体17施加至闪烁体13的步骤103可以包括在上游正面15处将反射体17放置在闪烁体13上的步骤。将反射体17施加至闪烁体13的步骤103可以包括以预定压力在上游正面15处将反射体17按压在闪烁体13上的步骤。另外，将反射体17施加至闪烁体13的步骤103可以包括在上游正面15处将反射体17结合至闪烁体13的步骤。反射体17可以借助于如下任何其它沉积方法与闪烁体相关联：丝网印刷、热结合、蒸发、溅射、或者使用薄层沉积方法沉积一层金属或聚合物。
41.重要的是要注意，在不期望在闪烁体13上沉积反射体17的情况下，本发明也适用。在这种情况下，到达闪烁体13的x射线的量最大，但由闪烁体13发射的光中的一些光可能会逃逸。反射功能不一定由检测器的特定部分提供。光可以被检测器的进入窗口或盖或任何其它部分反射。也可以选择在闪烁体上放置吸收性材料而不是反射体，以牺牲灵敏度来提高空间分辨率。反射体17的类型的选择取决于检测器的预期用途。
42.最后，根据本发明的方法可以包括释放闪烁体13以通过结合或按压连接至面板的步骤104。
43.本发明的原理基于转移闪烁体解决方案中生长衬底和反射体的功能的分离，以便不受与直接蒸发相关联的缺点的影响。反射体17(或吸收剂)是独立于生产闪烁体13的所有约束(真空、机械、热阻等)自由选择的。因此，可以使用包括聚合物在内的多种材料选择。反射体17不具有保持闪烁物质14的针状物21的机械功能，因此它可以非常薄并且具有非常低的刚度。例如，反射体17的厚度可以小于200微米，或者甚至小于100纳米。因此，反射体17对于便携式应用来说可以很轻，并且表现出低x射线吸收。为了使反射体17的膨胀系数与光电二极管阵列的膨胀系数相匹配，可以考虑非常薄的金属化玻璃，而这种易碎材料难以与第
一生长衬底12的功能调和。第一生长衬底12也可以被简化，因为它不再存在于检测器中，并且它不再需要是反射的、轻的或传输x射线。
44.图2示意性地示出了根据本发明的方法的一个变型的步骤。在该变型中，在第一衬底12上生长闪烁体13的步骤100之后，进行在闪烁物质14的下游正面16处保持闪烁体13的步骤101以及将第一衬底12与闪烁体13分离的步骤102。这些步骤类似于上面解释的步骤。接下来，所述方法可以包括保持由闪烁体13和第一元件22组成的组合体的步骤105。保持步骤105可以以各种方式执行，类似于步骤101。元件23表示第二保持元件，其表示保持步骤105的实现方式。接下来，在该变型中，根据本发明的方法包括从第一元件22释放闪烁体13的步骤104。换言之，由第二元件23保持的闪烁体13与第一元件22分离。在该变型中，接着是将闪烁体13施加至光敏传感器11的步骤106。该施加步骤106例如通过使用胶24或任何其它固体或液体粘合剂结合至光电二极管阵列来执行。该粘合剂可以沉积在板或闪烁体13上。光电二极管阵列是结合至加强件或机械地保持在刚性载体上的刚性板或柔性板。最后，进行分离步骤102，以分离第二元件23。如果不期望立即将反射体17结合至闪烁体，则所述方法的这种变型是有利的。因此使用第二保持元件23(静电、真空或其它)以在生长开始侧保持闪烁体13，从而在将针状物头部21结合至光电二极管阵列并通过结合或按压施加或以其它方式施加反射体17之前释放所述针状物头部21。
45.在保持闪烁体13的步骤期间，可以设想用于保持针状物21的其它手段，前提是针状物头部21与其衬底的结合力大于针状物21与第一生长衬底12的结合力，使得可以移除第一衬底12。就用于保持针状物21的其它手段而言，可以(在非穷尽的列表中)提及借助于静电相互作用的保持、借助于经由喷嘴或通过压力分配器抽吸的真空抽吸系统的保持。然后闪烁体13被放置成其针状物头部21位于保持元件上，抽吸或相互作用由对应装置实现，并且使用另一手段剥离或移除第一衬底12。然后获得的是一种不具有衬底的闪烁体13，该闪烁体13难以处理，因为闪烁体13的针状物21没有明显地彼此连接。然后必须将反射体17施加在针状物21的生长开始侧(即，在上游正面15处)，以便获得可处理的闪烁体13。然后该新的闪烁体13可以结合至光电二极管阵列或简单地放置在光电二极管阵列上或按压到光电二极管阵列上。
46.图3示意性地示出了根据本发明的移除至少一部分闪烁体的方法的另一变型的步骤。在该变型中，将第一衬底12与闪烁体13分离的步骤102包括从闪烁体13移除厚度26小于预定义标称厚度27的第一区域25的步骤。通过生长来生产闪烁体13：在该步骤中，第一衬底12由框架保持。在闪烁体13的边缘，闪烁物质14的厚度以一定的斜率从零增加至其标称值27。如果期望在检测器的边缘与第一像素之间保持小的距离，则称为建立区域的该区域25(宽度为几毫米)可能会很麻烦。在保持步骤101中，不保持该区域25。例如，在结合的情况下，该区域25不被粘合剂接触。该区域25在移除(步骤102)期间保留在第一衬底12上并且因此不再存在于面板上。本发明仍然适用于不具有建立区域25的闪烁体13(因为闪烁体13未利用框架来保持，或者因为建立区域25已经被移除)的情况。
47.将第一衬底12与闪烁体13分离的步骤102可以包括从闪烁体13移除第二区域28的步骤。闪烁体13旨在被施加至先前规定区域。闪烁体13的第二区域28是闪烁体13的下游正面16位于先前规定区域之外的区域。换言之，期望特定格式的闪烁体13覆盖传感器的预定义区域，并且该格式之外的闪烁体13的所有部分被移除。
48.该解决方案使得可以从闪烁体13移除第一生长衬底12并且用反射体17代替该第一生长衬底12，这对于检测器更有利。这产生了许多优点：如果使用反射系数高于第一生长衬底12的反射系数的材料，则检测器的灵敏度增加；通过使用薄且轻的材料减轻了检测器的重量；减少x射线吸收从而导致更好的dqe(检测量子效率)；通过将反射体的膨胀系数与光电二极管阵列的膨胀系数相匹配，检测器具有更好的耐热性。
49.新的反射体17的光学性质可以适应检测器的需要，并且可以向反射体17添加其它功能(电的、光学性质的调制等)。第一生长衬底12也可以被简化，因为它不再需要满足检测器的约束。
50.因此，本发明在于将包括转移闪烁体13的x射线检测器中的生长衬底12和反射体17的功能分离。生长衬底12的功能需要刚性材料以能够被处理并且与闪烁体材料的沉积兼容。检测器中的反射体17的功能不仅需要反射光的材料，而且还需要表现出低x射线吸收、轻重量以及与光电二极管阵列的膨胀系数相匹配的膨胀系数，这通常与衬底12的功能不兼容。传统的转移闪烁体基于两种功能所需的性质之间的权衡。本发明中提出的解决方案使得可以避免这种权衡并分别选择适合这两种功能的材料。
51.本发明的另一优点是在移除第一衬底12期间消除了结合缺陷。具体地，当闪烁体13与其第一衬底12一起结合至光电二极管阵列时，衬底12的刚性以及闪烁体13的厚度的不均匀性可能导致结合缺陷。在移除第一衬底12之后，只要施加最轻微的压力，csi针状物就会下降回到结合材料中并且结合缺陷大大减少或消失。这一优点也适用于在柔性或有机衬底上生产的光电二极管阵列，或在柔性载体上生产的光电二极管阵列。在闪烁体13的结合期间施加的压力可以产生应力并使柔性板变形：一旦移除了衬底12，这种变形就会消失。
52.闪烁体13的移除还可以提供针对板与闪烁体13之间不同膨胀问题的解决方案。然后对反射体17的选择的限制更少，因为它不再必须执行第一衬底12的功能，并且因此更容易选择膨胀系数与板的膨胀系数相匹配的反射体17。可以选择新的反射体17，以便不与沉积的闪烁体材料发生化学反应。通过调节反射系数或通过选择吸收性材料，可以根据检测器的期望性能自由优化其光学性质。取决于检测器的需要，还可以向该反射体添加新的功能。
53.图4示意性地示出了使用根据本发明的生产方法获得的检测器10。入射辐射固态数字检测器10包括光敏传感器11和使用上述生产方法获得的闪烁体13。
54.根据本发明的生产方法使得可以通过分离生长衬底和反射体的功能来将刚性且耐高温生长衬底的优点与轻的且x射线可透过的反射体的优点结合起来。
55.闪烁体通过其针状物保持在合适的粘合剂中以便移除生长衬底，或通过任何其它合适的保持手段。
56.根据本发明的生产方法提供了与闪烁体建立区域以及位于预定义格式之外的任何区域分离的可能性。
57.还可以在剥离或移除生长衬底期间消除结合缺陷。
58.可以从薄的、轻的材料当中非常自由地选择反射体，所述材料不一定表现出高刚度或需要满足生产闪烁体的约束。也可以在不考虑检测器的约束的情况下自由选择生长衬底。
59.通过明智地选择反射体，根据本发明的生产方法使得可以获得这样的检测器：其
中反射体与光电二极管阵列之间没有膨胀差异。
60.最后，通过这种方法，可以有其它可能性：在没有反射体的情况下工作或使用检测器中存在的部分作为反射体；在检测器上放置吸收性材料以牺牲灵敏度来提高空间分辨率；向反射体添加使用现有技术方法(其中生长衬底也是反射体)无法实现的新功能。