专利名称：Ct探测器模块构造的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于传感器元件的电接口 ，并且更具体地涉及传 感器元件和数据采集系统(DAS)之间的基于集成电路(IC)的电接 口，如可用作计算机断层摄影(CT)系统内大面积探测器中的模块 化可平铺元件。
背景技术：
诸如X射线和计算机断层摄影(CT)之类的X射线成像系统已经 被用来实时观察对象的内部状况。典型地，上述成像系统包括配置 成向诸如患者或一件行李的感兴趣对象发射X射线的X射线源。诸 如辐射探测器阵列的探测装置定位于对象的另一侧，并且配置成探 测透过该对象的X射线.在计算机断层摄影(CT )系统中使用的 一种已知探测器包括能量 识别的直接转换探测器。当受到X射线能量时，直接转换探测器中 的传感器元件将该X射线转换成能量，以产生对应于入射的光子通 量的模拟电信号。数据采集系统(DAS)可从直接转换探测器来采集模拟信号，并 将这些信号转换成数字信号用于随后处理。通常在探测器和DAS之 间使用的接口组件还不能对模拟信号实现最佳信号完整性.这个非 最佳信号质量中的一个因素是传感器元件和DAS之间的互连路径。 当前的探测器模块用互连结构使得从传感器读出表面互连到DAS，所 述互连结构涉及柔性或刚性电路板上的较长长度的金属线路。随着 传感器元件密度的增加，DAS和传感器之间的互连通路变得更困难。 需要更多的封装层来给互连设定路线，从而导致电容增加并且可靠 性降低。因此，希望提供一种互连系统，其提供传感器元件到DAS的短的 低电容互连。此外，还希望传感器和信号处理电子设备封装在可平 铺的具有两面、三面或四面的单元内，所述面对接形成传感器阵列， 其在上述单元之间具有相对较小的间隙。发明内容本发明提供克服上述缺陷的一种具有改善的互连构造的设备。多个线接合和凸块接合形成传感器元件和DAS中各部件之间的短的低 电容互连。根据本发明的一个方面，CT成像系统包括机架，该机架具有通 过其中的孔，该孔设计成接收平移通过该孔的患者；设置于机架中 并配置成向患者发射X射线的X射线源；以及设置于机架中以接收 通过患者削弱的X射线信号的探测器模块。探测器模块还包括用于 将X射线信号转换成相应电信号的传感器元件，用于调节电信号的 包括位于电子基板上的至少一个集成电路的数据采集系统(DAS), 以及用于耦合传感器元件、所述至少一个集成电路以及电子基板的 互连系统，其中所述互连系统包括第一接触焊盘互连，以及线接合 互连和第二接触焊盘互连之一.根据本发明的另一方面，用于CT成像系统中的探测器模块包括 配置成接收X射线信号并将X射线信号转换成相应模拟信号的直接 转换传感器，以及具有芯片封装和安装到芯片封装的至少一个电子 设备的数据采集系统(DAS)，所述电子设备配置成将模拟信号转换 成相应的数字信号.探测器模块还包括通过第一凸块接合阵列将直 接转换传感器互连到芯片封装和电子设备之一的第 一接合系统以及 将电子设备互连到芯片封装的第二接合系统，其中所述第二接合系 统包括线接合阵列和第二凸块接合阵列之一。根据本发明的又一方面，一种构造探测器模块的方法包括下述步 骤将X射线传感器定位以接收来自X射线源的X射线，并且与X 线源相比较，将数据采集系统(DAS)定位于X射线传感器之后，以 调节所接收的X射线，所述DAS包括在其上具有至少一个集成电路 的电子。所述方法还包括通过凸块接合系统将X射线传感器耦合到 电子基板以及通过线接合系统和第二凸块接合系统之一将该至少一 个集成电路耦合到电子基板的步骤。从以下详细说明和附图可以明了本发明的各种其它特征和优势。
附图示出了目前打算用于执行本发明的实施例.在附图中图1是根据本发明一个实施例的计算机断层摄影(CT)成像系统 的透视图；图2是图1的CT成像系统的示意图；图3是根据本发明一个实施例的探测器模块的透视图；图4是图3的探测器模块的底平面困；图5是沿图4的线4-4所取的侧截面图；图6是根据本发明另一实施例的探测器模块的分解透视图；图7是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；图8是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；图9是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；图io是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；图ii是根据本发明另一实施例的探测器模块的透视图。
具体实施方式
参照图1和图2，计算机断层摄影(CT)成像系统10示出为包 括代表"第三代"CT扫描器的机架12。机架12具有X射线源14， 其朝向机架12的相对侧上的探测器组件18投射X射线束.探测器 组件18由多个探测器模块20形成，所述探测器模块20共同感测所 投射的穿过医疗患者22的X射线。每一个探测器20产生电信号， 所述电信号不仅代表照射的X线射束的强度而且能够提供光子或X 射线的计数数据，以及从而代表当其穿过患者22时的被削弱的射 束。在采集X射线投影数据的扫描过程中，机架12和安装在其上的 部件绕旋转中心24旋转。机架12的旋转和X射线源14的操作受到CT系统IO的控制机构 26的控制。控制机构26包括将电源和定时信号提供到X射线源14的X射线控制器和控制机架12的旋转速度和位置的机架电机控制器 30。图像重构器34接收来自DAS 54的采样的和数字化的X射线数 据，并执行高速重构。重构图像作为输入施加到计算机36，其将图 像存储在海量存储装置38中。计算机36还经由具有用于输入数据参数的键盘的控制台40来接 收来自操作员的命令和扫描参数。相关的阴极射线管显示器"允许 操作员观察来自计算机36的重构图像和其它数据.计算机36利用 操作员提供的命令和参数向DAS 32、 X射线控制器28和机架电机控 制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操作控制电动工作 台46的工作台电机控制器44以便将患者22定位于机架12中。具 体地，工作台46将患者22的部分移动通过机架开口 48。CT成像系统10的探测器模块20被构造成具有接口体系结构， 其允许通过低电容的互连将具有给定电特性(例如，相对敏感的模 拟信号)的信号与具有相对于给定电特性的不同电特性(例如，数 字信号和/或功率信号)的信号(例如在集成电路封装中)分开。也就是说，由探测器模块20中的X射线传感器产生的模拟信号通过 互连传送到向敏感模拟信号提供所需信号调节(例如，模数转换) 的数据采集系统(DAS)。在DAS内设置与模拟传感器互连分离的单 独数字和功率互连，以便传输数字信号和功率。DAS可包括形成于硅 片上的专用集成电路来提供专门的功能，诸如模数转换(ASIC)。 例如，在ASIC芯片的第一区域(例如，ASIC芯片的顶面)处可形成 模拟互连，而在远离第一区域的第二区域(例如，ASIC的邻近侧或 ASIC的底面)处可形成数字信号和功率互连。典型地，到ASIC的模 拟和数字连接位于硅芯片的一侧上.预期互连的精确组合和配置及 其功能将改变，而且并不限于特定的探测器模块体系结构.当然， 提供下述实施例作为用于实施本发明的示范性配置，图3示出具有根据本发明一个实施例的"堆叠"构造特征和组件 的探测器模块20.探测器模块20具有可平铺(tileable)的特征， 这样相似的探测器模块单元可在所有的四个侧上对接。探测器模块 20包括配置成接收X射线信号并将X射线信号转换成相应的电模拟 信号的传感器元件52。优选地，传感器元件52包括单层直接转换材 料，其实例包括碲化镉、碲化锌镉晶体、聚晶复合片(polycrystalline compact)，以及薄膜层。如闺3所示，传感器 元件52耦合到DAS 54以便将模拟信号转换成数字信号。具体地， 传感器元件52耦合到形成部分DAS 54的电子基板56.为了促进该 耦合，在传感器元件52和电子基板56之间设有间距适配器58。间 距适配器58是双侧连接机构，其具有位于每一表面上的接触焊盘60 以便与传感器元件52的底部读出表面上的接触焊盘60和电子基板 56上的接触焊盘60结合。当不同的接触焊盘60配置和/或间距存 在于传感器元件52和电子基板56上时，间距适配器58配置成将传 感器元件52结合到电子基板56.间距适配器58的顶部具有对应于 传感器元件52底侧上的一个接触焊盘配置的接触焊盘60以及具有 对应于电子基板56上的不同接触焊盘配置的底部接触焊盘60。还预期传感器元件52的接触焊盘60具有与电子基板56上的接 触焊盘60相同的配置。在该设置下，不需要间距适配器将传感器元 件52耦合到电子基板56。在该配置下，传感器元件52具有底部读 出表面，该表面具有位于其上的直接耦合到电子基板56的接触焊盘 60。也就是说，将传感器元件52底表面上的接触焊盘60设置成与 电子基板56顶面上的相应接触焊盘60耦合。将接触焊盘60实施为传感器元件52和DAS 54之间的互连尤其 有利，原因在于其允许在传感器元件52和DAS 54之间具有的低电 容的短连接(也就是，没有互连线)。优选地，传感器元件52包括 用于直接转换传感器中每一像素的独立接触焊盘。这种构造有助于 确保敏感模拟信号的高质量传输。如图3所示，电子基板56还连接或集成到垂直于传感器元件52 和电子基板56取向的布线组件62.布线组件62的垂直取向允许连 接到位于其上的数字互连64,从而允许改进数字数据从图1的CT扫 描系统10的探测器模块20到处理部件的传输。此外，电子基板56 和布线组件62在其侧壁上没有延伸到传感器元件52之外的部件， 从而允许传感器元件52的每一侧与相同类型的另一个探测器模块紧 密对接。在该方式下，通过这种设计提供了四面可平铺性，并且有 利于大面积探测器的构造。探测器模块20还包括在其公共阴极处与传感器元件52接触的高 压互连66，以便将能量提供到探测器模块20。预期该连接66为多个探测器模块20所共有，并在探测器模块20平铺成大阵列之后应 用。使高压互连66绝缘，以防止短路到阴极接触之外的探测器模块 20的其它部分。在探测器模块20中还包括偏压控制68，并形成独 立于像素阳极连接的额外连接.偏压控制68连接在传感器元件52 或间距适配器58和DAS 54之间。在图3所示的实施例中，偏压控 制68的形式为接触焊盘60，并整合到总的接触焊盘60互连中。还 预期偏压控制68可通过单独的线接合或电压线制成。用于将传感器 元件52连接到DAS 54的偏压控制68的数目依赖于由传感器元件52 接收的X射线光子的预期入射通量率而改变。偏压控制68的功能是 依赖于X射线光子通量率动态调节传感器元件52的有效面积，从而 防止传感器元件52的饱和。通过控制通过偏压控制68的电压可调 节传感器元件52的有效面积或子像素元件面元显示(binning)的 程度。如图4和5所示，DAS 54还包括安装到电子基板56底部的至少 一个集成电路70。还可存在包括电阻器和电容器的其它有源和无源 电路。优选地，将至少一个集成电路70配置成能够将来自传感器元 件52的模拟信号转换成数字信号的光子计数专用集成电路(ASIC)。 该ASIC或其它类似的电路提供关于在由传感器元件52接收的X射 线中探测到的光子数目和/或能量的数据或反馈.如由传统CMOS工 艺制造的集成电路所特有的，用于模拟输入、数字输入和功率连接 的互连焊盘形成在集成电路70的顶表面76上，其与处理电路在同 一侧上。大多数传统的集成电路70通过位于集成电路70的顶表面 76周边上的线接合72电连接到电子基板56。线接合72将集成电路 70耦合到电子基板56，以传输从传感器元件52接收的模拟输入以 及传输数字信号和功率信号。如图5所示，线接合72起始于集成电 路70的顶表面76上并经过集成电路70的厚度到达DAS基板74的 背侧表面。可选地，ASIC的倒装芯片安装使用面阵列配置的接触焊 盘来耦合信号而不用线接合.对于倒装芯片配置来说，集成电路70 的顶表面76面向电基板56的表面74.没有预期线接合和倒装芯片 的一些组合可以容纳在图4和图5中所示的该封装上，但是这可由 后面附图所示的实施例来解决.如图4和5所示，线接合72位于与集成电路70连接的电子基板56的底表面74上.线接合起到提供所有的模拟、数字和功率连接的 作用。将线接合72定位成具有详细的线路，以便将模拟和数字互连 线路和层物理地分开。此外，圆形屏蔽线路和层将集成到电子基板 56的设计中，这样它们物理定位在模拟线和数字线之间或邻近模拟 线和数字线定位。在该方式下，避免在线接合72上的模拟信号和数 字信号之间的干扰，以及避免通过接触焊盘60传感器元件52到电 子基板56的耦合上的干扰，如图3所示。这样，在传感器元件52 和DAS 54之间的传输过程中可保持模拟信号的信号完整性.图6示出探测器模块20的另一实施例，其可适合集成电路70 同时具有倒装芯片和线接合焊盘的情况。倒装芯片和线接合的组合 可提供模拟和数字信号的改善的隔离。如在此所示，集成电路70(也 就是，ASIC)安装到电子基板56的顶部.在该实施例中，集成电路 70的顶表面76上的接触焊盘60提供传感器元件52和集成电路70 之间的模拟连接。数字信号连接和功率连接由连接到集成电路70的 顶表面76并到达电子基板56的线接合72形成.线接合72位于集 成电路70的相对端并邻近接触焊盘60互连，以便不干扰传感器元 件52到集成电路70的耦合。此外图6示出将图2中所示的总探测器组件18中的探测器模块 20和准直器组件79对齐的模块支撑件78。通过将模块支撑件78的 对准销80插入到电子基板56的孔82中而将探测器模块20固定到 模块支撑件78，但是可预期其它的连接机构可将探测器模块20连接 到模块支撑件78。对准销80用图2的准直器组件79适当定位探测 器组件20，这样X射线束在射到传感器元件52之前被准直。槽84 还形成于模块支撑件78内，从而允许垂直对准的布线组件62从其 中经过。图7示出探测器模块20的另一实施例，其中集成电路70安装到 电子基板56的顶部。在该实施例中，集成电路70的顶表面76上的 接触焊盘60提供传感器元件52和集成电路70之间的模拟连接。数 字信号连接和功率连接由连接到集成电路70的顶表面并到达电子基 板56的线接合72形成。线接合72位于集成电路70的相对端并邻 近接触焊盘60互连，以便不干扰传感器元件52到集成电路70的耦 合。如图7所示，每一个集成电路70配置成可与另外的集成电路70三侧对接。这允许沿着两个集成电路70的z轴的宽度和沿着不受限 于集成电路70数目的x轴长度。该构造允许较大密度的传感器元件 52耦合到集成电路70。在图8的实施例中，集成电路70的顶表面76上的接触焊盘60 提供传感器元件52和集成电路70之间的模拟连接。传感器元件52 的面积大于集成电路70的面积，并且因此，传感器元件52的一部 分伸出集成电路70。为了提供用于传感器元件52的支撑，绝缘的支 撑元件86定位于传感器元件52的伸出部分和电子基板56之间，从 而使得探测器模块20机械上更牢固。在图9的实施例中，传感器元件52和集成电路70定位成并排配 置。通过接触焊盘60将传感器元件52和集成电路70都连接到电子 基板56,接触焊盘60传输模拟信号、数字信号和功率信号。在该配 置下，辐射屏蔽88定位于集成电路70之上，以便屏蔽集成电路70 防止暴露于X射线.辐射屏蔽88由鵠或任何其它合适的金属或合金 制成的金属片构成，其定位成阻挡另外会照射到集成电路70上的X 射线。在可选的实施例中，并且如图IO所示，当传感器元件52和集成 电路70处于并排配置，并且使用线接合72将集成电路70连接到电 子基板56时，包括灵活的间距适配器90，以便将传感器元件52互 连到集成电路70。灵活的间距适配器90提供传感器元件52和集成 电路70之间的接触焊盘互连60，以便在它们之间传输模拟信号。线 接合72邻近接触焊盘互连60定位，从而将集成电路70连接到电子 基板56以便传输数字数据和功率。还预期探测器模块20形成如图11所示的层状混合探测器92的 一部分。包括在层状混合探测器92中的探测器模块20的精确构造 可根据上述的任何前述实施例改变，并且在此不详细阐述.层状混 合探测器92还包括定位于包括直接转换传感器52的探测器模块20 之后的闪烁器阵列94.在优选实施例中，直接转换传感器52由厚约 0. 2mm的直接转换材料薄层构成，并且闪烁器阵列94由大约3mm的 更大厚度的闪烁材料构成。包括直接转换传感器52和闪烁器阵列94 的层状混合探测器92的构造允许接收和传输低能量和高能量的X射 线，以及在大范围的输入X射线通量率下改善数据采集。如图11所示，通过将模块支撑件96的对准销98插入到电子基 板102， 104上的孔100中而将层状混合探测器92构建成与模块支 撑件96对准，在电子基板102， 104上分别安装有直接转换传感器 52和闪烁器阵列94。对准销98用图2的准直器组件79定位层状混 合探测器92，这样在X射线束照射到直接转换传感器52和闪烁器阵 列94之前被准直。还可预期其它类似的连接机构可将层状混合探测 器92连接到模块支撑件96.预期所述的电接口体系结构和互连系统将使得探测器模块能够 在诸如多切片CT系统的一个示例应用中提供以下示范性优势不希 望的信号电流、电容和/或电感的减少，从而增加传感器元件的信 号完整性，相对不复杂的制造和操作性能，降低的成本，以及通过 互连数目和/或长度的减少而改善的可靠性。因此，根据本发明的一个实施例，CT成像系统包括机架，该机 架具有通过其中的孔，该孔设计成接收平移通过该孔的患者；设置 于机架中并配置成向患者发射X射线的X射线源；以及设置于机架 中以接收通过患者削弱的X射线信号的探测器模块。探测器模块还 包括用于将X射线信号转换成相应电信号的传感器元件，用于调节 电信号的包括位于电子基板上的至少一个集成电路的数据采集系统 (DAS)，以及用于耦合传感器元件、所述至少一个集成电路以及电 子基板的互连系统，其中所述互连系统包括第一接触焊盘互连，以 及线接合互连和第二接触焊盘互连之一。根据本发明的另一实施例，用于CT成像系统中的探测器模块包 括配置成接收X射线信号并将X射线信号转换成相应模拟信号的直 接转换传感器，以及具有芯片封装和安装到芯片封装的至少一个电 子设备的数据采集系统(DAS)，所述电子设备配置成将模拟信号转 换成相应的数字信号。探测器模块还包括通过第一凸块接合阵列将 直接转换传感器互连到芯片封装和电子设备之一的第 一接合系统和 将电子设备互连到芯片封装的第二接合系统，其中所述第二接合系 统包括线接合阵列和第二凸块接合阵列之一.根据本发明的又一实施例，构造探测器模块的方法包括下述步 骤将X射线传感器定位以接收来自X射线源的X射线，以及与X 射线源相比较，将数据采集系统(DAS)定位在X射线传感器之后，以调节所接收的X射线，所述DAS包括在其上具有至少一个集成电 路的电子。所述方法还包括通过凸块接合系统将X射线传感器耦合 到电子基板以及通过线接合系统和第二凸块接合系统之一将该至少 一个集成电路耦合到电子基板的步骤。虽然根据优选实施例对本发明进行了描述，但是应该认识到排除 那些明确说明之外的等同物、替换方案和修改是可以的，并且处于 所附权利要求的范围内。附图标记列表10计算机断层摄影(CT)成像系统12机架14 X射线源16 X射线束18探测器组件20探测器模块22患者24旋转中心26控制机构28 X射线控制器30机架电机控制器34图像重构器36计算机38海量存储装置40控制台42阴极射线管显示器 44台电机控制器 46台48机架开口52传感器元件54数据采集系统(DAS)56电子基板58间距适配器60接触焊盘 62布线组件 64数字互连 66高压互连 68偏压控制 70集成电路(IC) 72线接合74电子基板背侧表面76 IC顶表面78模块支撑件79准直器组件8 0对准销82开孔84槽86绝缘支撑件 88辐射屏蔽 90灵活间距适配器 92层状混合探测器 94准直器阵列 96模块支撑件 98对准销 100开孔 102电子基板 104电子基板
权利要求
1.一种CT成像系统(10)，包括机架(12)，该机架(12)具有通过其中的孔，该孔设计成接收平移通过该孔的患者(22)；设置于机架(12)中并配置成向患者(22)发射X射线(16)的X射线源(14)；以及设置于机架(12)中以接收通过患者(22)削弱的X射线信号的探测器模块(20)，其中所述探测器模块(20)还包括用于将X射线信号转换成相应电信号的传感器元件(52)；用于调节电信号的数据采集系统(DAS)(54)，所述数据采集系统(DAS)(54)包括位于电子基板(56)上的至少一个集成电路(70)；以及用于耦合传感器元件(52)、所述至少一个集成电路(70)以及电子基板(56)的互连系统，其中所述互连系统包括第一接触焊盘互连(60)，以及线接合互连(72)和第二接触焊盘互连(60)之一。
2. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述互连系 统形成所述传感器元件(52)、所述至少一个集成电路(70)以及 所述电子基板(56)之间的模拟连接、数字连接和功率连接.
3. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述模拟连 接、数字连接和功率连接是电和物理分离的，并且是电屏蔽的。
4. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述探测器 模块(20)进一步包括间距适配器(58),所述间距适配器(58) 包括在其上具有多个接触焊盘(60)以互连到所述传感器元件(52) 的读出表面的顶表面；以及在其上具有多个接触焊盘(60)以互连到所述电子基板(56)和 所述至少一个集成电路(70)之一的底表面。
5. 根据权利要求4所述的CT成像系统(10)，其中所述探测器 模块(20)进一步包括至少一个偏压控制(68)，以提供在所述探 测器模块(20)中动态控制传感器像素配置的功能，所述偏压控制(68)将所述电子基板(56)连接到所述传感器元件(52)和所述间距适配器(58)之一。
6. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述探测器 模块(20)还包括连接到电子基板(56)的电布线板(62)，所述 电布线板(62)垂直于所述传感器元件(52)取向以形成四侧可对 接的探测器模块(20),由此另外的探测器模块(20)可邻近其定 位，以构建更大的面传感器阵列，
7. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述探测器 模块(20)进一步包括模块支撑件(78)，所述模块支撑件(78) 附着到所述电子基板(56 )，以便将所述传感器元件(52 )与准直 器结构(")对准。
8. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述探测器 模块(20 )进一步包括耦合到所述传感器元件(52 )的高压互连(66 )。
9. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述至少一 个集成电路(70)配置成三侧可对接到另外的集成电路(70)。
10. 根据权利要求1所述的CT成像系统(10)，其中所述探测 器模块(20)进一步包括与所述X射线源(14)相比较定位于所述 传感器元件(52)之后的闪烁器(94)，以接收通过患者(22)消 弱的X射线。
全文摘要
本发明涉及CT探测器模块构造。提供用于CT成像系统(10)的探测器模块(20)。所述探测器模块(20)包括用于将X射线(16)转换成电信号的传感器元件(52)。所述传感器元件(52)经由互连系统耦合到数据采集系统DAS(54)，所述DAS(54)由电子基板(56)和集成电路(70)构成。互连系统通过接触焊盘互连(60)以及线接合互连(72)或另外的接触焊盘互连(60)一起将所述传感器元件(52)、电子基板(56)以及集成电路(70)耦合。
文档编号A61B6/03GK101214154SQ20081000197
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月4日 优先权日2007年1月4日
发明者C·G·沃伊奇克, J·D·肖尔特, J·E·特卡茨克, J·W·罗斯, 杜岩峰 申请人:通用电气公司