专利名称：基于无缝拼接的光电传感探测器及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种基于无缝拼接的光电传感探测器及制备方法，属辐射探测技术领域。
背景技术：
在工业无损检测及医疗行业，射线探测器技术的应用广泛，而随着半导体技术的发展，用于射线探测的平板探测器的动态范围和量子检测效率都得到了很大的提升，因此， 在医疗和无损探伤的射线成像系统中更是得到广泛应用，在数字X射线成像(DR)领域中， 已开始广泛应用大到17英寸见方(43cm*43cm)的大尺寸平板探测器。然而在一些特殊的领域中，常常希望接受射线的探测器成为弧形或者探测器的感光面能够有一定的角度，形成扇束或类似扇束探测器接受面。这样可以减少因射线源发射的射线在探测器上的散射，由此可以有效减低因射线散射带来的影响，进而可以得到更好的探测图像。为此，计算机断层扫描(CT)系统中广泛采用一种稀土陶瓷材料制备的条形线阵探测器，其是由多个条形探测器拼成圆弧状而形成弧形探测器线阵。传统的稀土陶瓷探测器与平板探测器相比，其像素尺寸大，射线利用率低，并且在轴向上的感光面积小等缺点。正是由于受其自身技术所局限，导致CT的分辨率和各种高级重建功能的容积信息难以获得有效提高。因此近年来，人们尝试将平板探测器应用于需要弧形探测器的领域，比如椎束CT(CBCT)等。小面积的平板探测已经可以很好地代替原有的稀土陶瓷探测器，比如柯达公司推出的9500锥形束平板CT系统。而且传统的CT探测器其轴向的覆盖面积在不断的增大，如目前东芝公司推出的320排轴向覆盖范围为160mm的CT系统，但都无法实现一圈扫描获得人体大器官的成像，而且由于该类探测器本身技术的限制无法实现轴向的超大面积覆盖。因此，将大面积的平板探测器用于到非平面探测领域具有广阔的前景，比如将其用于CT系统中可以有效的解决轴向的覆盖范围过小问题，可以达到医学中真正的轴向超宽覆盖。而且由大面积平板探测器搭建的CT系统可以完成一圈扫描后真正意义上实现扫描全身各器官，得到全身各个脏器全器官各向同性(Iso-tropic)和各时同性(Iso-phasic) 的扫描和成像。因此，大面积的平板探测器应用到上述领域中时，可以很好的解决轴向覆盖面积过小等问题。但是大面积平板探测器应用于此类弧形探测器的领域(例如CT领域)， 仍存在诸多问题，如无法限制散射和串扰、动态响应范围小等，进而使得在重建图像上有很大的困难，得到的图像质量很差，因此很多公司尝试将大面积平板探测器用于CT系统中， 但都无法真正在临床中应用。综上所述，如何解决平板探测器应用于CT等弧形探测器领域所存在的诸多困难， 已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无缝拼接并可成任意夹角的光电传感探测器及其制备方法，以克服现有大面积平板探测器应用于非平面辐射探测领域所面临的窘境。
为了达到上述目的，本发明提供的基于无缝拼接的光电传感探测器包括两块以上探测器模块，各探测器模块以无缝拼接方式拼接并成夹角状，其中，每一探测器模块都是封装件，都可以独立工作。探测器模块的具体结构包括用于固定感光元件并且能阻挡射线的底板，从而保护一侧的处理电路不受射线的影响；固定在所述底板一侧表面的感光元件阵列是用于将感测到的光子信号转化成电信号；设置在所述底板另一侧表面是用于扫描所述感光元件阵列的处理电路，它将各感光元件发出的电信号进行数据处理后传输至能形成相应图像的设备；同时还包括设置于所述感光元件阵列与所述处理电路之间用于电连接的互连电路，所述互连电路可为柔性电路板。其中，所述探测器模块的夹角在0°到360°之间；所述感光元件可为光电二极管、CMOS管、或非晶硅光电传感元件等。此外，所述基于无缝拼接的光电传感探测器还将包括覆盖与所述感光元件阵列表面并将入射至各感光元件的射线转换为可见光的闪烁体层，其材质可为陶瓷、金属或复合塑料。其中，金属材质如钨板，钨铁合金，钨铜合金等；陶瓷材质为氧化铝、氮化铝、 莫来石基板(3A1203. 2Si02)、二氧化硅、碳化硅和碳化硼陶瓷等；复合材料为Latigray、 Laticonthe 材质等。本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器的制备方法，包括以下步骤1)制备感光元件阵列，切割分块后对每一块进行沉积或者耦合闪烁体，并对闪烁体部分进行必要的封装，其中感光阵列与外部进行电路互联的连接点裸露以便外部电路的互联；2)根据分块后的感光元件阵列的尺寸以及拼接所需模块的数量制备相应单元的互成角度底板；3)在底板的一侧表面均勻涂胶；4)将分块后的感光元件阵列模块分别拼接到所述底板上，模块之间无缝拼接，在合适的环境中固化；5)将处理电路(包括驱动电路)通过互联电路(如柔性电路板)绑定到传感器阵列元件上；并将处理电路放置在所述底板的另一表面，并固定；6)将绑定了互连电路的处理电路和感光元件的结构进行最终的封装。综上所述，本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器及制备方法通过将探测器模块无缝拼接，可形成大面积有交角的探测器，由此可用于非平面探测领域。
图1为本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器中拼接两个探测器模块的剖面结构示意图。图2为本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器的探测器模块的结构示意图。图3为本发明的基于无缝拼接的以2块三边引出绑定线感光阵列模块拼接的探测器整体绑定电路示意图。图4为本发明的基于无缝拼接的以2块两边引出绑定线感光阵列模块拼接的探测器整体绑定电路示意图。
图5为本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器中拼接三个探测器模块的剖面结构示意图。图6为本发明的基于无缝拼接的以3块两边引出绑定线感光阵列模块拼接的探测器整体绑定电路示意图。图7a和7b为本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器中拼接四个探测器模块的剖面结构示意图。图8为本发明的基于无缝拼接的以4块两边引出绑定线感光阵列模块拼接的探测器整体绑定电路示意图。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器进行详细说明。实施例一请参阅图1，其是本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器中两相邻探测器模块 1和2剖面示意图，探测器模块1和2以无缝拼接方式拼接成夹角状，即探测器模块1和探测器模块2之间的夹角为α，其中，0< α < 360°，而探测器模块1和探测器模块2都为感光阵列模块，其可耦合闪烁体层，两者的结构相同。再请参见图2，其为拼接探测器的模块单元结构示意图。探测器模块单元包括底板13、感光元件阵列12、闪烁体层和封装层11、处理电路15、以及互连电路14等。需要说明的是，如果感光元件阵列能直接检测到射线(即X射线、伽玛射线等)，例如用非晶硒材质的光电传感元件形成的阵列，则也可不设置闪烁体层。所述底板13用于固定感光元件阵列12以及阻挡穿过感光元件阵列12后剩余的射线等功能，其材质可为金属、陶瓷层、塑料或者复合材料等，其热膨胀系数应与感光元件阵列12的热膨胀系数相匹配，因此，所述底板13的材料可优选钨、钨合金；氧化铝、氧化硅陶瓷；或Latigray复合材料。由图1可见，探测器模块1和探测器模块2各自包含的底板互成一定角度α。所述感光元件阵列12拼接固定在所述底板13的一侧表面，用于检测可见光子，并将可见光子转化成电子，其一般可为CMOS电路，或者薄膜晶体管(TFT)等构成。所述闪烁体层11用于将射线(即X射线、伽玛射线等)转换成可见光，此层可以沉积在感光元件阵列12上，如沉积碘化铯CsI :T1、溴化镧LaBr3 = Ce、氯化镧LaCl3 = Ce等材质闪烁体；也可以将闪烁体耦合在感光元件阵列上，如将硫氧化钆Gd2O2S:Tb耦合在感光元件阵列上。所述处理电路15放置在所述底板13另一侧表面，用于扫描所述感光元件阵列输出的信号，并将各感光元件发出的电信号进行数据处理，以便传输至能形成相应图像的设备，其包括扫描驱动电路和数据处理电路。所述互连电路14设置于所述感光阵列12和处理电路15之间，用于将所述感光元件阵列与所述处理电路电连接，其可以是柔性电路板等，便于将放置在底板13的另一表面侧的处理电路固定。所述互连电路14的设置可以如图3所示，即在同一感光元件阵列模块中，其三边侧都设置有互联电路，而连接扫描驱动电路的互联电路与连接数据处理电路的互联电路设置在感光元件阵列模块的相邻两边侧，而剩余的一边侧用作与另一感光元件阵列模块无缝拼接，此时只能两感光元件阵列模块进行拼接，这种拼接方式可以成为三边引绑定线的无缝拼接，需说明的一点是三边引出的绑定线中，可以是两边绑定数据处理电路，一边绑定扫描驱动电路，也可以是两边绑定扫描驱动电路，一边绑定数据处理电路。此外，所述互连电路14的设置可以如图4所示，即在同一感光元件阵列模块中，仅仅两边侧设置有互联电路，连接扫描驱动电路的互联电路与连接数据处理电路的互联电路仍设置在感光元件阵列模块的相邻两边侧，如此，两感光元件阵列模块拼接后，各自还剩余一边侧，因此，各自还可再与感光元件阵列模块拼接，后续将会详述。实施例二 请参见图5，其是本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器中探测器模块1’、2’ 和3’的剖面示意图，探测器模块1’、2’和3’以无缝拼接方式拼接成夹角状，即探测器模块 1’和2之间的夹角为α 1，探测器模块2’和3’之间的夹角为(12，其中，0< α 1 < 360°， 0 < α2 < 360°，α 1和α2可以相等，也可以不等。探测器模块1’、2’和3’的结构与实施例一中的探测器模块结构类似，不同在于互联电路的设置，如图6所示，在同一探测器模块中，连接扫描驱动电路的互联电路与连接数据处理电路的互联电路设置在感光元件阵列模块的相对两边侧，如此，剩余的相对两边侧可以用作无缝拼接，进而形成三块或者三块以上的感光元件阵列模块无缝拼接成的光电传感探测器。实施例三请参见图7a和图7b，其是本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器中探测器模块1”2”、3”和4”剖面示意图，探测器模块1”和2”之间、以及探测器模块3”和4”之间的夹角为α ;探测器模块1”和3”之间、以及探测器模块2”和4”之间的夹角为α 2，其中， 0 < α 1 < 360°，0< α 2 < 360°，α 和α 2可以相等，也可以不等。探测器模块1”、 2”、3”和4”的结构和实施例一中的探测器模块类似，其互联电路的设置如图4所示，即在同一感光元件阵列模块中，仅仅两边侧设置有互联电路，连接扫描驱动电路的互联电路与连接数据处理电路的互联电路设置在感光元件阵列模块的相邻两边侧，如此，可形成包含4 块探测器模块的光电传感探测器。需要说明的是，上述各实施例仅仅只是列示，而非用于限定本发明，事实上，光电传感探测器所包含的探测器模块的数目可以根据实际需要来设置，在此不一一举例来说明。以下将对详细描述上述各光电传感探测器的制备过程，其工艺步骤如下步骤1，根据需要制备感光元件阵列，通常采用集成电路和半导体生产工艺流程来制备，此技术已为本领域技术人员所知悉，故在此不再对原理、工艺条件等进行详细描述。 需要说明的是，如果制备出的感光元件阵列不能直接检测射线，则在分块后的各块感光元件阵列表面还要覆盖能将射线转换为可见光的闪烁体层，然后再执行电路绑定互联工艺和模块封装工艺等。其中耦合闪烁体层时，必须将感光元件和闪烁体层进行必要的防潮，防漏光封装工艺，以保护闪烁体层的理化特性，比如闪烁体层为CsI:Tl、LaBr3:Ce以及LaCl3 = Ce 时，需在特定干燥的环境中将耦合闪烁体层的感光阵列表面封装保护层。步骤2，按照分块后的感光元件阵列的尺寸以及需要拼接的数量制备相应数量单元的底板，此底板单元为互成角度的和拼接模块数量相等，其中底板单元之间互成一定角度，并在每块底板边缘做相应的对准标记，以便拼接模块时对准，实现无缝拼接。需要说明的是，在上述不同的实施例，角度的表示不尽相同，如实施例一中，角度用α表示，实施例二和三中，角度α 1、α 2表示，不过各角度都在0至360°范围内。步骤3，底板的一侧表面均勻涂胶。步骤4，将底板放置在拼接台上，需要用于固定感光元件的底板单元水平放置在拼接台上，并固定(固定方式以设备为准，如吸附固定等)。步骤5，将感光元件阵列模块吸附在拼接吸盘上，移动到底板相应的单元，进行无缝隙地拼接在所述底板上，拼接时，感光元件阵列模块与底板通过对准标记精确对准。步骤6，更换水平放置底板单元，并固定，以便拼接下一个模块。步骤7，重复步骤4、5、6，直至拼接完所有的感光元件阵列为止。步骤8，在合适的环境(如合适的温度，压强或者光强等，以达到胶固化条件为准。)进行固化。步骤9，将感光元件和处理电路板通过柔性电路板绑定在一起，使其互联。步骤10，将处理电路板通过柔性电路板放置并固定在底板的另一表面。步骤11，将绑定了处理电路和互连电路的结构进行整体封装以形成完整的封装件。在上述的工艺中，模块之间的拼接、对准在拼接设备上完成，其具体步骤不再详述，模块间的间隙可以通过底板和感光阵列模块的对准标记对准控制在合适的范围内(一般可以控制的几十到几百微米内)，实现无缝拼接。实现拼接的工艺很多，因此上述步骤以及次序仅做参考，其中有些步骤可以省略或者更换，其次序也可以颠倒，如步骤5和步骤9， 当步骤5、9互换时，拼接感光阵列模块时需将处理电路稍做固定，避免在拼接时移动、对准和拼接模块的过程中造成不必要的影响。综上所述，本发明的基于无缝拼接的光电传感探测器及其制备方法采用将探测器模块无缝拼接成非平面形状，如近似折扇形等，可有效解决散射射线的影响；而且，根据其搭建的CT系统在结构上更符合扇形束扫描，重建图像相对容易实现。而且由于平板探测自身高分辨率的特性，很好的解决了大面积平板探测锥束CT系统的分辨率相对较低，尤其对细微结构显示欠佳等问题；并且很好的解决了密度差、界面较大的组织进行扫描时易产生容积效应和辐射状伪影的问题。并且极大地提高了扫描速度、射线利用效率和重建图像的轴向分辨率，且使用射线少，数据采集快，对运动伪迹不敏感，适用于动态空间重建。上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
1.一种基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于包括两块以上探测器模块，各探测器模块以无缝拼接方式拼接成夹角状，其中，每一探测器模块都可独立工作且都包括具有用于拼接和固定感光阵列且具有阻挡射线的底板；固定在所述底板一侧表面的感光元件阵列，其中，各阵列元素用于将感测到的光子转化成电信号；设置在所述底板另一侧表面的处理电路，用于扫描所述感光元件阵列，并将各感光元件发出的电信号进行数据处理后传输至能形成相应图像的设备；设置于所述感光元件阵列与所述处理电路之间用于电连接的互联电路，其为柔性电路。
2.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述处理电路包括扫描驱动电路和数据处理电路，其中，连接扫描驱动电路的互联电路与连接数据处理电路的互联电路设置在所述感光元件阵列模块的相邻两边侧或者相对两边侧。
3.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述处理电路包括扫描驱动电路和数据处理电路，其中，连接扫描驱动电路的互联电路与连接数据处理电路的互联电路设置在所述感光元件阵列模块的三边侧。
4.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于还包括覆盖于所述感光元件阵列表面并将入射至各感光元件的射线转换为可见光的闪烁体层。
5.如权利要求4所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述闪烁体层材质是碘化铯CsI:Tl、溴化镧LaBr3:Ce、氯化镧LaCl3 = Ce或硫氧化钆Gd202S:Tb。
6.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述夹角在0° 到360°之间。
7.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述底板为金属、陶瓷或者复合材料。
8.如权利要求7所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于其特征在于所述底板为钨、钨合金；氧化铝、氧化硅陶瓷；或Latigray复合材料。
9.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述互连电路为柔性电路板。
10.如权利要求1所述的基于无缝拼接的光电传感探测器，其特征在于所述感光元件为光电二极管、CMOS管、非晶硅光电传感元件中的一种。
11.一种基于无缝拼接的光电传感探测器的制备方法，其特征在于包括步骤1)制备感光元件阵列，予以切割分块后对每一块进行耦合闪烁体层；2)依照被分割后的感光元件阵列的尺寸和拼接数量制备相应的互成一定角度的底板， 并在底板的一侧表面均勻涂胶；3)将封装好闪烁体部分的感光元件阵列模块无缝拼接到所述底板涂胶面上，模块之间为无缝拼接；4)在合适的环境将将胶固化；5)通过柔性互联电路将感光元件和处理电路绑定互联，并将处理电路放置到所述底板的另一表面并固定；6)将绑定了处理电路和互连电路的结构进行封装以形成完整封装件；
12.如权利要求11所述的基于无缝拼接的光电传感探测器的制备方法，其特征在于 底板互成的角度在0°到360°之间。
全文摘要
本发明提供一种基于无缝拼接结构的光电传感探测器及其制备方法，它由至少两块光电传感探测器模块无缝拼接并成一定夹角，其中每一探测器模块都可以独立工作。该探测器模块的结构包括以能阻挡辐射射线的底板为基础；在所述底板一侧表面固定感光元件，它是将感测到的光子信号转化成电信号的感光元件阵列；在所述底板另一侧表面设置用于扫描所述感光元件阵列的处理电路，它能将各感光元件发出的电信号进行数据处理，最后传输至能形成相应图像的设备；同时，设置互连电路将所述感光元件阵列与所述扫描和处理电路之间电进行连接。此种方法制备的辐射探测器可有效抑制射线散射和模块间的串扰，可很好地适用于非平面结构的辐射探测领域。
文档编号G01T1/00GK102445703SQ201010504428
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者焦启刚, 谢舒平 申请人:上海生物医学工程研究中心