具有多个电极系统的辐射探测器的制作方法

专利名称：具有多个电极系统的辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括用于将入射辐射转换为电信号的转换器元件并且具有置于所述 转换器元件上的电极的辐射探测器。另外，本发明涉及包括这样的辐射探测器的检查装置 并且涉及用于制作这样的辐射探测器的方法。
背景技术：
例如在诸如CT (计算机断层摄影)扫描器的成像装置中需要用于诸如X射线或 Y射线的高能辐射的辐射探测器。对于这些应用，已在文献中对基于光子计数谱CT的方 法进行了描述，其提供了新的可能性的很大潜力(Roessl, Proska :"K-edge imaging in x-ray computed tomography usingmulti-bin photon counting detectors", Phys. Med. Biol. 52(2007)4679-4696)。然而，这种方法对所应用的辐射探测器的精确性和分辨率提出 了高的要求。

发明内容
基于这种情况，本发明的目的是提供一种辐射探测器，其特别适于谱CT中的应 用，并且在光子计数应用中提供高的精确性。这一目的通过根据权利要求1、权利要求13和权利要求14所述的辐射探测器，根 据权利要求2所述的方法，以及根据权利要求15所述的检查装置实现。在从属权利要求中 公开了优选实施例。根据其第一方面，本发明涉及用于对特别是如X射线或、射线的高能辐射的入射 (电磁)辐射进行探测的“第一”辐射探测器。该辐射探测器包括以下部件a)用于将入射辐射转换为电信号的转换器元件。所述转换器元件可以由将要被探 测的入射辐射转换为电信号，特别是转换为电荷脉冲(例如，材料的导带和相应价带中的 电子-空穴对)的任何适当的直接转换材料制成。b)布置于前面提到的转换器元件上的多个电极系统。典型地，将所述电极系统中 的每个定位于一些相关联的紧凑区域中，其中，以规则方式(例如，栅格或矩阵图案)使这 些具有电极系统的区域分布在转换器元件的一侧上。电极系统还由以下特征限定其每个 包括第一电极和分离的第二电极，在下面将所述第一电极称为“主电极”，将所述第二电极 称为“辅助电极”。所述主电极和所述辅助电极在设计上可以相同或相似，也可以不同或不 相似。不论如何，在操作辐射探测器的过程中其使用方式是不同的，这就是赋予其不同名称 的原因。仍然为了这一原因，所述主电极和所述辅助电极在下面将有时被认为是相互“补 充”的。另外，应该注意到，这些电极不必须具有紧凑的相连接的几何结构；实际上，更优选 地，其由将在下面结合本发明的优选实施例进行解释的多个子单元组成。c)独立地与电极系统的前面提到的主电极和辅助电极中的每个相连接的读出电 路。读出电路包括用于将电势施加到所连接的主电极和辅助电极的(模拟和/或数字)电 子部件。如其名称所表示的，读出电路还将能够探测由上面提到的在转换器元件中生成的电信号在这些电极中生成的次级电信号。在典型示例中，次级电信号为由转换器元件中的 电荷脉冲在电极中引起的电荷或电荷位移。所描述的辐射探测器具有如下优势其允许对在多个电极系统的帮助下由入射辐 射在转换器元件中生成的电信号进行评估。取决于电极系统的布置，可以实现空间分辨率 (如果电极系统布置为垂直于辐射入射)和/或谱分辨率(如果电极系统布置为与辐射入 射成一直线)。在第一种情况下，辐射探测器具有已知为“像素化”的设计，其中，像素对应 于由探测器生成的投影图像的不同像元。通过在每个电极系统中使用主电极和辅助电极，所描述的辐射探测器可以相当大 地改进信号探测的精确性。因此，特别地有可能降低在转换器元件中生成的电信号的低能 拖尾。这使得辐射探测器特别适于光子计数谱CT中的应用。本发明还涉及用于制作特别是上述那种辐射探测器的辐射探测器的方法。所述方 法包括如下步骤a)在转换器元件上设置多个电极系统，使得每个电极系统包括主电极以及与该主 电极电隔离的辅助电极。b)将读出电路独立地连接到主电极和辅助电极。所述方法包括形成上述那种辐射探测器的普通形式的步骤。因此，参照上述描述 以获得关于所述方法的细节、优势以及改进的更多信息。下面，描述涉及上面限定的辐射探测器和制作方法二者的本发明的各优选实施 例。应该注意，在这一背景中，如果针对“至少一个”电极系统、主电极和/或辅助电极对一 些特征进行解释，则通常优选地，这一特征针对所有电极系统、主电极和/或辅助电极而实 现。根据第一任选实施例，至少一个电极系统的主电极和辅助电极被布置在厚度为小 于例如大约lOym的公共平面层中，其中厚度优选地小于5i!m。所述公共平面层可以特别 地被定位为与其上设置有电极的转换器元件的表面相接触。在公共薄层上布置主电极和辅 助电极确保这两者相似地接入到转换器元件的材料并且可以与转换器元件的材料相似地 相互作用。如已经提到的，电极系统被优选地以(规则的或不规则的)一维或二维图案布置 在转换器元件的一侧上。在二维图案的情况下，电极系统可以被布置为垂直于辐射入射和 平行于辐射入射，从而允许所述辐射的空间分辨率和谱分辨率。特别优选的实施例为，电极系统以六角形的二维图案布置在转换器元件上。这意 味着由每个电极系统覆盖的区域为六角形，并且，所有这些六角形区域以蜂窝式图案规则 布置。由于六角形中边界长度与内部面积的比率比在矩形/正方形中小，在六角形的布置 中，如相邻像素间所共享的电荷的边界伪影被降低。另外，与例如矩形棋盘形布置相比，这 一布置具有更高的各向同性(即，旋转对称性)。可以以各种各样的几何形状实现主电极和辅助电极。根据一个特定实施例，至少 一个主电极和/或至少一个辅助电极包括多个平行条状物。优选地，这些条状物在长度和 宽度上是相同或相似的，并且均勻地分布于矩形区域中。根据上述实施例的另一发展，至少一个电极系统的主电极和辅助电极二者都包括 这样的平行条状物，其中，主电极的条状物和辅助电极的条状物以交替方式布置。
在上述提到的平行条状物的电极几何结构中，电极的种类在条状物的方向上在电 极系统区域内(主电极或辅助电极)不改变，而在垂直于条状物的方向上反复变化。根据 本发明的另一实施例，通过提供至少一个电极系统实现具有较高各项同性的设计，其中在 该电极系统内，主电极和/或辅助电极在电极系统区域内的任意方向至少被中断一次。最 优选地，在电极系统区域内的任意方向上，存在主电极和辅助电极的交替。这样的电极系统 可以通过分别构成主电极和辅助电极的(小且紧凑的)子单元的适当分布实现。所述适当 分布可以例如包括随机分布或者六角形图案中的等边三角形布置。另一示例为相互隔离的 方形子单元的棋盘式图案(黑色区域构成主电极而白色区域构成辅助电极)。根据电极的另一可能的几何结构，至少一个主电极和/或至少一个辅助电极包括 具有多个空穴的电极区域。电极区域可以例如具有棋盘式几何结构，其中方形栅格(黑色 区域)在角处重叠且环绕空穴(白色区域)。之后可以将补充电极设置于所述空穴中。在本发明的特别优选的实施例中，至少一个主电极和/或至少一个辅助电极包括 在公共平面中布置的多个子单元，所述公共平面通常由在其上布置电极的转换器元件的表 面限定。上述条状物为构成电极的这样的子单元的一个示例。主电极或辅助电极的上述子单元将通常被短路(即，电耦合)。为此，优选地，每个 子单元带有设置于在其中布置子单元的公共平面之上的接触端点。在这一背景中，词语“之 上”对应于公共平面的与布置转换器元件的一侧相对的侧。换句话说，转换器元件被认为位 于公共平面“之下”。上述接触端点的一个特定示例为子单元上的凸点球(bump ball)。这 样的凸点球可以例如被用于将读出电路直接耦合到转换器元件上的电极系统。接触端点的 另一特定示例为嵌入覆盖子单元的隔离层的通孔(即，导电通道)。在优选实施例中，构成主电极或辅助电极的子单元通过连接元件相互耦合，该连 接元件离开子单元的公共平面一定距离而延伸。连接元件可以例如为在平行于子单元的公 共平面并离该公共平面一距离处延伸的平面中接触上述通孔的金属线。在不同于子单元的 平面的平面中布置连接元件具有以下优势这一连接对子单元的探测功能没有电干扰。根据本发明的另一特别优选的实施例，将隔离层设置于转换器与至少一个主电极 和/或至少一个辅助电极之间。这样的隔离层确保在转换器元件与对应的电极之间没有电 荷交换，但是其并不限制经由电场的(期望的)相互作用。在本发明的另一优选实施例中，至少一个主电极和/或至少一个辅助电极沿相关 联的电极系统的两个相对的侧延伸。如果所述电极例如通过平行条状物实现，则两个平行 条状物可以被布置在相关联的电极系统的两个最外面的相对的侧。这样，可以确保对称的、 明确的电状态在电极系统的边界上占优势。在辐射探测器的制作方法中，至少一个主电极和/或至少一个辅助电极的设置可 以任意地包括以下子步骤a)将多个子单元设置于转换器元件上的公共平面中；b)将至少一个接触端点设置于每个子单元上；c)将连接元件设置于所述接触端点上，使得所述子单元电耦合。利用这一程序，可以生产上述那种辐射探测器。因此，对于所述方法的更多细节， 参照上述说明。根据第二方面，本发明涉及用于对特别是如X射线或Y射线的高能辐射的入射(电磁)辐射进行探测的“第二”辐射探测器，该探测器包括如下部件a)转换器元件，其用于将入射辐射转换为电信号。b)电极系统，其被布置于上述转换器元件上并且包括“主电极”和分离的“辅助电 极”。另外，主电极包括具有至少一个空穴且优选地具有多个空穴的电极区域。c)读出电路，其被独立地连接到电极系统的上述主电极和辅助电极。主电极系统的电极区域可以例如具有棋盘式几何结构，其中方形栅格(黑色区 域)在角处重叠且环绕空穴(白色区域)。可以优选地将补充电极设置于(一个或多个) 空穴中，这可以例如通过在主电极的整个电极区域(在中间隔离层上)延伸的层实现。根据第二方面的“第二”辐射探测器的优势在于其可以被设计为在电极区域的平 面中具有高对称性，由此避免关于电信号的处理的任何方向偏置。除了其主电极的空间几 何结构，辐射探测器可以另外具有如根据本发明的第一方面的辐射探测器的设计特征。根据第三方面，本发明涉及用于对特别是如X射线或、射线的高能辐射的入射 (电磁)辐射进行探测的“第三”辐射探测器，该探测器包括如下部件a)转换器元件，其用于将入射辐射转换为电信号。b)电极系统，其被布置于上述转换器元件上并且包括“主电极”和分离的“辅助电 极”。另外，主电极和/或辅助电极的设计应该使得在电极系统的区域内的每个方向上，主 电极和/或辅助电极至少被中断一次。更优选地，其被中断多次。c)读出电路，其被独立地连接到电极系统的上述主电极和辅助电极。在“第三”辐射探测器中，在相应电极系统的区域内没有主电极和辅助电极将沿着 其延伸而不被中断的方向。因此，可以实现这样的布置，其中主电极和/或辅助电极非常各 向同性地分布于电极系统的区域中，从而避免特定偏置方向的发生。特别地，在相邻转换器 元件中由电信号感生的电荷因此被更平均地分布于主电极和辅助电极之间。在“第三”辐射探测器的优选实施例中，情况b)满足主电极和辅助电极两者。这 意味着，在电极系统的区域内的任意方向上，这些电极中的每个都被中断一次或者(优选) 多次。根据“第三”辐射探测器的另一优选实施例，在电极系统的区域中存在至少一个方 向，在该方向上存在一个电极(例如，主电极)的中断部分，并且另一个电极(在该示例中 为辅助电极)被设置于所述中断部分中。这意味着，当沿着电极系统的区域内的所述方向 “行进”时，主电极和辅助电极至少交替横贯一次。最优选地，主电极和辅助电极的这样的交 替发生多次和/或在电极系统的区域内的每个方向上发生。在这样的情况下，在主电极和 辅助电极之间实现感生电荷的高度均勻的分布。应该注意到，可以将根据本发明的第一、第二和第三方面的辐射探测器的特征进 行组合。另外，本发明涉及用于利用辐射对对象(例如，患者)进行检查的检查装置，所述 装置包括上述那种(“第一”、“第二”或“第三”)辐射探测器。所述检查装置可以特别被应 用为行李检测装置、材料测试装置、材料科学分析装置或医学应用装置。所述检查装置尤其 可以选自包括下列的组X射线装置(例如，荧光透视设备)、计算机断层摄影(CT)成像系 统(最优选地为光子计数谱CT成像系统)、相干散射计算机断层摄影(CSCT)成像系统、正 电子发射断层摄影(PET)成像系统以及单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像系统。


通过参考下文中描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得 明显并得以阐明。将结合附图以示例的方式对这些实施例进行描述，在附图中图1以透视图的形式示出了具有包括两个共面栅格的电极系统的辐射探测器；图2以顶视图的形式示出了具有附接至电极系统的读出电路的如图1中所示的辐 射探测器；图3以侧视图的形式示出了具有电极系统的二维阵列的辐射探测器；图4以透视图的形式示出了具有在一个表面上的电极系统的二维阵列的辐射探 测器；图5到图9示出了生产在升高的平面中具有结合垫的辐射探测器的连续步骤；图10示出了具有结合垫的不同放置的图9的辐射探测器的变型；图11示出了具有棋盘式图案的电极系统的顶视图；图12以侧视图的形式示出了具有电极系统的二维六角形阵列的辐射探测器，所 述电极由三角形子单元组成；图13以侧视图的形式示出了具有电极系统的二维六角形阵列的辐射探测器，所 述电极由全圆或半圆组成。在附图中，相同的附图标记或相差100的整数倍的附图标记表示相同或相似的部 件。
具体实施例方式现代X射线成像系统的一个趋势为采用由于X射线管发射多色X射线谱的事实而 固有地可获得的谱信息。长远看来，通过基于直接转换材料(例如，Cd[Zn]Te)的能量分辨 光子计数探测器能够获得谱信息。因此，能够实现K边缘成像，其被认为是具有对谱信息的 估计的CT系统的最有价值的临床扩展。K边缘成像将能够实现如结直肠清洁(“电子粪便 去除”)的重要应用，并将提供钙化斑块和填充造影剂的脉管之间的高度改进的分离。光子计数探测器的成功的关键在于良好的谱分辨率，其主要受到两个影响而降 低。第一，相邻像素间所共享的电荷可以以共享信号触发每个像素中的计数。没有昂贵且缓 慢的符合电子器件，不能够获取初始光子能量；探测器的谱响应具有所谓的“低能拖尾”，其 意味着特定数量的所测得光子能量引起在零和初始光子能量之间的或多或少的随机能量。 第二，电子通常比空穴快得多。电子器件通常适于电子的快速收集，而剩余的空穴仍然在收 集阳极上电容性地感生电荷，这引起谱响应中的加宽的光电峰。为了克服这些缺点，使用若干理念。一个理念为使用小像素，对此，“小像素效应” 减小了空穴的不希望的电荷被感生的区域。结果，谱响应示出了较锐利的光电峰，然而，由 于较小像素引起相邻像素间所共享的较大电荷，低能拖尾被增强。在改进的理念中，阳极被 减小为由带负电荷的所谓的操纵电极围绕的更小的区域。在一方面，带更多负电荷的操纵 电极将电子引导到小的电极区域，这良好地减小了相邻像素间所共享的电荷。在另一方面， 操纵电极接收了不希望的感应空穴电荷的大部分，从而使得光电峰也变得锐利。然而，操纵 理念也具有其他缺点，这是由于相对高的电压需要被施加于操纵电极和阳极之间，这引起高的漏电流并由此提高了噪声水平。上述技术不足以对加权电势进行定位——由此引起低能拖尾——尤其在薄的探 测器层的情况下，这是由于所述技术需要处理探测器像素中的非常高的计数率，所述探测 器像素面向直接射束或者在靠近直接射束的扫描对象之后；作为在薄的探测器层中降低计 数率的结果，脉冲堆积也被降低。对于所扩展的Alvarez-Macovsky分解方法(参照上述 Roessl等人)，进一步减小低能拖尾从而改进K边缘分量的测量结果是非常重要的。因此，这里提议使用具有例如共面栅格的电极系统，用于与读出电子器件相结 合来限定辐射探测器的像素化阳极，所述读出电子器件测量源自收集电极和非收集电极 (栅格)的信号间的差异。在文献中仅与体探测器相联系对共面栅格进行了描述(参照 Luke “Single-polarity charge sensing inionization detectors using coplanar electrodes，，，Appl Phys Lett 1994 ；He 等人“Coplanar grid patterns and their effect on energy resolution of CdZnTedetectorsNIMA 1998)。共面栅格主要由薄的 条状物组成，其中，每隔一个的条状物(“偶数”以及“奇数”条状物)被电连接，从而使得 两个栅格形成梳状结构。如果电压(低于用于操纵电极理念的电压)被施加到两个栅格之 间，电子被从带更多负电荷的栅格排斥出，并被带更多正电荷的栅格收集。带更多负电荷的 栅格为“非收集”栅格，而带更多正电荷的栅格为“收集”栅格。由于电容性电荷耦合，剩余 的空穴在两个栅格感生出电荷。然而，由于两个栅格为剩余的空穴提供基本相等的区域，两 个栅格的电容性感生信号基本相同。如果每个栅格感生的电流通过两个不同的电子通道测 量，其可以被相互减去。结果，在对不同信号进行积分之后，纯电子电荷信号还存在，而由空 穴感生的电荷被抵消。图1示出了根据本发明的第一实施例的用于辐射探测器100的方法。应该注意到， 在该表示中，仅仅示出了一个单一的体素V，尽管探测器具有大量这样的体素V。辐射探测 器100包括下述部件-转换器元件130，例如，如31、66、6&48、取1、〔211(碲锌镉)和/或CdTe的直接 转换材料的立方体块，在该转换器元件中将入射X射线X转换为电信号。该信号将通常由 传导带中的电荷组成，该传导带可以在电场的影响下移动。通过向转换器元件的相对的侧 (在图中为顶面和底面)施加不同的电势在转换器元件130中生成这样的电场E。-电极系统ES(仅示出了其中的一个)，其每个由两个分离的电极111、121组成。 这些电极在下面将被称为“主电极” 111 (或“收集电极”，参照其电子收集性能)和“辅助电 极” 121 (或“非收集电极”)。在所示出的示例中，主电极或收集电极由多个平行条状物111组成。类似地，辅助 电极或非收集电极由多个平行条状物121组成，所述条状物121被布置为平行于上述主电 极的条状物111并与之相交替。主电极的条状物111在一个末端被连接元件112电连接； 类似地，辅助电极的条状物121在相对末端被连接元件122电连接。在使用辐射探测器的过程中，(通常)将主电极111和辅助电极121作为阳极，对 应的阴极被置于转换器元件130的相对侧(在图中为底侧)。-读出电路140，其在图中仅示意性地示出，并且电连接到主电极和辅助电极。在读出电路140中，在收集电极111和非收集电极121上感生的信号的差异被读 出。因此，在差分信号中，任何所捕获电荷(无论正电荷或负电荷)的感生信号消失。另外，减法仅需要与阳极侧非常接近并且因此实际上仅在收集电极111上感生电荷的电荷真 正地对所测信号有贡献。假设仅仅捕获空穴，该方法提供了一种设备，其仅测量电子的信 号，从而消除在例如Cd[Zn]Te中空穴的非常低的可动性的不利影响，并因此消除了作为结 果的空穴捕获的较高风险。然而，要当心所测脉冲的总噪声的增加，其可能由于从两个模拟 信号中减去不相关噪声而发生。实现如图1中的设备的困难在于提供电极系统ES的非常小的共面栅格结构，从而 使得包括必要间隙的、在彼此之后平行放置的共面栅格的所有条状物所覆盖的距离不大于 大约1mm。这一约束主要由下列给出保持由电极系统ES限定的探测器体素大小的需要， 以及转换器元件130的材料的厚度要小到足以使得探测器体素V中的计数率仍然被限制。 如果对若干探测器层进行设计(如下面结合图4所描述的)，这一大小的探测器体素体积仍 然导致可接受的计数率，从而使得同样在直接射束中，仅仅顶部探测器层的体素经历一计 数率，该计数率如此之高以致发生饱和(即，直接转换材料或读出电子器件中的任一个都 不能将独立脉冲相分离，并且能量分辨光子计数不再可能)。满足上述要求的直接方法为图1的设计，其中，收集电极的各个条状物111与已经 在转换器材料上的金属连接元件112相连接，并且对于非收集栅格的各个条状物121是类 似的。然而，将各个条状物111、121相连接的金属结构112、122在某种程度上削弱了“理 想”操作，这是由于在这些结构上也可以感生出电荷。特别地，如果电荷堆积于互连的金属 结构112或122之上的体素V的边缘，则当电荷仍然远离阳极侧时，在收集电极和非收集电 极上感生的信号已经有很大不同，正如图1中所示。因此，即使离阳极的距离很大时，堆积 于探测器体素V的边缘的电荷将引起收集电极和非收集电极之间的非零差分信号，这是应 该被避免的。因此这里提议优选地仅将独立的平行条状物设置于转换器体材料上，并经由无论 如何必须与电极相结合的读出电子器件提供互连。这在图2中以辐射探测器200的顶视图 的形式更详细地示出。示出了转换器材料230的两个体素V，主电极211和辅助电极221设 置于这两个体素之上，而阴极235在其后侧。每个独立的电极条状物211、221经由凸点球 213与读出ASIC(专用集成电路)的结合垫相结合，并在读出ASIC 240内互连(参照图的 右手侧)。另外，在读出电路240上提供外部结合垫B以用于进一步的连接。应该注意到，为了清晰的缘故，在图2中以及在其后的附图中，主/辅助电极的附 图标记211、221等仅绘在单个的有代表性的子单元上，而“电极”实际上为所有相关联的子 单元的集合。所示出的连接机制的替代方案可以为在转换器材料上的2层金属化处理(一层用 于连接电极条状物而另一层用于提供结合垫)，在下面结合图5到图9将此描述为本发明的 另一实施例。其具有的优势在于即使较薄(并且也可能较小)的条状物(相邻条状物之间 的距离较小)也可以被设置于直接转换材料上。对于该方法，必须留心的是，Cd[Zn]Te仅 允许相对低的处理温度(≤170°C )。图2的实施例意味着对于每个条状物211、221，在读出电子器件ASIC240上需要结合垫。图3以探测器300的电极系统ES的侧视图的方式示出了对应的电极几何结构，所述电极系统ES包括主电极311和辅助电极321的条状物(该探测器可以例如以水平照射模 式使用，其中，X射线将从y方向入射)。假设条状物宽度w为大约50 y m (且例如其长度L为 达到1謹)并且条状物距离d为大约40. 9 iim，在给定1謹(1謹=llX50iim+llX40. 9iim) 的像素节距的情况下，能够(以所要求的隔行方式)设置六个非收集辅助电极321以及五 个收集主电极311。以这样的组合，每个像素(像素每个均由一个电极系统ES所覆盖的区域限定)由 非收集辅助电极321的最外面的条状物封闭，以提供相邻像素的一些解耦合。应该注意到， 可以保持用于结合的所得到的节距适度(即，甚至大于^.gym+SOiim)，这是由于用于连 接收集电极的条状物的结合垫可以在不同的条状物之间被交错排列，即，不需要像用于非 收集电极的那些那样在相同的线上(从而为每个结合垫提供更多空间)。为了提高结合率， 对于每个电极条状物，可以提供多于一个结合垫。在操作期间，与收集主电极相比，非收集辅助电极在较低的电势上，以便以这样的 方式改变转换器材料体内的电场，使得电荷被操纵向着收集电极条状物并被驱动远离非收 集电极条状物。因此，优选地使隔离层或钝化层位于非收集辅助电极和转换器材料体之间，而收 集电极必须具有与体材料的足够的(导电)电接触，从而可以经由收集电极的金属将转换 器材料内生成的电荷排出。钝化层的另一优势在于可能使非收集电极的各个条状物短路。 因此，对于非收集电极，仅需要一个凸点球连接。钝化层的另一优势在于对电极设计的几何约束较少。例如，收集电极可以具有如 在图11中所示出的棋盘图案。图4示出了由限定——在多板边接组合中的板上——具有四个像素P的体素V的 共面电极栅格结构构成的电极系统ES的示例性布置，其中，每个像素P具有四层。这里像 素大小为b(=lmm)X “板的厚度r”。在辐射入射方向，所述层具有11 = 500 y m、12 = 800 ii m、13 = 800 u m, 14 = 900 u m 的递增厚度。以图4的探测器400的尺寸，对直接射束照射的最大计数率进行模拟。对于两个 较低的层，计数率远低于lOMcps (对于90kVp、400mA，带有射束整形器)。从而在直接射束 照射中，仍然有可能估计单个光子的能量，这是由于材料和读出电子器件应该能够应对这 一范围内的计数率。通过容纳饱和层，即使顶层处于饱和状态并且不对数据估计有贡献，仍 然能够估计入射谱。对于较高的管电压(例如，150kVp)，需要不同的层设计，例如，层厚度为2000iim、 1000iim、500iim和500 y m(沿辐射入射方向)以确保至少两层在直接射束中经历低 于lOMcps的计数率。替代方案可以为例如每层为500 ym的八层(假设像素大小为 1000 umX 1000 um)。图5到图9示出了根据本发明的另一实施例的辐射探测器500的连续的制作步 骤。在这一设计中，两层结构方法被用于限定单个电极系统或像素的共面栅格结构。这是 以这样的方式进行的，使得第一层限定形成收集(主)电极和非收集(辅助)电极的两组 平行条状物，而在第二层进行相同电极的条状物之间的连接，所述连接也提供用于结合读 出ASIC的结合垫。由于现在仅必须留心转换器材料上的光刻处理的限制，有可能限定更薄的条状物
11以及更短的条间距，例如，距离为5 y m的10 P m薄的条状物，这进一步改进了所得到的加权 电势，并有助于达到收集电极和非收集电极之间所需的电势差的进一步减少。在所提到的 尺寸的情况下，六个非收集条状物和五个收集条状物可以例如被布置成大约150 X 150 u m2 大小的像素(即，可以达到与上述具有1mm节距的像素示例中相同数量的收集条状物和非 收集条状物)。这使得限定甚至小于所提到的1 X 1mm2的像素成为可能，这尤其对于X射线探 测器是有利的，所述探测器最常用于投影成像并由此需要不大于150 u mX 150 y m乃至 100 umX 100 u m的像素节距。假定500 y m厚的CdTe (这可容易地获得)，看起来有可能设 计具有这样小的像素的探测器。图5到图9示出了用于在如Cd[Zn]Te的直接转换材料上用两层金属处理建立单 个像素的光刻步骤的可能顺序。图5示出了在转换器元件530体上的用于非收集电极的钝化525的设置。为简单 起见，下面的附图仅示出转换器元件530的表面。图6示出了直接在体材料530的顶部上的收集电极条状物511的设置。图7示出了在钝化条状物525的顶部上的非收集电极条状物521的设置。图8示出了用金属对通孔513和523的填充(嵌入这些通孔的介电材料未示出)。图9示出了分别连接条状物511和521的连接线512、522的设置。另外，其示出 了所需的两个结合垫扎和民。的设置，在下一步骤(未示出)中，读出电路可以被连接至所 述结合垫。在像素节距为150 ym的情况下，结合垫节距将在(可行的)75 y m的范围内。对 于lOOym节距的像素，可能需要使用如在图10中所示的用于辐射探测器600的替代布置， 其中，结合垫B。和Bn。被定位于电极系统的斜对角上。已经提到，除了条状物几何结构的其他电极设计也是可能的。这样的设计可以例 如有助于由在靠近电极系统的转换器元件中生成的空穴所感生的电荷在主电极和辅助电 极之间更对称地分布。另外，替代设计可以允许主电极和辅助电极之间的较低电压差，由此 降低噪声。在图11中示出了用于探测器700的替代电极系统ES的一个示例。在这个设计中， 收集主电极711在电极区域中以棋盘图案延伸，其在图中由对应于金属垫的黑色方块表示 并具有小的重叠。在图中，浅色方块对应于“间隙”，即电极区域中的(内部)空穴G。在这 些空穴中，转换器块730的表面没有被主电极覆盖。通过钝化层725上的邻接的金属面可以 实现相补充的非收集电极721，例如，在设置于主电极711和转换器块730的表面之上的苯 并环丁烯(BCB)层上。然而，为了降低电容并使钝化层的电击穿的风险最小化，非收集电极 也可以以空穴为特征。这些空穴优选地定位于收集主电极的金属化区域之上。钝化层725 仅需要用于收集主电极711的通孔(和结合垫)的一个开口(未示出)，这在考虑凸点结合 处理的有限产率的情况下对于探测器制作是有益的。这一解决方案的独特优势在于如下事 实栅格结构不仅聚焦于一个方向(例如，垂直于上述实施例的条状物)，而且聚焦于两个 方向。由此，与对应的条状物节距相比，方块间的节距可以更大。尽管辐射探测器700将优选地包括多个如上述设计中的这样的电极系统，其可以 仅包括一个图11中示出的单个电极系统ES。
12
在图12中示出的辐射探测器800为使用非条状物电极几何结构的另一示例。如 上述设计中的，辐射探测器800包括转换器元件830，在其上以规则图案布置多个电极系统 ES。在所示出的示例中，每个电极系统ES填充像素P的六角形区域，所述六角形像素P组 合成蜂窝式棋盘形布置。另外，每个电极系统ES包括主电极811和辅助电极821。主电极和辅助电极每个 均由等边三角形形式的子单元(子阳极)组成，这些子单元以交替方式布置以填充电极系 统ES的六角形区域。由此，与图1-图10的条状物几何结构相比，辐射探测器800达到了 较高程度的旋转对称性。该图仅示意性地表示了每个像素P的主电极811和辅助电极821与读出电路840 的连接。如之前的实施例中的，读出电子器件840测量源自主(收集)子阳极和辅助(非 收集)子阳极的信号之间的差异。主子阳极811被保持在例如GND电势，而辅助子阳极821 被保持在负电势(通常不如阴极的电势低)，从而确保电场将电子从转换器元件的几乎整 个体积引导到收集子阳极。辐射探测器800中的电极系统ES为更普遍的设计原理的一个示例，所述设计原理 的特征为以下事实在电极系统ES的区域(xy平面)内的每个方向，主电极和/或辅助电 极被中断一次或(优选地)多次。特别地，辐射探测器800为主电极811和辅助电极821 二者在每个方向具有多次中断的示例。相反，图11中的辐射探测器700为仅辅助电极721 在每个方向被反复中断的示例。由于电容性感生电荷在收集子阳极和非收集子阳极之间分布得更加均勻，可以有 利地将具有上述特征的图案化电极结构与栅格结构相比较。这意味着收集子阳极和非收集 子阳极的信号之间的差异被最小化(理想地到零)，并且光电峰将变得更加锐利。另外，六 角形像素形状可以减少相邻像素间所共享的电荷，由此降低低能拖尾。可以使用3金属层处理或通过将其在读出ASIC上互连使主电极811的三角形收 集子单元相互连接，如上所述地将所述读出ASIC结合到材料上。由于属于收集子阳极和非收集子阳极的等边三角形的顶点相互之间非常靠近，图 12中所示出的设计可能在顶点的邻域中引起非常高的电场。这可以通过以轻微地增加非金 属化区域为代价使用圆形顶点(未示出)来减轻。假定六角形像素P的面积为1mm2，三角 形面积将为大约lmm2/24 = 41700 y m2，三角边将为219. 3 y m，而间隙宽度为在20 y m的范 围内。在避免高电场强度的方法中，仅可以使用圆形形式的子单元。由于这可以引起对 对称性的一些干扰，可以使用圆形或者半圆形形式的子单元，其中，将半圆形例如随机布 置，这是由于其轻微地干扰六角形对称性。在图13中示出的辐射探测器900中实现了这样 的实施例。该探测器与探测器800的相同之处在于其包括布置于转换器元件930上的六角 形电极系统ES (组成像素P)。然而，主电极911和辅助电极921的子单元具有圆形和随机 分布的半圆形的形式。尽管在图12和图13中示出了多个电极系统ES，电极系统的相应设计也可以被应 用到仅具有单个电极系统的辐射探测器中。所描述的探测器设计特别适合于光子计数谱CT。探测器响应于在20和140keV之 间的医学相关能量范围中的每个能量的低能拖尾越短，基于光子计数的能量分辨谱CT系统的性能越好。为了达到这一点，在这里提议使用共面电极栅格来限定像素化阳极。对于 每个像素，共面电极方法需要形成由收集电极和非收集电极生成的信号之间的(模拟)差
B. 升。另外，本发明可以被应用于预期良好的能量分辨率的使用能量分辨计数探测器的 所有X射线探测系统，尤其用于医学成像和医学计算机断层摄影。最后指出，在本申请中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排 除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明存在于每个新颖的 特征特性特征，以及这些特性特征的每个组合。另外，权利要求中的附图标记不应该被理解 为限制其范围。
权利要求
一种辐射探测器(100-900)，包括a)转换器元件(130-930)，其用于将入射辐射(X)转换为电信号；b)多个电极系统(ES)，其被布置在所述转换器元件上，每个电极系统包括主电极(111-911)以及与所述主电极电隔离的辅助电极(121-921)；c)读出电路(140-940)，其被独立地连接到所述主电极和所述辅助电极，以用于向它们施加电势。
2.一种用于制作辐射探测器(100-900)的方法，所述方法包括如下步骤a)在转换器元件(130-930)上设置多个电极系统(ES)，使得每个电极系统包括主电极 (111-911)以及与所述主电极电隔离的辅助电极(121-921)。b)将读出电路(140-940)独立地连接到所述主电极和所述辅助电极。
3.根据权利要求1所述的辐射探测器(100-900)或者根据权利要求2所述的方法， 其特征在于，至少一个电极系统(ES)的所述主电极(111-911)和所述辅助电极(121-921)被布置在厚度为例如小于大约10 ym的公共平面层上。
4.根据权利要求1所述的辐射探测器(800-900)或根据权利要求2所述的方法， 其特征在于，所述电极系统(ES)在所述转换器元件(830-930)上以二维六角形图案布置。
5.根据权利要求1所述的辐射探测器(100-600)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个主电极(111-611)和/或辅助电极(121-621)包括多个平行条 状物。
6.根据权利要求5所述的辐射探测器(100-600)或方法，其特征在于，以交替方式布置这样的主电极(111-611)和这样的辅助电极(121-621) 的平行条状物。
7.根据权利要求1所述的辐射探测器(100-900)或根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个主电极(111-911)和/或辅助电极(121-921)由布置于公共平 面中的多个子单元组成。
8.根据权利要求7所述的辐射探测器(100-900)或方法，其特征在于，每个子单元带有设置于所述公共平面之上的接触端点(213、513、523、 613,623)。
9.根据权利要求7所述的辐射探测器(100-900)或方法，其特征在于，子单元通过在离所述子单元的所述公共平面一距离处延伸的连接元件 (512、522、612、622)相互电耦合。
10.根据权利要求1所述的辐射探测器(100-900)或根据权利要求2所述的方法， 其特征在于，隔离层(525、725)被设置于所述转换器元件(130-930)和至少一个辅助电极(121-921)之间。
11.根据权利要求1所述的辐射探测器(100-900)或根据权利要求2所述的方法， 其特征在于，至少一个主电极和/或辅助电极(121-921)沿对应的电极系统的两个相对的侧延伸。
12.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个主电极(111-911)和/或辅助电极(121-921)的设置包括如下步骤al)将多个子单元设置于所述转换器元件(130-930)上的公共平面中；a2)在所述子单元中设置接触端点(513、523、513、623)；a3)在所述接触端点上设置连接元件(512、522、612、622)，使得所述子单元被电耦合。
13.一种辐射探测器(700)，其尤其根据权利要求1，其包括a)转换器元件(730)，其用于将入射辐射转换为电信号；b)电极系统(ES)，其被布置于所述转换器元件上并且包括主电极(711)以及与所述主 电极电隔离的辅助电极(721)，其中，所述主电极(711)包括具有至少一个空穴(G)的电极 区域；c)读出电路(740)，其连接到所述主电极和所述辅助电极，以用于向它们施加电势。
14.一种辐射探测器(700、800、900)，其尤其根据权利要求1或权利要求13，其包括a)转换器元件(730、830、930)，其用于将入射辐射转换为电信号；b)电极系统(ES)，其被布置于所述转换器元件上并且包括主电极(711、811、911)以及 与所述主电极电隔离的辅助电极(721、821、921)，其中，在所述电极系统的区域中的每个方 向，将所述主电极(811，911)和/或所述辅助电极(721、821、921)中断；c)读出电路(740、840、940)，其被连接到所述主电极和所述辅助电极，以用于向它们 施加电势。
15.一种用于利用辐射对对象进行检查的检查装置，其包括根据权利要求1、权利要求 13或权利要求14所述的辐射探测器(100-900)。
全文摘要
本发明涉及包括转换器元件(530)和布置于所述元件上的多个电极系统(ES)的辐射探测器(500)，其中，每个电极系统包括连接到读出电路的主电极(511)和辅助电极(521)。特别地，通过在公共平面中延伸的平坦、平行条状物实现所述主电极和辅助电极，其中，所述条状物在所述平面之上电连接。
文档编号G01T1/36GK101858983SQ20101015643
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月6日 优先权日2009年4月6日
发明者C·博伊默, C·赫尔曼, K·J·恩格尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司