DE4418391C2 - Strahlungsmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsmeßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Eine solche Strahlungsmeßvorrichtung ist aus der EP 0 523 783 A1 bekannt.

Die derzeit zur Verfügung stehenden Strahlungsmeßvorrichtun­ gen, wie sie etwa bei Röntgentomographen verwendet werden, bestehen im wesentlichen aus einem Szintillator, der die ein­ fallende Strahlung in Licht umsetzt, und einem photoelektri­ schen Wandler, der das Licht vom Szintillator in elektrische Signale umwandelt. Diese Komponenten sind durch einen durch­ sichtigen Kleber fest miteinander verbunden. Ein solcher Strahlungs-Festkörperdetektor ist für sein hohes S/R-Ver­ hältnis (Signal-Rausch-Verhältnis) bekannt.

Um einen solchen Festkörperdetektor zu schaffen, werden auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats, auf dem sich ein Photodiodenarray befindet, mittels des Klebers Szintillatoren angeordnet, die jeweils einer Photodiode zugeordnet sind und die durch Trennplatten voneinander getrennt sind.

Bei dieser Strahlungsmeßvorrichtung sind jedoch die Ausgangs­ signale der einzelnen Dioden wegen Ungleichmäßigkeiten in der Ausrichtung der Szintillatoren in Bezug auf das Halbleiter­ substrat und aufgrund von Schwankungen in der Dicke der durchsichtigen Kleberschicht zwischen dem Szintillator und dem Halbleitersubstrat nicht gleich groß.

Insbesondere schwankt die lineare Charakteristik des Szintil­ lators (die von der Strahlungsenergie abhängige Empfindlich­ keit) in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der einfallenden Strahlung. Diese Charakteristik ist bei einem Szintillator aus einem polykristallinen Sinterstoff (nachfolgend als Kera­ mikszintillator bezeichnet) ausgeprägter als bei einem ein­ kristallinen Szintillator.

Der Kleber hat nicht nur die Funktion des Befestigens der Szintillatoren am Halbleitersubstrat, sondern er dient auch dazu, das von den Szintillatoren erzeugte Licht besser in die Photodioden einzuleiten. Dies erfordert es, daß sowohl die Ausrichtung der Szintillatoren in Bezug auf die einzelnen Photodioden als auch die optischen Eigenschaften des Klebers gleichmäßig sind.

Da der Kleber jedoch flüssig ist, wenn die Szintillatoren auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht werden, ist es schwierig, die Kleberschicht über die gesamte Fläche gleichmäßig auszu­ bilden.

Deshalb sind bei der Strahlungsmeßvorrichtung, die aus der eingangs genannten EP 0 523 783 A1 bekannt ist, in der Kle­ berschicht Abstandshalter in der Form von Glaskugeln oder Glasfasern vorgesehen, die dafür sorgen, daß die Kleber­ schicht auf der ganzen Fläche der Strahlungsmeßvorrichtung überall gleich dick ist.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß damit die optischen Eigenschaften der Strahlungsmeßvorrichtung immer noch nicht ganz gleichmäßig sind.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die be­ kannte Strahlungsmeßvorrichtung so ausgestalten, daß die op­ tischen Eigenschaften, insbesondere die Linearität und Emp­ findlichkeit der Strahlungsmeßvorrichtung gleichmäßig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten, Reflexionen verhindernden Schicht zwischen photoelektrischem Wandler (Photodiode) und Kleber gelöst, da diese Schicht dafür sorgt, daß weniger Licht an der Grenzfläche Kleber-Wandler reflektiert wird. Damit erhöht sich nicht nur unmittelbar die Empfindlichkeit der Strahlungsmeßvorrichtung, sondern es wird auch verhin­ dert, daß anfänglich reflektiertes Licht nach mehrmaliger Reflexion und nicht kontrollierbarer Abschwächung doch noch in den Wandler eintritt.

Die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen verbessern die optischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Strahlungs­ meßvorrichtung dadurch weiter, daß die Oberfläche des Wand­ lers durch die relativ weichen Abstandshalter des Anspruchs 2 nicht mehr beschädigt werden kann, und daß die Abstandshalter des Anspruchs 3 eine Streuung des Lichts verhindern.

Die Strahlungsmeßvorrichtung wird anhand der Zeichnung bei­ spielhaft näher erläutert.

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausfüh­ rungsform der Strahlungsmeßvorrichtung;

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II′ in Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch wesentliche Teile einer Strahlungsmeßvorrichtung zum Erläutern des Herstellverfahrens;

Fig. 4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von Fig. 1;

Fig. 5 ist eine teilweise vergrößerte, Fig. 4 entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Strahlungsmeßvorrichtung; und

Fig. 6 ist eine teilweise vergrößerte, Fig. 4 entsprechende Ansicht noch einer anderen Ausführungsform einer Strahlungsmeßvorrichtung.

Gemäß Fig. 1 weist eine Strahlungsmeßvorrichtung eine gedruckte Schaltungsplatte 4, einen photoelektrischen Wandler 10, der auf der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatte 4 ausgebildet ist, und einen Szintillator 1 auf, der auf der Oberfläche des photoelektrischen Wandlers 10 ausgebildet ist, wobei eine Kleberschicht 9 dazwischen liegt. Der Szintillator 1 weist mehrere Szintillatorelemente 1a, 1b, . . ., 1n auf, die jeweils über rechteckigen Querschnitt verfügen, durch Unter­ teilungsplatten 2 in y-Richtung unterteilt sind und die sich in x-Richtung so erstrecken, daß sie Seite an Seite angeord­ net sind. Die Kleberschicht 9 weist mehrere Kleberschicht­ elemente 9a, 9b, . . ., 9n auf, die durch die Unterteilungs­ platten 2 unterteilt sind, wie in Fig. 2 dargestellt, und die dazu verwendet werden, den Szintillator 1 und den photo­ elektrischen Wandler 10 miteinander zu verbinden. Mehrere kugelförmige Abstandsstücke 12 gleicher Größe sind in jedes der Kleberschichtelemente 9a, 9b, . . ., 9n eingebettet, wie in Fig. 4 dargestellt. Der photoelektrische Wandler 10 weist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ausgehend von der Seite der gedruckten Schaltungsplatte 4, eine Elektrode 15, ein aus einem n-Halbleiter wie Silizium bestehendes Substrat 3, eine p-Fremdstoffdiffusionsschicht 5, eine Elektrode 6 und eine Reflexionen verhindernde Schicht 7 auf, die aus einer Siliziumoxidschicht besteht. Die Fremdstoffdiffusions­ schicht 5, die Elektrode 6 und die Reflexionen verhindernde Schicht 7 weisen mehrere Fremdstoffdiffusionsschicht-Elemen­ te 5a, 5b, . . ., 5n, mehrere Elektrodenelemente 6a, 6b, . . . 6n sowie mehrere Reflexionen verhindernde Schichtelemente 7a, 7b, . . ., 7n auf. Das Substrat 3 und die Fremdstoffdiffu­ sionsschicht 5 bilden eine Photodiode.

Die Szintillatorelemente 1a, 1b, . . ., 1n können aus einem Einkristall wie einem solchen aus NaJ, CsJ, CdWO₄, ZnWO₄ und BGO oder aus einem keramischen Szintillator wie Gd₂O₂S:Pr, Gd₂O₂S:Eu und Gd₂O₃:Eu bestehen. Diese Szintillatoren sind ungefähr 1-5 mm dick.

Die Kleberschichtelemente 9a, 9b, . . ., 9n weisen hohe Trans­ parenz und hohes Lichtdurchlaßvermögen auf, und sie können aus einem Kunststoff wie einer Acrylverbindung, Epoxid oder Colophonium mit einem Brechungsindex von 1,5 bis 2,0 beste­ hen. Diese Kleberschichtelemente werden vorzugsweise dünn ausgebildet. Zu diesem Zweck kann vorzugsweise ein Verdünnungsmittel verwendet werden, um die Viskosität zu erniedri­ gen.

Das Verbinden des photoelektrischen Wandlers 10 und des Szintillators 1 erfolgt so, daß das Szintillatorelement 1 noch nicht unterteilt ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Danach wird der Szintillator 1 unter Verwendung einer Schneideinrichtung mit Gräben versehen, die bis in einen Teil des photoelektrischen Wandlers 10 reichen. Untertei­ lungsplatten 2 werden in diese Gräben eingesetzt, um eine Struktur zu bilden, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

Beim Verbinden des noch nicht unterteilten Szintillators 1 mit dem Licht-Elektrizität-Wandler 10 wird ein Klebemittel auf die Oberfläche eines dieser Teile aufgetropft, und das andere wird auf die Oberfläche aufgesetzt, die mit dem Kle­ ber versehen ist. Dann werden der Szintillator 1 und der photoelektrische Wandler 10 gegeneinander gepreßt, damit sich der Kleber gleichmäßig verteilt.

Wenn Röntgenstrahlung aus der in Fig. 1 dargestellten Rich­ tung in den Szintillator 1 eintritt, wandeln die Szintilla­ torelemente 1a, 1b, . . ., 1n die einfallende Röntgenstrahlung in Licht um, das dann durch die Kleberschichtelemente 9a, 9b, . . ., 9n und die Reflexionen verhindernden Schichtelemen­ te 7a, 7b, . . ., 7n läuft und auf die Fremdstoffdiffusions­ schichtelemente 5a, 5b, . . ., 5n trifft, die Teile der Photo­ diode bilden. Die Photodiode erzeugt elektrische Ladungen abhängig von der empfangenen Menge einfallenden Lichts, was bewirkt, daß zwischen den Elektroden 6 und 15 ein Strom fließt. Dieser Strom entspricht der in den Szintillator 1 eingedrungenen Menge an Röntgenstrahlung.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, sind in jedem der Kleber­ schichtelemente 9a, 9b, . . ., 9n mehrere kugelförmige Ab­ standsstücke 12 angeordnet. Wenn der nicht unterteilte Szin­ tillator 1 und der photoelektrische Wandler 10 unter Druck zusammengehalten werden, wird der Kleber, der die Kleber­ schicht 9 zwischen ihnen bildet, zum Rand der Kontaktflächen herausgedrückt, so daß der Abstand zwischen dem Szintillator 1 und dem photoelektrischen Wandler 10, d. h. die Dicke der Kleberschichtelemente 9a, 9b, . . ., 9n, durch die Größe der Abstandshalter 12 festgelegt wird. Anders gesagt, entspricht die Dicke der Klebemittelschicht der Größe der Abstandshal­ ter 12.

Der Abstandshalter 12 kann aus einem vernetzten Polymer aus einem hochmolekularen Harz mit hoher Transparenz bestehen, wie aus Acrylverbindungen, Epoxid und Divinylbenzol. Im Er­ gebnis entspricht der Brechungsindex des Abstandshalters 12 beinahe demjenigen der Kleberschichtelemente 9a, 9b, . . . 9n, und seine Härte ist relativ gering, was ein Zerbrechen des photoelektrischen Wandlers 10 verhindert.

Ein idealer Kleber, in den Abstandshalter 12 eingemischt sind, enthält z. B. ein Epoxidharz vom Typ Bisphenol A, einen modifizierten Aminepoxidharz- Härter, ein reagierendes Verdün­ nungsmittel sowie Abstandshalter aus vernetztem Polymerharzdivinylbenzol im Gewichtsverhältnis 1,0 : 0,75 : 0,25 : 0,015.

Im allgemeinen gehören zu den Optimumsbedingungen für den Kleber geringe Wellenlängenselektivität im Lichtwellenlän­ genbereich (400-900 nm) des Szintillators 1, eine hohe Transparenz, um für einen hohen Lichttransmissionsfaktor zu sorgen, derselbe Brechungsindex, wie ihn die Abstandshalter 12 aufweisen, der dicht bei dem des Szintillators 1 und der Reflexionen verhindernden Schicht 7 liegt.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau, der dem in Fig. 4 dargestellten ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß die aus den Kleber­ schichtelementen 9a, 9b, . . ., 9n bestehende Kleberschicht 9 eine andere Kleberschicht 13 mit Kleberschichtelementen 13a, 13b, . . ., 13n aufweist. Die Kleberschicht 13 dient dazu, die Abstandshalter 12 vorab am Szintillator 1 zu befestigen, damit sie sich nicht bewegen können und gleichmäßig verteilt werden.

Der Kleber, der die Kleberschicht 13 bildet, enthält vor­ zugsweise Epoxidharz vom Typ Bisphenol A, einen modifizierten Aminepoxidharz-Härter und ein reagierendes Verdünnungsmit­ tel im Gewichtsverhältnis 1,0 : 0,75 : 0,25.

Die Abstandshalter 12 können auf die folgende Weise am Szin­ tillator 1 befestigt werden. Ein Kleber wie eine Acrylver­ bindung, Epoxid oder Colophoniumharz mit hohem Brechungs­ index (n = 1,5 bis 2,0) wird mit einem Verdünnungsmittel (organisches Lösungsmittel wie Aceton, Toluol oder Xylol) verdünnt und mit Abstandshaltern 12 vermischt. Der mit Ab­ standshaltern vermischte verdünnte Kleber wird sehr dünn auf die zu verklebende Fläche des Szintillators 1 entweder durch Aufsprühen, Drucken, Walzbeschichten, Schleuderbeschichten oder unter Verwendung eines Mikrospenders aufgetragen.

Der mit den Abstandshaltern 12 wie vorstehend beschrieben versehene Szintillator 1 wird in einem Elektroofen erwärmt, um das in den Kleberschichtteil 13 eingemischte Verdünnungs­ mittel (organisches Lösungsmittel wie Aceton, Toluol oder Xylol) zu verdampfen und den Kleber auszuhärten. Das Aushär­ ten des Klebers erfolgt vorzugsweise im Zustand eines Vorab­ bindens. Das heißt, daß der Kleber nicht vollständig ausge­ härtet wird, sondern nur vorabgebunden wird, damit er beim erneuten Erhitzen aushärtet. Wenn z. B. ein Epoxidkleber verwendet wird, werden ein Epoxidharz vom Typ Bisphenol A, modifizierter Aminepoxidharz- Härter, ein Verdünnungsmittel (Toluol) und kugelförmige Abstandshalter aus vernetztem Po­ lymerharzvinylbenzol im Gewichts­ verhältnis 1 : 0,5 : 0,4 : 0,015 vermischt. Die Mischung wird auf den Szintillator aufgesprüht, der dann im Elektro­ ofen erwärmt wird. Um ein Vorabbinden zu erzielen, erfolgt ein Erwärmen auf 60-80°C für 10-5 Minuten. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, soll die Menge des aufzutragenden Klebermaterials dergestalt sein, daß die Dicke der Kleber­ schicht nicht größer als der Durchmesser der verwendeten Abstandshalter 12 ist.

Fig. 6 zeigt den Fall, daß die Abstandshalter durch die Kle­ berschicht 13 nicht am Szintillator sondern am photoelektri­ schen Wandler 10 befestigt sind. Auch in diesem Fall werden ähnliche Wirkungen wie im Fall von Fig. 5 erzielt.

Wie vorstehend beschrieben, wird beim Aufbau dieses Ausführungsbeispiels die Kleberschicht 9, die zwischen das Halbleitersubstrat 3 und den Szintillator 1 eingefügt wird, um sie miteinander zu verbinden, mit Abstandshaltern 12 ver­ mischt, die einen Durchmesser aufweisen, der der Dicke des Kleberschichtteils 9 entspricht.

Daher wird die Dicke der Kleberschicht 9, wenn der Szintil­ lator 1 und der Licht-Elektrizität-Wandler 10 gegeneinander gedrückt werden, wobei ein flüssiger Kleber dazwischen liegt, durch den Durchmesser der Abstandshalter 12 bestimmt.

So weist die Kleberschicht 9 über die gesamte Fläche gleich­ mäßige Dicke auf, wodurch die Ausrichtungen der verbundenen Szintillatorelemente 9a, 9b, . . ., 9n und die optischen Eigenschaften der Kleberschicht 9 gleichmäßig gehalten wer­ den.

Da sich der Druck zwischen dem Szintillator 1 und dem photo­ elektrischen Wandler 10 nicht auf einen speziellen Ort kon­ zentriert, sondern da er abhängig von der Anzahl verwendeter Abstandshalter 12 verteilt wird, kann verhindert werden, daß die Oberfläche des photoelektrischen Wandlers 10 zerstört wird.

Während das vorstehende Ausführungsbeispiel kugelförmige Ab­ standshalter 12 verwendet, ist es auch möglich, Abstandshal­ ter anderer Form zu verwenden, wie stab- oder rohrförmige Abstandshalter, um ähnliche Ziele zu erreichen.

Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel sind auf der Oberflä­ che des Halbleitersubstrats 3 - auf der Photodioden in einem Feld angeordnet sind - Szintillatoren 1 angeordnet, die von­ einander durch die Unterteilungsplatten 2 so getrennt sind, daß sie den zugeordneten Photodioden entsprechen, wobei die Kleberschicht 9 zwischen dem Substrat und dem Szintillator angeordnet ist. Die Erfindung kann auch auf andere Anordnun­ gen angewandt werden, bei denen z. B. der Szintillator an der Oberfläche einer Photodiode mit einem einzelnen Element befestigt ist. In diesem Fall können dann, wenn diese Seite an Seite angeordnet werden, ihre Eigenschaften gleichmäßig ausgestaltet werden (insbesondere die Anordnungsausrichtun­ gen der Szintillatoren und die optischen Eigenschaften des Klebers).

Zusammengefaßt ist demgemäß festzustellen, daß es bei einer erfindungsgemäßen Strahlungsmeßvorrichtung möglich ist, daß die Anordnungsausrichtungen der Szintillatorelemente in be­ zug auf den photoelektrischen Wandler sowie die optischen Eigenschaften des transparenten Klebers, der zum Befestigen der Szintillatoren verwendet wird, gleichmäßig gemacht wer­ den können.

Da es ersichtlich ist, daß gegenüber den vorstehend be­ schriebenen Einzelheiten viele Änderungen und Modifizierun­ gen vorgenommen werden können, ohne von der Art und dem Geist der Erfindung abzuweichen, ist zu beachten, daß die Erfindung nicht durch die hier beschriebenen Einzelheiten beschränkt ist.

Claims (4)

1. Strahlungsmeßvorrichtung mit

• - mindestens einem Szintillatorelement (1a, 1b, . . ., 1n) zum Umwandeln von einfallender Strahlung in Licht;
• - einem photoelektrischen Wandler (10) zum Umwandeln des Lichts in ein elektrisches Signal;
• - mindestens einem lichtdurchlässigen Kleberschichtele­ ment (9a, 9b, . . ., 9n) zwischen dem jeweiligen Szintillator­ element und dem photoelektrischen Wandler, um diese miteinan­ der zu verbinden; und mit
• - einer Anzahl von lichtdurchlässigen Abstandshaltern (12) in der Kleberschicht, die größenmäßig im wesentlichen der Dicke der Kleberschicht entsprechen;

dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler (10) eine Reflexionen verhindernde Schicht (7a, 7b, . . ., 7n) aufweist, die so auf seiner Oberfläche ausgebildet ist, daß sie mit der Kleberschicht (9a, 9b, . . ., 9n) in Kontakt steht.

2. Strahlungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtdurchlässigen Abstandshalter (12) aus einem vernetzten Polymer aus einem hochmolekularen Harz bestehen, dessen Brechungsindex im wesentlichen dem der Kle­ berschichtelemente (9a, 9b, . . ., 9n) entspricht.

3. Strahlungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abstandshalter (12) aus einer Acrylver­ bindung, Epoxid oder Divinylbenzol bestehen.