專利名稱：光敏陣列電子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光敏陣列電子傳感器。更具體地說，本發(fā)明涉及X-射線輻射傳感器。本發(fā)明的目的旨在改進(jìn)此類傳感器的性能。
把射頻邏輯圖象增強(qiáng)式屏幕相對(duì)一個(gè)檢測(cè)器加以設(shè)置，并在另一面上接收X-射線輻射，在X-射線電子傳感器領(lǐng)域中這是一種為人們所熟悉的配置。同樣，把閃爍儀用于把γ射線(或X射線)轉(zhuǎn)換為可通過一個(gè)檢測(cè)器加以檢測(cè)的可見光輻射，在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也是為人們所熟悉的。在放射學(xué)領(lǐng)域中，最普遍使用的檢測(cè)器是具有電荷耦合器件(CCD)的目標(biāo)或收集陣列的照相機(jī)。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，使用的也是由一系列光電倍增管組成的，并且與一個(gè)重心電子線路相連的裝置。所有這些具有不能夠直接檢測(cè)X-射線的檢測(cè)器的傳感器均與閃爍儀相關(guān)聯(lián)，閃爍儀的任務(wù)是把X-射線轉(zhuǎn)換成近似可見光光譜的輻射。
進(jìn)行這一轉(zhuǎn)換所使用的材料(閃爍儀的材料)通常為釓硫氫化物。后者(硫氫化物)以一種薄沉淀物的形式加以使用，通常為50～300微米。這一沉淀物由這一材料的粉粒組成，這些粉粒由一種粘合劑粘合在一起。貫穿這一材料的整個(gè)厚度，沿所有方向的可見光的發(fā)射，導(dǎo)致了檢測(cè)器(因而涉及傳感器)的敏感度的損失，以及分辨能力的損失。
已提出過的一種建議是，在一個(gè)發(fā)光圖象陣列檢測(cè)器上沉淀一層含有釓硫氫化物的薄膜(可塑的)，后者(檢測(cè)器)由一個(gè)硅集成電路組成。
以針形式摻雜鉈的碘化銫CsI，與針的一種波導(dǎo)效應(yīng)相結(jié)合，為更大的發(fā)光效率提供了一種良好的可供選擇的方案，針的斷面通常擁有3～6微米的維度。傳統(tǒng)上，這種材料用于放射圖象增強(qiáng)器，即把這種材料涂敷在一個(gè)輸入屏幕上，這一屏幕通常由一個(gè)拱形的鋁金屬薄片組成。許多具體實(shí)現(xiàn)也是為人們所知的，這些具體實(shí)現(xiàn)中使用這樣一種材料覆蓋了一束光纖。這些針的方向垂直于支撐它們的支撐物的表面。針僅部分地相互結(jié)合在一起，因而它們可提供一個(gè)20％～25％的孔隙。這些充氣的細(xì)孔與CsI的良好的折射率(1．78)相結(jié)合，能夠?yàn)槊總€(gè)針中所發(fā)射的可見光子開辟通道，并給予更高的敏感度和分辨能力。
然而，與釓硫氫化物相比，CsI仍較難使用。特別是，在環(huán)境空氣和常規(guī)濕度中CsI將迅速水合的缺點(diǎn)是人所共知的。對(duì)水的攝取，對(duì)使用傳感器所獲得的圖象產(chǎn)生了破壞性的影響，這造成了最初的暈光效應(yīng)。于是這一增濕效果不可逆轉(zhuǎn)地破壞了針，結(jié)果是，損失了傳感器的發(fā)光效率和分辨能力。需要加以注意的是，這一缺點(diǎn)不會(huì)在放射圖象增強(qiáng)式顯像管中遇到，因?yàn)镃sI處于真空管中。
然而，盡管在針中存在很少量的鉈，但鉈具有很高的毒性。于是，CsI的弱機(jī)械固定導(dǎo)致粉塵和廢物的產(chǎn)生，對(duì)致粉塵和廢物的消除必須小心加以控制。在某些情況下，可通過在閃爍儀的表面上蒸發(fā)一層鋁，實(shí)現(xiàn)對(duì)摻雜鉈的CsI的鈍化。
由于CsI的弱機(jī)械固定，必須把其沉淀于一個(gè)堅(jiān)實(shí)的支撐物上。事實(shí)上，支撐物的彎曲導(dǎo)致了圖象中的可視缺陷，而且這一支撐物通常必須經(jīng)過(不變形)一個(gè)熱處理，以可在300°的溫度量級(jí)上擴(kuò)散鉈。
在放射圖象增強(qiáng)器中，支撐物是由鋁制成的。有時(shí)會(huì)與無定形碳結(jié)合，或甚至可由無定形碳加以替代，因?yàn)檫@種材料具有非常高的電阻。
在圖象增強(qiáng)式顯像管的結(jié)構(gòu)的外部，鈹上的碘化銫的沉淀一直為人們所關(guān)注，然而這種材料的缺點(diǎn)是過于昂貴。
本發(fā)明的目的是，通過在一個(gè)由加工過的石墨塊組成的基底上的CsI層的生長，來解決這些問題。更可取的做法是，這一由加工過的石墨塊組成的基底具有一個(gè)較淺的粗糙表面。在本發(fā)明中，建議所使用的石墨是一個(gè)其表面已經(jīng)歷過一個(gè)致密化處理步驟的基底，這一致密化處理步驟旨在消除基底中與石墨相關(guān)的自然孔隙。另外，最好對(duì)這一需較密打底的層加以研磨，以便使其具有一個(gè)較淺的粗糙面。此外，人們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在氣體階段加以沉淀時(shí)，CsI采用了一個(gè)完全有益的增長對(duì)針有規(guī)律地加以分隔，于是所產(chǎn)生的閃爍儀的表面幾乎是平的，而不管是否存在與石墨的粗糙度相關(guān)的缺陷。
如果基底的構(gòu)成未經(jīng)過致密化工序，那么在所生成的傳感器中會(huì)出現(xiàn)敏感性上的差別。人們可能試圖將其糾正，例如，如果石墨的表面是有條紋的(例如，具有平行線)，那么在傳感器運(yùn)行之后，在所獲得的圖象中，可對(duì)這些條紋的出現(xiàn)加以識(shí)別。通過軟件的處理，糾正與各位置相關(guān)的敏感性方面的差別是可能的，特別是在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在符合本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)的方案中，人們通過密致化工藝與／或研磨工藝，限制了這一糾正的量值。
在所有情況中，石墨基底的存在，向在鉈擴(kuò)散期間出現(xiàn)的不均勻的擴(kuò)展問題提供了解決方案。
就其擁有一個(gè)多孔的物理結(jié)構(gòu)(與極致密的無定形碳不同)這一意義下，石墨(如在本發(fā)明中所了解到的)是一種不同于無定形碳的材料?？梢允褂媒饘俟ぞ邔?duì)石墨進(jìn)行加工，而對(duì)于無定形碳來說，幾乎僅可使用鑲飾了金剛石的工具對(duì)其進(jìn)行加工。
這就是為什么在此處所關(guān)注的應(yīng)用中，即在一個(gè)準(zhǔn)備放置于一個(gè)陣列圖象檢測(cè)器之前的加工過的支撐物上的碘化銫的沉淀中，證明把一個(gè)石墨塊做為支撐物是特別有益的原因所在。
通常，石墨的結(jié)構(gòu)不僅是多孔的而且也是層狀的。因此，進(jìn)一步有利于對(duì)它的加工。與無定形碳不同，它的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是各向同性的。
就原理而論，石墨是通過在高溫下壓縮碳粉所獲得的，而無定形碳是通過氣態(tài)階段(裂化)中的分解所產(chǎn)生的，即在一個(gè)起始支撐物上的一個(gè)較厚或較薄的涂層的生長達(dá)到高潮時(shí)分解產(chǎn)生的。因此，使用石墨很容易產(chǎn)生可加工的塊材，而在諸如放射圖象增強(qiáng)式輸入屏幕的拱形表面等表面上產(chǎn)生無定形碳涂層似乎要容易一些。
因此，本發(fā)明的一個(gè)主題是光敏陣列電子傳感器。這一光敏陣列電子傳感器包括一個(gè)覆蓋有閃爍儀的陣列圖象檢測(cè)器，閃爍儀用于把高頻電磁輻射(通常為X-射線輻射)轉(zhuǎn)換成低頻輻射(通常為可見光領(lǐng)域中的輻射)，其特征是，閃爍儀包括一個(gè)碘化銫平板(faceplate)，由一個(gè)配置在接收高頻輻射的一側(cè)的石墨基底加以支撐。
本發(fā)明的另一個(gè)主題是一個(gè)用于構(gòu)造傳感器的工藝，其特征為-構(gòu)造一個(gè)石墨基底，這一基底必須能夠做為一個(gè)可支撐閃爍儀的支撐物；-把石墨基底加以研磨；-在氣態(tài)階段，把碘化銫沉淀在基底上；-把碘化銫沉淀物與鉈相摻雜；-在氣態(tài)階段的真空狀態(tài)下，把一個(gè)由合成樹脂構(gòu)成的層沉淀于碘化銫沉淀上；-把一層液態(tài)光耦合樹脂沉淀于合成樹脂層上；-把一個(gè)檢測(cè)器針對(duì)液態(tài)光耦合樹脂層平敷；通過閱讀以下的描述及對(duì)本發(fā)明附圖的考察，將可對(duì)本發(fā)明更好地加以理解。附圖是在對(duì)本發(fā)明的說明完全未加限制的情況下給出的。這些圖所描述的內(nèi)容如下-

圖1是對(duì)符合本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)的示意性描述；-圖2是用于實(shí)現(xiàn)鈍化碘化銫層的一個(gè)工藝的裝置的圖示；根據(jù)本發(fā)明，圖1描述了一個(gè)光敏電子傳感器1。更可取的做法是，采用一個(gè)陣列傳感器。傳感器1包括一個(gè)其頂上覆蓋有閃爍儀3的檢測(cè)器2。這一傳感器的目的是把X-射線輻射4或任何其它高頻輻射(也可以是γ輻射)轉(zhuǎn)換成低頻輻射5。于是能夠在可視光光譜內(nèi)對(duì)低頻輻射5進(jìn)行發(fā)射，從而可通過檢測(cè)器2對(duì)輻射5加以檢測(cè)。檢測(cè)器2可以是一個(gè)傳統(tǒng)的檢測(cè)器。在一個(gè)推薦的例子中，檢測(cè)器2為CCD型，如以上所描述的。每一CCD設(shè)備陣列形成了一行檢測(cè)點(diǎn)。并置的陣列用于形成一個(gè)陣列圖象的各個(gè)行。
實(shí)質(zhì)上，傳感器包括一個(gè)由石墨基底7加以支撐的碘化銫平板6。基底配置在X-射線輻射得以接收的一側(cè)。根據(jù)本發(fā)明，所使用的石墨最好為具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨，并且是通過對(duì)碳粉的熱壓所獲得的。這種類型的石墨的生產(chǎn)是比較便宜的，特別是加工的開銷較為低廉的，因?yàn)榭梢允褂媒饘俟ぞ邔?duì)其進(jìn)行加工，而基于無定形碳的材料的結(jié)構(gòu)，只能使用鑲飾金剛石的工具進(jìn)行加工。
因此，所使用的材料取小型成塊的薄層形式10，并一個(gè)位于一個(gè)之上端對(duì)端地加以堆疊。在一個(gè)例子中，基底7的厚度為500微米量級(jí)。在閃爍儀應(yīng)為較大的情況下，增至800或2000微米是可能的。如果需要令其具有較小的規(guī)格，小至200微米是可能的，除了其較好的X-射線滲透性外，石墨還具有成塊的優(yōu)點(diǎn)，即可通過閃爍儀吸收其各個(gè)方向中的所發(fā)射的可見光輻射。這些可見光輻射更多地貢獻(xiàn)于降低傳感器的分辨能力，而不是增加傳感器敏感性。在一個(gè)推薦的例子中，基底7的石墨的質(zhì)量將是這樣的顆粒的大小--薄層的長度，將小于5微米，更可取的做法是為1或小于1微米的量級(jí)。實(shí)際上，可以發(fā)現(xiàn)，如果石墨的自然的各向異性是不可控制的，將會(huì)導(dǎo)致?lián)碛?0微米的顆粒。在這一情況下，CsI平板6的厚度的一致性質(zhì)量是較差的，這將要求更多的軟件糾正。
最好使用一層無定形碳8把基底7加以覆蓋，以便使基底7具有一個(gè)致密化的表面。無定形碳層8(它的厚度為3～20微米量級(jí))使填充出現(xiàn)在基底7(由于其所存在的孔隙)表面上的孔洞9成為可能。碳層8的原子不同于基底7中的原子，其中，在層7中，孔隙是較大的，且碳-石墨粒子是有方向的。無定形碳層8是一個(gè)非結(jié)構(gòu)化的較密的層，即為非多晶的原子一個(gè)在另一個(gè)的頂部無組織地聚集，例如，無定形碳的這一層在氣態(tài)階段的真空狀態(tài)下沉淀在基底7上。
作為一個(gè)附加要求，或作為一個(gè)輔助手段，在碘化銫層6將必須生長的位置，應(yīng)對(duì)石墨層7事前通過滲透加以致密化。例如，這樣的滲透可通過覆蓋準(zhǔn)備使用一種有機(jī)樹脂制成的膠片接收碘化銫的石墨基底7的表面得以實(shí)現(xiàn)。于是這一裝置可承受極高的溫度(1000°)。其效果是分裂樹脂，在樹脂中把碳原子同氫原子或從把它們結(jié)合在一起的其它結(jié)合體中分隔開來。于是，通過蒸發(fā)可自然地把雜質(zhì)排除。高溫效應(yīng)也可使碳原子通過擴(kuò)散遷移到基底7的孔隙空間11中。為了更進(jìn)一步致密化基底的有效表面，可以對(duì)這一滲透操作重復(fù)多次，以便增加致密性。在一個(gè)例子中，這一操作運(yùn)行了四次。
如上所說明的，所準(zhǔn)備的石墨的表面不必過于合乎要求，因?yàn)樵谑谋砻娌皇趾虾跻蟮那闆r下，對(duì)所獲得的圖象的實(shí)際校正可在圖象獲得之后由軟件加以處理。這樣做是完全可以接受的。在本發(fā)明中，使用一個(gè)研磨工具12實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨表面的研磨，特別是在致密化之后。通常，研磨動(dòng)作從基底7的頂層，即相應(yīng)的層8略去除掉5～10微米的厚度。層8的沉淀可以發(fā)生在研磨之前也可以發(fā)生在研磨之后，這將導(dǎo)致一個(gè)0．2～0．4微米量級(jí)的粗糙度h，而未經(jīng)研磨的自然的粗糙度H，特別是未加致密化的情況下，可能達(dá)到130微米，尤其是如果石墨的粒度為20微米量級(jí)時(shí)。
于是，通過傳統(tǒng)方式中的動(dòng)作使CsI得以生長。接下來獲得針12，其斷面的直徑可以為3～6微米量級(jí)。針12的斷面可以為各種尺寸，從圖1中能夠明顯地看出這一點(diǎn)。在一個(gè)例子中，針12由一個(gè)1～3微米的間隔13互相隨機(jī)地加以分隔，這一間隔使使用針12構(gòu)造一個(gè)“變化的媒體表面”14成為可能。這一表面14的存在，與CsI的良好的折射率相結(jié)合，導(dǎo)致了針12的類似光纖的特性。換句話說，輻射的轉(zhuǎn)換(出現(xiàn)在一個(gè)針12中的閃爍現(xiàn)象)產(chǎn)生了一個(gè)將被導(dǎo)向的輻射5。如果這一輻射的發(fā)射朝向檢測(cè)器2，那么它會(huì)正常地通過反射點(diǎn)15從針12退出。另一方面，如果這一輻射5是傾斜的，那么它將不會(huì)在針12內(nèi)反射出表面14，并最終通過反射點(diǎn)15退出。朝基底所發(fā)射的部分由后基底7加以吸收。在一個(gè)例子中，CsI的層6的厚度為100～300微米。通常它的測(cè)度為180微米。
接著以傳統(tǒng)的方式對(duì)層6本身摻雜鉈。
最后用一個(gè)鈍化層16覆蓋摻雜CsI的層6。與先有技術(shù)相比，在事前技術(shù)中鈍化層16是一個(gè)硅樹脂凝膠層，涉及釓硫氫化物，本發(fā)明主張，以透明的聚合合成樹脂的形式產(chǎn)生鈍化層16。這一聚合樹脂擁有更加不易穿透的優(yōu)點(diǎn)和防止粉塵從CsI或從鉈揮發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，但也擁有不能產(chǎn)生一個(gè)完全光滑的外表面的缺點(diǎn)。于是，在本發(fā)明中，把鈍化層16與一個(gè)液態(tài)樹脂層17相結(jié)合，用于與檢測(cè)器2的光耦合。在這一方式中，良好的鉈蒸發(fā)不易穿透性能夠在不損害傳感器效率的情況下加以獲得。
圖2描述了一個(gè)可以用于產(chǎn)生鈍化層16的裝置。這一裝置包括三個(gè)連接在一起的部件。在第一個(gè)部件18中，引入了用于產(chǎn)生樹指的未經(jīng)加工的材料。在一個(gè)推薦的例子中，這一材料是聯(lián)-對(duì)亞二甲苯。在部件18中，在1乇(1毫米水銀柱的壓強(qiáng))的壓力和175°的溫度下對(duì)這一材料加以氣化。第一部件18與第二部件19相連，其中氣化的材料得以氣化析出。例如，在0．5乇的壓力下可把聯(lián)-對(duì)亞二甲苯氣體加熱到680°。承受這一壓力，聯(lián)-對(duì)亞二甲苯開始分解，并轉(zhuǎn)換成單分子對(duì)亞二甲苯。于是可把準(zhǔn)備好的對(duì)亞二甲苯在環(huán)境溫度中和非常低的0．1乇的壓力下引入第三個(gè)部件20，在此，它擴(kuò)散到層6的針12上作為層16。于是，通過冷凝對(duì)對(duì)亞二甲苯重新加以結(jié)合，以形成一個(gè)多對(duì)亞二甲苯聚合物。這一冷凝導(dǎo)致了CsI層的孔隙空間上的一個(gè)橋路的生成，而無需滲透于這些間隙。
使用除以上所指定的樹脂以外的一種合成樹脂是可能的。然而，以上所指定的樹脂具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)一方面，它能很好地附著在CsI上，另一方面，它允許在間隔13上構(gòu)成橋路，而無需填充這些間隔。更可取的做法是，令所使用的樹脂擁有一個(gè)1．78～1．45之間的折射率。因此，擁有低于CsI的折射率的折射率的樹脂，通過與CsI的結(jié)合，可形成一個(gè)抗反射層。在一個(gè)例子中，層16擁有1～25微米的厚度。
于是，液態(tài)樹脂層17在鈍化層16上擴(kuò)展(并保持在那里)，以便確保良好的光耦合。更可取的做法是，令這一樹脂擁有低于1．45的折射率。例如，那些在構(gòu)造液晶部件中所使用的那種類型。層17的厚度與層16的厚度為同一數(shù)量級(jí)。
然后，通過傳統(tǒng)的機(jī)械裝置把檢測(cè)器2固定在基底7上。
權(quán)利要求
1．光敏陣列電子傳感器，包括一個(gè)覆蓋有一個(gè)閃爍儀(3)的陣列圖象檢測(cè)器(2)，用于把高頻電磁輻射(4)(通常為X-射線輻射)轉(zhuǎn)換成低頻輻射(5)(通常為可見光領(lǐng)域中的輻射)，其特征是，閃爍儀包括一個(gè)碘化銫平板(6)，這一平板由一個(gè)配置在接收高頻輻射一側(cè)的石墨基底(7)加以支撐。
2．符合權(quán)力要求1的傳感器，其特征為閃爍儀的基底是由石墨加以構(gòu)成的，石墨的粒度不足5微米，建議小于1或等于1微米。
3．符合權(quán)力要求1或2之一的傳感器，其特征為基底是由覆蓋了一層無定形碳(8)的石墨加以構(gòu)成的。
4．符合權(quán)力要求1～3之一的傳感器，其特征為基底是由滲透了碳的石墨加以構(gòu)成的。
5．符合權(quán)力要求1～4之一的傳感器，其特征為通過一個(gè)由合成樹脂構(gòu)成的鈍化層(16)把閃爍儀的平板與環(huán)境介質(zhì)絕緣起來，更可取的做法是使用多對(duì)亞二甲苯型的樹脂，它本身由一個(gè)液光耦合層(17)加以覆蓋。
6．符合權(quán)力要求5的傳感器，其特征為鈍化層的樹脂的折射率在1．78～1．45之間，以便形成一個(gè)抗反射層。
7．符合權(quán)力要求1～6之一的傳感器，其特征為-石墨基底的厚度為200～2000微米，典型地為500～800微米；-碘化銫平板的厚度為100～300微米，典型地為180微米；以及-樹脂鈍化層擁有1～25微米的厚度；
8．用于制造一個(gè)傳感器的工藝過程，其特征為-構(gòu)造一個(gè)石墨基底，這一基底必須能夠做為一個(gè)閃爍儀的支撐物；-對(duì)石墨基底加以研磨；-在氣態(tài)階段，把碘化銫沉淀在石墨基底上；-把碘化銫沉淀與鉈相摻雜；-在氣態(tài)階段的真空狀態(tài)下，把一個(gè)由合成樹脂構(gòu)成的層沉淀在碘化銫沉淀上；-在合成樹脂層上沉淀一個(gè)液體光耦合樹脂層；-針對(duì)液體光耦合樹脂層平敷一個(gè)檢測(cè)器。
9．符合權(quán)力要求8的工藝過程，其特征為-在研磨之前或之后，通過沉淀一層無定形碳對(duì)石墨的表面加以處理。
10．符合權(quán)力要求8或9的工藝過程，其特征為在研磨以前通過滲透對(duì)石墨的表面加以處理。
全文摘要
一個(gè)光敏陣列電子傳感器(1)包括一個(gè)安裝在石墨基底(7)上的碘化銫CsI的平板(6),以便把高頻電磁輻射(X－射線輻射)轉(zhuǎn)換成低頻輻射(為可見光領(lǐng)域中的輻射)。這說明:如果在一個(gè)石墨基底上生長CsI,那么與使用釓硫氫化物閃爍儀相比,可以獲得一個(gè)具有較好分辨率和較高敏感度的傳感器。在準(zhǔn)備石墨的過程中,可進(jìn)一步采取的防護(hù)措施是對(duì)石墨的表面較密地加以初涂。于是可以使用一層無定形碳(8)對(duì)其加以覆蓋與或經(jīng)過滲透(11)加以構(gòu)造。這一密致化過程有助于傳感器的均勻性。于是可通過一個(gè)合成樹脂層(16)實(shí)現(xiàn)對(duì)CsI的保護(hù),其中合成樹脂層(16)與一個(gè)液態(tài)樹脂層(17)相結(jié)合,用于與一個(gè)檢測(cè)器(2)的光耦合。
文檔編號(hào)G01T1/202GK1292096SQ9980331
公開日2001年4月18日 申請(qǐng)日期1999年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月27日
發(fā)明者羅歇·洛吉耶 申請(qǐng)人:湯姆森-無線電報(bào)總公司