專利名稱：光敏陣列電子傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光敏陣列電子傳感器。更具體地說，本發明涉及X-射線輻射傳感器。本發明的目的旨在改進此類傳感器的性能。
把射頻邏輯圖象增強式屏幕相對一個檢測器加以設置，并在另一面上接收X-射線輻射，在X-射線電子傳感器領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)轉換為可通過一個檢測器加以檢測的可見光輻射，在核醫學領域中也是為人們所熟悉的。在放射學領域中，最普遍使用的檢測器是具有電荷耦合器件(CCD)的目標或收集陣列的照相機。在核醫學領域中，使用的也是由一系列光電倍增管組成的，并且與一個重心電子線路相連的裝置。所有這些具有不能夠直接檢測X-射線的檢測器的傳感器均與閃爍儀相關聯，閃爍儀的任務是把X-射線轉換成近似可見光光譜的輻射。
進行這一轉換所使用的材料(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厚度，沿所有方向的可見光的發射，導致了檢測器(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，在一個發光圖象陣列檢測器上沉淀一層含有釓硫氫化物的薄膜(可塑的)，后者(檢測器)由一個硅集成電路組成。
以針形式摻雜鉈的碘化銫CsI，與針的一種波導效應相結合，為更大的發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。傳統上，這種材料用于放射圖象增強器，即把這種材料涂敷在一個輸入屏幕上，這一屏幕通常由一個拱形的鋁金屬薄片組成。許多具體實現也是為人們所知的，這些具體實現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。針僅部分地相互結合在一起，因而它們可提供一個20％～25％的孔隙。這些充氣的細孔與CsI的良好的折射率(1．78)相結合，能夠為每個針中所發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，在環境空氣和常規濕度中CsI將迅速水合的缺點是人所共知的。對水的攝取，對使用傳感器所獲得的圖象產生了破壞性的影響，這造成了最初的暈光效應。于是這一增濕效果不可逆轉地破壞了針，結果是，損失了傳感器的發光效率和分辨能力。需要加以注意的是，這一缺點不會在放射圖象增強式顯像管中遇到，因為CsI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的弱機械固定導致粉塵和廢物的產生，對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一層鋁，實現對摻雜鉈的CsI的鈍化。
由于CsI的弱機械固定，必須把其沉淀于一個堅實的支撐物上。事實上，支撐物的彎曲導致了圖象中的可視缺陷，而且這一支撐物通常必須經過(不變形)一個熱處理，以可在300°的溫度量級上擴散鉈。
在放射圖象增強器中，支撐物是由鋁制成的。有時會與無定形碳結合，或甚至可由無定形碳加以替代，因為這種材料具有非常高的電阻。
在圖象增強式顯像管的結構的外部，鈹上的碘化銫的沉淀一直為人們所關注，然而這種材料的缺點是過于昂貴。
本發明的目的是，通過在一個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較淺的粗糙表面。在本發明中，建議所使用的石墨是一個其表面已經歷過一個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的自然孔隙。另外，最好對這一需較密打底的層加以研磨，以便使其具有一個較淺的粗糙面。此外，人們還發現，當在氣體階段加以沉淀時，CsI采用了一個完全有益的增長對針有規律地加以分隔，于是所產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的缺陷。
如果基底的構成未經過致密化工序，那么在所生成的傳感器中會出現敏感性上的差別。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)，那么在傳感器運行之后，在所獲得的圖象中，可對這些條紋的出現加以識別。通過軟件的處理，糾正與各位置相關的敏感性方面的差別是可能的，特別是在核醫學領域。在符合本發明的一個改進的方案中，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，向在鉈擴散期間出現的不均勻的擴展問題提供了解決方案。
就其擁有一個多孔的物理結構(與極致密的無定形碳不同)這一意義下，石墨(如在本發明中所了解到的)是一種不同于無定形碳的材料。可以使用金屬工具對石墨進行加工，而對于無定形碳來說，幾乎僅可使用鑲飾了金剛石的工具對其進行加工。
這就是為什么在此處所關注的應用中，即在一個準備放置于一個陣列圖象檢測器之前的加工過的支撐物上的碘化銫的沉淀中，證明把一個石墨塊做為支撐物是特別有益的原因所在。
通常，石墨的結構不僅是多孔的而且也是層狀的。因此，進一步有利于對它的加工。與無定形碳不同，它的結構實質上是各向同性的。
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階段(裂化)中的分解所產生的，即在一個起始支撐物上的一個較厚或較薄的涂層的生長達到高潮時分解產生的。因此，使用石墨很容易產生可加工的塊材，而在諸如放射圖象增強式輸入屏幕的拱形表面等表面上產生無定形碳涂層似乎要容易一些。
因此，本發明的一個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覆蓋有閃爍儀的陣列圖象檢測器，閃爍儀用于把高頻電磁輻射(通常為X-射線輻射)轉換成低頻輻射(通常為可見光領域中的輻射)，其特征是，閃爍儀包括一個碘化銫平板(faceplate)，由一個配置在接收高頻輻射的一側的石墨基底加以支撐。
本發明的另一個主題是一個用于構造傳感器的工藝，其特征為-構造一個石墨基底，這一基底必須能夠做為一個可支撐閃爍儀的支撐物；-把石墨基底加以研磨；-在氣態階段，把碘化銫沉淀在基底上；-把碘化銫沉淀物與鉈相摻雜；-在氣態階段的真空狀態下，把一個由合成樹脂構成的層沉淀于碘化銫沉淀上；-把一層液態光耦合樹脂沉淀于合成樹脂層上；-把一個檢測器針對液態光耦合樹脂層平敷；通過閱讀以下的描述及對本發明附圖的考察，將可對本發明更好地加以理解。附圖是在對本發明的說明完全未加限制的情況下給出的。這些圖所描述的內容如下-
圖1是對符合本發明的傳感器結構的示意性描述；-圖2是用于實現鈍化碘化銫層的一個工藝的裝置的圖示；根據本發明，圖1描述了一個光敏電子傳感器1。更可取的做法是，采用一個陣列傳感器。傳感器1包括一個其頂上覆蓋有閃爍儀3的檢測器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)轉換成低頻輻射5。于是能夠在可視光光譜內對低頻輻射5進行發射，從而可通過檢測器2對輻射5加以檢測。檢測器2可以是一個傳統的檢測器。在一個推薦的例子中，檢測器2為CCD型，如以上所描述的。每一CCD設備陣列形成了一行檢測點。并置的陣列用于形成一個陣列圖象的各個行。
實質上，傳感器包括一個由石墨基底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。根據本發明，所使用的石墨最好為具有層狀結構的石墨，并且是通過對碳粉的熱壓所獲得的。這種類型的石墨的生產是比較便宜的，特別是加工的開銷較為低廉的，因為可以使用金屬工具對其進行加工，而基于無定形碳的材料的結構，只能使用鑲飾金剛石的工具進行加工。
因此，所使用的材料取小型成塊的薄層形式10，并一個位于一個之上端對端地加以堆疊。在一個例子中，基底7的厚度為500微米量級。在閃爍儀應為較大的情況下，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點，即可通過閃爍儀吸收其各個方向中的所發射的可見光輻射。這些可見光輻射更多地貢獻于降低傳感器的分辨能力，而不是增加傳感器敏感性。在一個推薦的例子中，基底7的石墨的質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。實際上，可以發現，如果石墨的自然的各向異性是不可控制的，將會導致擁有20微米的顆粒。在這一情況下，CsI平板6的厚度的一致性質量是較差的，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具有一個致密化的表面。無定形碳層8(它的厚度為3～20微米量級)使填充出現在基底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是一個非結構化的較密的層，即為非多晶的原子一個在另一個的頂部無組織地聚集，例如，無定形碳的這一層在氣態階段的真空狀態下沉淀在基底7上。
作為一個附加要求，或作為一個輔助手段，在碘化銫層6將必須生長的位置，應對石墨層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備使用一種有機樹脂制成的膠片接收碘化銫的石墨基底7的表面得以實現。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合在一起的其它結合體中分隔開來。于是，通過蒸發可自然地把雜質排除。高溫效應也可使碳原子通過擴散遷移到基底7的孔隙空間11中。為了更進一步致密化基底的有效表面，可以對這一滲透操作重復多次，以便增加致密性。在一個例子中，這一操作運行了四次。
如上所說明的，所準備的石墨的表面不必過于合乎要求，因為在石墨的表面不十分合乎要求的情況下，對所獲得的圖象的實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。在本發明中，使用一個研磨工具12實現對石墨表面的研磨，特別是在致密化之后。通常，研磨動作從基底7的頂層，即相應的層8略去除掉5～10微米的厚度。層8的沉淀可以發生在研磨之前也可以發生在研磨之后，這將導致一個0．2～0．4微米量級的粗糙度h，而未經研磨的自然的粗糙度H，特別是未加致密化的情況下，可能達到130微米，尤其是如果石墨的粒度為20微米量級時。
于是，通過傳統方式中的動作使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。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。在一個例子中，針12由一個1～3微米的間隔13互相隨機地加以分隔，這一間隔使使用針12構造一個“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合，導致了針12的類似光纖的特性。換句話說，輻射的轉換(出現在一個針12中的閃爍現象)產生了一個將被導向的輻射5。如果這一輻射的發射朝向檢測器2，那么它會正常地通過反射點15從針12退出。另一方面，如果這一輻射5是傾斜的，那么它將不會在針12內反射出表面14，并最終通過反射點15退出。朝基底所發射的部分由后基底7加以吸收。在一個例子中，CsI的層6的厚度為100～300微米。通常它的測度為180微米。
接著以傳統的方式對層6本身摻雜鉈。
最后用一個鈍化層16覆蓋摻雜CsI的層6。與先有技術相比，在事前技術中鈍化層16是一個硅樹脂凝膠層，涉及釓硫氫化物，本發明主張，以透明的聚合合成樹脂的形式產生鈍化層16。這一聚合樹脂擁有更加不易穿透的優點和防止粉塵從CsI或從鉈揮發的優點，但也擁有不能產生一個完全光滑的外表面的缺點。于是，在本發明中，把鈍化層16與一個液態樹脂層17相結合，用于與檢測器2的光耦合。在這一方式中，良好的鉈蒸發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描述了一個可以用于產生鈍化層16的裝置。這一裝置包括三個連接在一起的部件。在第一個部件18中，引入了用于產生樹指的未經加工的材料。在一個推薦的例子中，這一材料是聯-對亞二甲苯。在部件18中，在1乇(1毫米水銀柱的壓強)的壓力和175°的溫度下對這一材料加以氣化。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-對亞二甲苯氣體加熱到680°。承受這一壓力，聯-對亞二甲苯開始分解，并轉換成單分子對亞二甲苯。于是可把準備好的對亞二甲苯在環境溫度中和非常低的0．1乇的壓力下引入第三個部件20，在此，它擴散到層6的針12上作為層16。于是，通過冷凝對對亞二甲苯重新加以結合，以形成一個多對亞二甲苯聚合物。這一冷凝導致了CsI層的孔隙空間上的一個橋路的生成，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優點一方面，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的結合，可形成一個抗反射層。在一個例子中，層16擁有1～25微米的厚度。
于是，液態樹脂層17在鈍化層16上擴展(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的厚度為同一數量級。
然后，通過傳統的機械裝置把檢測器2固定在基底7上。
權利要求
1．光敏陣列電子傳感器，包括一個覆蓋有一個閃爍儀(3)的陣列圖象檢測器(2)，用于把高頻電磁輻射(4)(通常為X-射線輻射)轉換成低頻輻射(5)(通常為可見光領域中的輻射)，其特征是，閃爍儀包括一個碘化銫平板(6)，這一平板由一個配置在接收高頻輻射一側的石墨基底(7)加以支撐。
2．符合權力要求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)的石墨加以構成的。
4．符合權力要求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成的。
5．符合權力要求1～4之一的傳感器，其特征為通過一個由合成樹脂構成的鈍化層(16)把閃爍儀的平板與環境介質絕緣起來，更可取的做法是使用多對亞二甲苯型的樹脂，它本身由一個液光耦合層(17)加以覆蓋。
6．符合權力要求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，以便形成一個抗反射層。
7．符合權力要求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．用于制造一個傳感器的工藝過程，其特征為-構造一個石墨基底，這一基底必須能夠做為一個閃爍儀的支撐物；-對石墨基底加以研磨；-在氣態階段，把碘化銫沉淀在石墨基底上；-把碘化銫沉淀與鉈相摻雜；-在氣態階段的真空狀態下，把一個由合成樹脂構成的層沉淀在碘化銫沉淀上；-在合成樹脂層上沉淀一個液體光耦合樹脂層；-針對液體光耦合樹脂層平敷一個檢測器。
9．符合權力要求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石墨的表面加以處理。
10．符合權力要求8或9的工藝過程，其特征為在研磨以前通過滲透對石墨的表面加以處理。
全文摘要
一個光敏陣列電子傳感器(1)包括一個安裝在石墨基底(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)轉換成低頻輻射(為可見光領域中的輻射)。這說明:如果在一個石墨基底上生長CsI,那么與使用釓硫氫化物閃爍儀相比,可以獲得一個具有較好分辨率和較高敏感度的傳感器。在準備石墨的過程中,可進一步采取的防護措施是對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)對其加以覆蓋與或經過滲透(11)加以構造。這一密致化過程有助于傳感器的均勻性。于是可通過一個合成樹脂層(16)實現對CsI的保護,其中合成樹脂層(16)與一個液態樹脂層(17)相結合,用于與一個檢測器(2)的光耦合。
文檔編號G01T1/202GK1292096SQ9980331
公開日2001年4月18日 申請日期1999年1月26日 優先權日1998年1月27日
發明者羅歇·洛吉耶 申請人:湯姆森-無線電報總公司