用于正電子放射斷層掃描(PET)成像系統(tǒng)的光子檢測器通常包括光電傳感器元件和閃爍體元件。當由來自放射性示蹤劑的正電子湮滅時創(chuàng)建高能光子撞擊閃爍體時，一個或多個可見的(或接近可見的)光子從閃爍體被發(fā)出。這些閃爍光子能夠被一個或多個光電傳感器檢測。來自光電傳感器的表示湮滅光子事件的信號被結(jié)合并用來創(chuàng)建經(jīng)歷成像的感興趣區(qū)域的圖像。

常規(guī)的PET掃描儀能夠利用硅光電倍增管(SiPM)作為光電傳感器。SiPM能夠是對撞擊光子起反應的被動熄滅(quench)蓋格(Geiger)模式雪崩光電二極管(APD)陣列。該SiPM能夠提供關(guān)于某些參數(shù)例如撞擊事件的時間、與該事件相關(guān)聯(lián)的能量以及該事件在檢測器內(nèi)的位置的信息。這些參數(shù)能夠通過處理施加于由SiPM生成的模擬信號的算法而確定。一些常規(guī)的SiPM能夠產(chǎn)生非?？斓男盘?，其提供了高度的定時精度。

相對于常規(guī)的光電倍增管(PMT)，SiPM提供了某些的優(yōu)點，并且因此用于許多應用中，包括用于醫(yī)學成像的正電子放射斷層掃描。這些優(yōu)點包括更好的光子檢測效率(即，大概率檢測撞擊光子)，更好的定時性能(即，更高精度地確定光子的到達時間)，緊密度(compactness)，耐用性(ruggedness)，低操作電壓，對磁場不敏感以及低成本。

SiPM由微單元的大陣列組成。微單元包含單光子雪崩二極管(SPAD)，其為在其擊穿電壓之上偏置的光電二極管。當光子在該SPAD中相互作用時，二極管擊穿且產(chǎn)生大的放電電流。在模擬SIPM中，熄滅電阻器與SPAD串聯(lián)放置。由于放電電流增加，跨熄滅電阻器的電壓降增加，而跨SPAD的電壓減少。當跨SPAD的電壓降至擊穿電壓之下時，則停止放電，并且跨SPAD的電壓將會增加直至它到達偏壓。在那個點處，SPAD準備檢測在其中相互作用的下一個光子。穿過該熄滅電阻器的電流在SiPM中的SPAD的放電和充電期間被結(jié)合并被測量以確定光脈沖撞擊SiPM的時間以及光脈沖中光子的數(shù)量。

在數(shù)字SiPM中，對每個微單元都添加了電路系統(tǒng)。該微單元電系統(tǒng)處理從SPAD產(chǎn)生的信號，并且來自該電路的輸出信號被結(jié)合以確定光脈沖撞擊SiPM的時間以及光脈沖中的光子的數(shù)量。熄滅電阻器可能存在或其能夠采用數(shù)字控制復位電路替換。

對于模擬和數(shù)字SiPM，由微單元覆蓋的區(qū)域包括SPAD的區(qū)域，由熄滅電阻器和/或微單元電子設(shè)備覆蓋的區(qū)域、軌跡(對于信號和電壓)以及微單元之間所需的用于電子絕緣的空間。撞擊位于SPAD的光敏感區(qū)域之外的微單元的區(qū)域的光子通常不會被檢測到，并且SPAD的光敏感面積和微單元的總面積的比值(填充系數(shù))是確定撞擊SiPM的光子將被檢測到的概率(光子檢測效率：PDE)中的臨界參數(shù)。

由電子設(shè)備和/或熄滅電阻器覆蓋的面積本質(zhì)上是獨立于SPAD尺寸，并且電子設(shè)備絕緣和軌跡所需的面積名義上成正比增加到微單元面積的平方根。因此，增加PDE的普遍的方法是要增加SPAD在SiPM中的面積。

然而，增加SPAD的尺寸也會對其他SiPM參數(shù)產(chǎn)生不利的影響。尤其是，產(chǎn)生寄生脈沖事件(after pulsing events)和光學串擾事件的概率隨著SPAD的面積而增加。當在微單元放電期間生成的電子或空穴變成陷入在硅的能級中時發(fā)生寄生脈沖事件，該電子或空穴能夠以從幾納秒變化到若干微秒的時間從該陷阱(trap)中被熱釋放，并且被釋放的電子或空穴發(fā)起微單元的另一種放電。當由微單元的放電產(chǎn)生的光子傳播到相鄰的微單元且在那個微單元中發(fā)起放電時發(fā)生光學串擾事件。創(chuàng)建寄生脈沖事件或光學串擾事件的概率隨著SPAD的面積而線性增加。通過將光學結(jié)構(gòu)置于微單元的頂端可提高SiPM的PDE，該光學結(jié)構(gòu)引導光遠離微單元的死區(qū)并將光引導至SPAD的有效區(qū)上。

本發(fā)明提供了下述的一組技術(shù)方案：

1、一種用于裝配光子檢測器的方法，所述光子檢測器包含定位在光學透明板和光電二極管陣列之間的光學光導陣列，所述方法包括：

在所述光學透明板和所述光電二極管陣列中的至少一個的至少一個相對表面上沉積非潤濕薄膜；

變更在光電二極管元件的區(qū)域中的沉積的非潤濕薄膜；

將光學耦合器粘合劑分發(fā)到所述光學透明板和所述光電二極管陣列中的至少一個上以在所述光學透明板或所述光電二極管元件上形成光學耦合器粘合劑珠；

將所述光學透明板和所述光電二極管陣列的所述相對表面對齊；

裝配所述光學透明板和所述光電二極管陣列的所述相對表面，使得所述光學耦合器粘合劑珠接觸所述相對表面；以及

固化所述光學耦合器粘合劑以形成在所述光學透明板和個別光電二極管元件之間具有光學光導元件的結(jié)構(gòu)上合并的光子檢測器。

2、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，變更所述沉積的非潤濕薄膜包含移除和化學改性所述非潤濕薄膜中的至少一個。

3、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，變更所述沉積的非潤濕薄膜在所述光電二極管元件的中心周圍處進行。

4、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，沉積所述非潤濕薄膜包含利用掩膜和剝離制程中的一個來施加所述非潤濕薄膜。

5、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述光學耦合器粘合劑珠具有大約相同的形狀和體積，并且每個光學耦合器粘合劑珠大約集中在光電二極管元件上。

6、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中，如通過由所述光學耦合粘合劑的表面張力引起的力所確定的，所述光學透明板相對于所述光電二極管陣列的對齊被允許包含對所述光學透明板和所述光電二極管陣列中的任一個或二者進行平移和旋轉(zhuǎn)中的至少一個的運動。

7、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述光學透明板是閃爍體。

8、根據(jù)技術(shù)方案7所述的方法，其中所述閃爍體具有元件，并且分發(fā)步驟包含分發(fā)所述光學耦合器粘合劑以在對應的閃爍體元件和光電二極管元件上形成光學耦合器粘合劑珠。

9、根據(jù)技術(shù)方案8所述的方法，對齊所述相對表面包含將光學耦合器粘合劑的對應的珠定位成彼此相對。

10、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述光學透明板是玻璃板。

11、根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，包含：

在所述光電二極管元件上形成光學耦合器粘合劑珠；以及

將光學粘合劑施加到所述光學透明板上以形成具有大約均勻厚度的薄膜。

12、光子檢測器，包括：

所述光學透明板；

具有個別元件的光電二極管陣列；

在所述光學透明板和所述光電二極管陣列之間的光學光導陣列，所述光學光導陣列包含在所述光學透明板和所述光電二極管陣列的個別的元件之間提供傳輸線的個別的光學光導元件；

所述光學光導陣列由包括下述步驟的過程準備：

在所述光學透明板和所述光電二極管陣列中的至少一個的至少一個相對表面上沉積非潤濕薄膜；

變更在光電二極管元件的區(qū)域中的沉積的非潤濕薄膜；

將光學耦合器粘合劑分發(fā)到所述光學透明板和所述光電二極管陣列中的至少一個上以在所述光學透明板或所述光電二極管元件上形成光學耦合器粘合劑珠；

將所述光學透明板和所述光電二極管陣列的所述相對表面對齊；

裝配所述光學透明板和所述光電二極管陣列的所述相對表面，使得所述光學耦合器粘合劑珠接觸所述相對表面；以及

固化所述光學耦合器粘合劑以形成在所述光學透明板和個別光電二極管元件之間具有光學光導元件的結(jié)構(gòu)上合并的光子檢測器。

13、根據(jù)技術(shù)方案12的所述光子檢測器，包含在一個或多個個別的光學光導元件的位置中的變形，與重合失調(diào)的光電二極管的個別的元件接觸的所述一個或多個個別的光學光導元件。

14、根據(jù)技術(shù)方案12所述的光子檢測器，其中所述光學透明板是閃爍體。

15、根據(jù)技術(shù)方案14所述的光子檢測器，所述閃爍體具有個別的元件，并且光學耦合器粘合劑珠定位在對應的閃爍體元件和對應的光電二極管元件之間以形成個別的光學光導元件。

16、根據(jù)技術(shù)方案15所述的光子檢測器，包含：

所述閃爍體陣列的所述個別元件是配置成當由入射的X射線輻射激發(fā)時發(fā)射光子的晶體；以及

所述光電二極管陣列的所述個別元件是單光子雪崩二極管像素。

17、根據(jù)技術(shù)方案12所述的光子檢測器，其中所述光學透明板是玻璃板。

附圖說明

圖1描繪了根據(jù)實施例的未裝配的光子檢測器陣列；

圖2描繪了根據(jù)實施例的制造光子檢測器陣列的工藝流程圖；

圖3描繪了根據(jù)實施例的在制造階段期間的圖1的光子檢測器；

圖4描繪了根據(jù)實施例的光子檢測器；以及

圖5描繪了根據(jù)實施例的制造光子檢測器陣列的工藝流程圖。

具體實施方式

根據(jù)實施例，制造光子檢測器的方法包括在光電二極管陣列上的對應的單光子雪崩二極管(SPAD)微單元和光學透明板之間創(chuàng)建光學光導陣列以提高由光子檢測器的光探測。

圖1描繪了根據(jù)一些實施例的未裝配的光子檢測器陣列100。該光子檢測器陣列包括SiPM光傳感器110，該光傳感器110包括多個每個都包含SPAD的微單元。光學耦合器粘合劑陣列130被沉積在玻璃板120與光電二極管陣列相對的表面上。類似地，光學耦合器粘合劑陣列140被沉積于光電二極管陣列110與玻璃板相對的表面上。

在一些實現(xiàn)中，玻璃板能夠是任何光學透明材料——例如，塑料的板。在其他實現(xiàn)(例如，諸如PET，核醫(yī)學以及其他電離輻射應用)中，代替玻璃板，具體的檢測器陣列能夠采用閃爍體晶體或陶瓷或閃爍體晶體片或陶瓷片矩陣制造。

圖2描繪了根據(jù)實施例的用于制造光子檢測器陣列的過程200的流程圖。步驟210和220，非潤濕薄膜分別被沉積在光電二極管陣列和玻璃板的相對表面上。這些相對表面隨后將配合形成光子檢測器的一部分。非潤濕薄膜是一種采用將隨后施加的未固化的、液態(tài)的光學耦合器粘合劑不會潤濕的薄膜。這類非潤濕薄膜的一個分類包括氟化高聚物。

在沉積之后，步驟230，在沉積于約個別的SiPM微單元的光敏區(qū)域上方的非潤濕薄膜的區(qū)域能夠被移除和/或化學改性(chemically modify)。步驟240，沉積在玻璃板上的非潤濕薄膜的對應于SiPM中的微單元的區(qū)域能夠被移除和/或化學改性。玻璃上的這些區(qū)域?qū)谖卧墓饷舾袇^(qū)域和一小部分位于微單元之間的非光敏感區(qū)域。因而玻璃上的區(qū)域的面積大于SiPM上的對應區(qū)域的面積。非潤濕薄膜的這種移除/修改留下了易于能夠采用上述未固化的液體光學耦合器粘合劑潤濕的閃爍體元件和光電二極管像素的處理過的區(qū)域。在其他實現(xiàn)中，非潤濕薄膜能夠利用硬或鏤空掩模(其將會簡化圖案化過程并且消除蝕刻)來施加，在另一個實現(xiàn)中，剝離制程(liftoff process)(類似于典型的光刻膠(resist)剝離制程)能夠?qū)⒎菨櫇癖∧挠性囱b置(即，玻璃板和光電二極管像素)的預期的接觸區(qū)域上移除。非潤濕薄膜的圖案也能夠被印刷到SiPM和/或玻璃板上。

在步驟250和260中，液體光學耦合器粘合劑分別被分發(fā)在光電二極管陣列和玻璃板上。潤濕的和非潤濕的區(qū)域的不同的表面能量使得液體光學耦合器粘合劑形成光學耦合器粘合劑珠(bead)的陣列，其中該珠具有大約相同的形狀和體積。每個光學耦合器粘合劑珠在光電二極管像素或玻璃板上的中心上集中，如圖1中所描繪的。

步驟270，玻璃板120和光電二極管陣列110的相對的配合表面被對齊，使得相對的配合表面彼此面對，且對應的光學耦合器粘合劑珠115、125被彼此相對地定位。步驟280，通過使玻璃板和光電二極管陣列的相對的表面朝向彼此，使得對應的光學耦合器粘合劑珠彼此相接觸裝配光子檢測器，如圖3所示-其描繪了制造期間的體現(xiàn)的光子檢測器。

當這些光學耦合器粘合劑珠進行接觸時，表面張力使得珠子形成圖4所示的結(jié)構(gòu)。如果光電二極管陣列隨后被允許相對于玻璃板自由運動，則光電二極管將平移和/或旋轉(zhuǎn)直至粘合劑珠的陣列的網(wǎng)面(net surface)張力最小。能夠使用這種效應，以便在這些陣列的元件之間獲得比由他們在初始定位獲得的更好的對齊。

在一些實現(xiàn)中，步驟285，玻璃板和光電二極管陣列的相對表面之間的受控的墊塊厚度(stand-off height)能夠被建立。通過在相對的表面之間插入薄墊片或使用機械固定裝置(mechanical fixture)能夠獲得該墊塊厚度。步驟290，光學耦合器粘合劑被固化以結(jié)束在對應的光電二極管像素元件和閃爍體元件之間具有光學耦合器光導陣列的光子檢測器的制造。

圖4描繪了根據(jù)實施例的光子檢測器400。光子檢測器400包括閃爍體陣列120和光電二極管陣列110。在玻璃板和光電二極管之間，光子檢測器400包括光學耦合器光導陣列140，其在對應的光電二極管像素元件和玻璃板之間具有光導元件145。光學耦合器光導陣列的每個元件將光從玻璃板與其接觸的區(qū)域?qū)驅(qū)墓怆姸O管像素。光導的幾何結(jié)構(gòu)被優(yōu)化，以增加從與附連到光導的玻璃板表面退出的光子將在SiPM的光敏區(qū)域中相互作用的概率。這種優(yōu)化能夠通過對玻璃板和光電二極管陣列兩者的相對表面的潤濕區(qū)域的邊界的適當?shù)脑O(shè)計來執(zhí)行。另外，非潤濕表面的修改能夠被控制以獲得特定的表面能，導致了對于任意相對表面粘合劑的特定潤濕角都是獨特的。用這種方式，光導元件的孔和進入/退出角都能夠定制(tailored)。

如果玻璃板上的潤濕圖案的個別元件與SiPM上的對應微單元重合失調(diào)(misregistered)，對應的光學光導能夠在其位置輕微變形(由于玻璃板區(qū)域的中心與對應的微單元的中心不對齊)。與傳統(tǒng)的對齊技術(shù)相比，兩個對應的玻璃區(qū)域和微單元區(qū)域之間的光學光導的這種物理變形，例如彎曲，提高了光從一者向另一者的耦合。

根據(jù)實現(xiàn)，個別光學光導元件傳輸線的彎曲和/或變形能夠在制造期間被控制。當閃爍體陣列和光電二極管區(qū)域的相對表面被裝配時，對應的光學耦合器粘合劑的珠最小化其表面能，且形成了沙漏形狀。其中玻璃上的潤濕區(qū)域比SiPM上的潤濕區(qū)域大，且玻璃和SiPM之間的距離小于或等于SiPM的潤濕區(qū)域，形狀能夠更類似于漏斗。

通過定制這些珠的接觸角，得到的光學光導元件的形狀能夠被定制。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所領(lǐng)會的，任何由該粘合劑形成的幾何形狀都表示三維彎月面，其具有通過粘合劑倒角(adhesive fillet)可獲得的最小表面能?？勺R別的“沙漏”形狀是由兩個液體的放射狀的對稱體積正交重疊形成。在這個上下文中，個別元件的重合失調(diào)導致非正交倒角。如前所述，若干參數(shù)能夠被控制以最小化非典型倒角的影響。作為示例，一個設(shè)計選項將會將相對于光電二極管陣列上的對應進入孔放大玻璃板上所有元件的退出孔(即，潤濕區(qū)域)。所得到的粘合劑倒角將具有一般被描述為截錐的幾何形狀，其中在玻璃板處具有錐體的更寬的底部，而在光電二極管處具有錐形的的底部。這種幾何形狀將趨于沿著其軸導入光到光電二極管元件中。應當注意，倒角的精確的幾何形狀仍將包括與任何彎月面相關(guān)聯(lián)的曲率；而且該錐體的軸將對于玻璃板和光電二極管陣列的平面是非正交的。在備選示例中，陣列內(nèi)的特定元件的量化的重合失調(diào)能夠通過對于被影響的元件是獨特的潤濕的和非潤濕的區(qū)域的定制圖案(custom pattern)而被解決。如前所述，這能夠包括這些元件的一個或多個潤濕區(qū)域的直徑中的變化；備選地，橢圓或其他形狀能夠描述一個或兩個表面的該潤濕區(qū)域。

根據(jù)一些實施例，在光子檢測器的裝配期間，光電二極管元件與閃爍體元件的對齊有助于最小化相鄰光電二極管之間的串擾。傳統(tǒng)的將光電二極管裝配到閃爍體上通常包括基于部件的邊緣將這些部件手工對齊。由于光子檢測器內(nèi)的像素的尺寸減小，維持對齊是日益困難的步驟。優(yōu)化光子檢測器的每個閃爍體元件及其對應的光電二極管元件之間的光學耦合，同時消除相鄰元件之間的串擾是主要的關(guān)鍵質(zhì)量特性制造目標。使對齊變得復雜是目前閃爍體是以鑲嵌(mosaic)方式制造——即，元件被膠合在一起，且在所有的部件上不具有相同的元件間距的事實。最小化光學粘合劑的厚度對于對齊和減少串擾是重要的。

根據(jù)一些實施例，在閃爍體和光電二極管陣列的對應元件之間形成有光學波導元件的光子檢測器具有最大化的光效率。當從玻璃板退出的最大部分比的光子最終撞擊到SiPM的光敏感區(qū)域上時，獲得這種優(yōu)化。對于某些的幾何形狀，對于玻璃板來說，不存在不具有光學耦合器的某個厚度的區(qū)域可以是必要的。本發(fā)明的一個實施例特別地提供了這種優(yōu)化。根據(jù)該實施例，在保持光電二極管陣列的表面上的光導的幾何形狀的同時，能夠形成光學耦合器在玻璃板的表面上的連續(xù)涂布。

圖5描繪了根據(jù)這種實施例的光子檢測器陣列的制造的工序500的流程圖。在這個實施例中，由于玻璃上不需要非潤濕區(qū)域的圖案，工序500與工序200(圖2)不同的是消除將非潤濕薄膜沉積和圖案化到玻璃板的表面上的步驟(即，步驟220和240)。

步驟510，非潤濕薄膜被沉積在光電二極管陣列的表面上。在沉積之后，步驟520，沉積在個別SiPM微單元的光敏感區(qū)域周圍上方的非潤濕薄膜的區(qū)域可被移除和/或以化學方式修改。

在步驟530和540中，液態(tài)的光學耦合器粘合劑分別被分發(fā)在光電二極管陣列和玻璃板上。在光學耦合器粘合劑分發(fā)到玻璃板上期間，具有大約均勻厚度的薄膜能夠被形成在板的配合表面上。板上的該均勻的粘合劑薄膜能夠，例如，通過旋轉(zhuǎn)該板來形成。

步驟550，玻璃板120和光電二極管陣列110的相對的配合表面被對齊，使得該相對的配合表面彼此面對。由于該板具有大約均勻的粘合劑層，在步驟550中將玻璃板與SiPM對齊所需要的精度低于工序200的步驟260中所需要的精度。步驟560，光子檢測器通過使玻璃板和光電二極管陣列的相對表面朝向彼此而被裝配。

在一些實現(xiàn)中，步驟570，玻璃板和光電二極管陣列的相對表面之間的受控的墊塊厚度能夠被建立。

步驟560，一旦與光電二極管陣列接觸，光學耦合器就能形成錐形彎月面的陣列，而玻璃板將保持光學耦合器的連續(xù)層，盡管具有不同的厚度。步驟580，光學耦合器粘合劑被固化，以結(jié)束光子檢測器的制造，該光子檢測器在對應的光電二極管像素元件和閃爍體元件之間具有光學耦合器光導陣列。

盡管本文已經(jīng)描述了特定硬件和方法，但注意，可根據(jù)本發(fā)明的實施例來提供任何數(shù)目的其它配置。因此，盡管已經(jīng)示出、描述和指出了基本新穎特征，但將理解，所示的實施例的形式和細節(jié)以及實施例的操作中的各種省略、替換和變化可通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員進行，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。還完全意圖和預期元件從一個實施例到另一個的替換。本發(fā)明僅關(guān)于附于該處的權(quán)利要求和其中敘述的等同物而單獨地限定。

部件列表

100.光子檢測器陣列

110.SiPM光電傳感器

光電二極管陣列

115.光學耦合器粘合劑珠

120.玻璃板/閃爍體陣列

125.光學耦合器粘合劑珠

130.光學耦合器粘合劑陣列

140.光學耦合器光導陣列

145.光導元件