DE102005045895B3

DE102005045895B3 - CMOS Röntgenflachdetektor

Info

Publication number: DE102005045895B3
Application number: DE102005045895A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Spahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: US20070069111A1; US7622719B2

Abstract

Bereitgestellt wird ein großflächiger CMOS Röntgenflachdetektor. Dieser besteht aus einer Mehrzahl von CMOS-Detektorchips (10, 48), die auf einem Substrat (32) gebuttet aufgebracht sind. Dargestellt werden zwei mögliche alternative Ausführungsformen der CMOS-Detektorchips. Bei der ersten Ausführungsform sind Ansteuer- und Ausleseelemente (14, 20, 22) jeweils an zwei von vier Kanten des Chips vorgesehen. Werden hierbei die Anschlussleitungen zur ersten Kante hingeführt, ist eine Ausführungsform ermöglicht, bei der mehr als vier solcher CMOS-Detektorchips nebeneinander aufgebracht sind. DOLLAR A Bei einer alternativen Ausführungsform sind sämtliche Ansteuerungen und Auslegungen von einer ersten Kante (50) aus ermöglicht, so dass hier mindestens sechs solche CMOS-Detektorchips nebeneinander auf dem Substrat aufgeklebt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen großflächigen Röntgenflachdetektor auf der Grundlage von CMOS-Technologien.
Digitale Detektoren halten immer mehr Einzug in der medizinischen Röntgenbildgebung. Sehr verbreitet sind digitale Röntgenflachdetektoren auf der Grundlage von amorphem Silizium. In dem amorphen Silizium sind Fotoelemente ausgebildet, die detektorelementsweise Signale entstehen lassen. Auf dem amorphen Siliziumchip ist eine Schicht aus Cäsiumjodid als Szintillator aufgebracht, welcher auf dem Detektor einfallendes Röntgenlicht in sichtbares Licht für die Fotoelemente auf dem amorphen Silizium-Chip umwandelt.
Gegenüber Chips aus amorphem Silizium würden CMOS-Technologien eine Reihe von Verbesserungen ermöglichen. Beispielsweise könnten Verstärker auf dem Detektorelement vorgesehen sein, welche das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessern. Eine automatische Dosismessung (AEC, Automatic Exposure Control) kann auf dem Chip integriert werden. Die Detektoren können zählende Detektoren sein.
Die CMOS-Technologie hat allerdings auch den Nachteil, dass sie, bezogen auf die Fläche, sehr teuer ist. Die bekannte Kostenreduktion bei Computerchips ist darauf zurückzuführen, dass die Chips immer kleiner werden. Röntgenflachdetektoren sind aber von ihrer Größe her durch die Fläche der durch die Röntgentechnik abzubildenden Organe (Thorax, Schädel, etc.) bestimmt. An sich notwendig wäre ein großflächiger CMOS-Detektor mit einer Fläche von 43 × 43 cm². Die größten Flächen der heute modernsten Anlagen erreichen jedoch nicht mehr als Wafer-Durchmesser von etwa 30 cm (12 inch), wodurch man eine maximale quadratische Fläche von etwas mehr als 20 × 20 cm² erhält.

Aus der US 5,528,043 A , der DE 698 19 935 T2 , der US 2003/0200655 A1 und der EP 0 700 582 B1 sind jeweils Röntgenflachdetektoren bekannt, bei denen eine Mehrzahl von rechteckigen CMOS-Detektorchips auf einem Substrat gebuttet aufgebracht werden. Die Technik des Buttings ist an sich auch von amorphen Siliziumchips her bekannt. Butting bedeutet, dass die Chips aufgeklebt werden und nahe aneinander gefügt werden. In dem genannten Stand der Technik werden solche rechteckigen CMOS-Detektorchips verwendet, die an einer ersten Kante Ansteuerelemente für die Ansteuerung von Detektorelementspalten auf dem Chip aufweisen und einer zweiten Kante senkrecht zur ersten Kante Ausleseelemente für das zeilenweise Auslesen von Detektorelementen aufweisen. An der dritten und vierten Kante sind Detektorelemente angeordnet. Das Butting erfolgt hierbei so, dass die CMOS-Detektorchips schindelartig aufeinander angeordnet sind. Jeweils ein Abschnitt eines Detektorchips, auf welchem Detektoren angeordnet sind, liegt über einem Abschnitt eines benachbarten anderen Detektorchips, auf dem Ausleseelemente angeordnet sind, so dass man bei Draufsicht auf den Detektor eine geschlossene Folge von Detektorelementen sieht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die CMOS-Technologie für die Herstellung eines verbesserten großflächigen CMOS-Röntgen-Flachdetektors zu nutzen.

Die Erfindung geht von der Situation aus, dass eine Mehrzahl von CMOS-Detektorchips hergestellt wird, die auf einem Substrat gebuttet aufgebracht werden.

Zur Erfindung gehört, dass die Elemente auf dem CMOS-Detektorchip in bestimmter Weise angeordnet sind, die ein Butting ermöglichen.

Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der CMOS-Detektorchips nutzt die CMOS-Technologie dahingehend, dass an der zweiten bis vierten Kante des rechteckigen CMOS-Detektorchips jeweils Detektorelemente vorgesehen sind und nur an einer Kante gleichzeitig Ansteuer- und Ausleseelemente vorgesehen sind.

Diese Ausführungsform lässt sich dadurch umsetzen, dass zu jedem Detektorelement ein Logikelement vorgesehen wird, das eine getaktete Ansteuerung der Detektorelemente Zeile für Zeile von der ersten Kante aus ermöglicht. Vorzugsweise ist auch hier wieder ein Multiplexer an der ersten Kante vorgesehen, der die spaltenweise Auslesung bei Vornahme der Taktung steuert. Durch Taktung einerseits und Multiplexen andererseits wird das Auslesen von Informationen aus den Detektorelementen von nur einer Seite aus ermöglicht.

Solche CMOS-Detektorchips können paarweise in beliebiger Anzahl aneinander gefügt werden, so dass ein länglicher CMOS-Röntgenflachdetektor baubar ist. Entsprechend enthält der CMOS-Röntgenflachdetektor mindestens sechs CMOS-Detektorchips.

Weiterhin gehört zur Erfindung ein CMOS-Röntgenflachdetektor gebildet aus einer Mehrzahl von rechteckigen CMOS-Detektorchips, die auf einem Substrat gebuttet aufgebracht sind, wobei auf jedem CMOS-Detektorchip mit vier Kanten (also einem rechteckigen Detektorchip) entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten CMOS-Detektorchips, an einer ersten Kante Ansteuerelemente für die Ansteuerung von Detektorelementspalten auf dem Chip vorgesehen und an einer zweiten Kante senkrecht zur ersten Kante Ausleseelemente für das zeilenweise Auslesen von Detektorelementen vorgesehen sind. An der dritten und vierten Kante des CMOS-Detektorchips sind Detektorelemente angeordnet.

Die CMOS-Detektorchips sind schindelartig aufeinander angeordnet, wobei jeweils ein Abschnitt eines Detektorchips, auf welchem Detektoren angeordnet sind, über einem Abschnitt eines benachbarten anderen Detektorchips liegt, auf dem Ausleseelemente angeordnet sind, derart, dass man bei Draufsicht auf den Detektor eine geschlossene Folge von Detektorelemen ten sieht. Auf der schindelförmigen Anordnung ist ein Röntgenkonverter angeordnet, wobei erfindungsgemäß zwischen dem Röntgenkonverter und dem Chip Füllmaterial zur Anpassung an eine horizontal ebene Unterseite des Röntgenkonverters vorgesehen ist.

Es werden die Ausleseelemente über einen Multiplexer auf dem Chip ausgelesen, dessen Anschlussleitungen von der ersten Kante her zugänglich sind. Damit entfallen Anschlüsse an der zweiten Kante.

Es werden nun aus dem Stand der Technik bekannte Beispiele und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in der
1A eine Draufsicht auf einen aus vier Detektorchips bestehenden Röntgenflachdetektor entsprechend dem Stand der Technik zeigt und
1B eine Seitenansicht des CMOS-Röntgenflachdetektors aus 1A zeigt,
2A eine Draufsicht auf einen CMOS-Röntgenflachdetektor gemäß einer Alternative der Erfindung zeigt, wobei die hierbei verwendete Butting-Technik insbesondere in 2B veranschaulicht ist, und der Röntgenkonverter und das Füllmaterial nicht gezeigt werden, wobei
2B eine Seitenansicht des CMOS-Röntgenflachdetektors aus 2A darstellt,
3 eine Draufsicht auf einen CMOS-Röntgenflachdetektor gemäß der Erfindung darstellt und
4 einen einzelnen CMOS-Detektorchip zur Umsetzung der Ausführungsform gemäß 3 mit weiteren Details veranschaulicht.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt werden die CMOS-Detektorchips, um ein Butting von CMOS-Detektorchips zu ermöglichen, ausgestaltet, wie es in 1A gezeigt ist: Lediglich an einer ersten und zweiten Kante sind Ansteuer- bzw. Ausleseelemente vorgesehen, an einer dritten und einer vierten Kante sind Detektorelemente vorgesehen.
Auf einem CMOS-Detektorchip 10 ist eine erste Kante 12 vorgesehen, an der Ansteuerelemente 14 bereitgestellt sind, welche einzelne Spalten von Detektorelementen 16 auf dem Chip ansteuern können. Da nur eine Spalte jeweils zeitgleich angesteuert wird, genügt eine Auslesung, welche zeilenweise funktioniert, wobei dann das Element aus der jeweiligen Zeile und der jeweiligen Spalte ausgelesen werden kann. Zur Auslesung sind an einer zweiten Kante 18 des Chips 10 Ausleseverstärker 20 vorgesehen, welche über einen Multiplexer 22 ausgelesen werden. Eine Anschlussleitung 24 zum Auslesen des Multiplexers 22 ist zur ersten Kante 12 hingeführt, an der sich gleichzeitig die Zuleitungen 26 für die Ansteuerelemente 14 befinden. Somit sind sämtliche Leitungen zu und von dem Chip 10 von der ersten Kante 12 her zugänglich, also lediglich von vier Seiten aus.
Die Detektorelemente 16 erstrecken sich auf dem Chip bis hin zu einer dritten Kante 28 einerseits und zu einer vierten Kante 30 andererseits. Vier Chips 10, 10', 10'' und 10''' sind somit über ein Butting aneinanderfügbar, wobei sich eine nahezu geschlossene Fläche aus Detektorelementen 16 ergibt, die lediglich durch einen kleinen „Klebstoffgraben" getrennt sind. Dargestellt ist in 1A ein solches Butting, bei dem keine Detektorzeile oder Detektorspalte fehlt. Die einzelnen Detektorelemente 16 der Chips 10, 10', 10'', 10''' fügen sich somit zu einer geschlossenen CMOS-Röntgenflach-detektorfläche zusammen. Falls die Schnittkanten nicht so nahe an die Detektoren gesetzt werden können, kann in der CMOS-Röntgenflachdetektorfläche auch eine Leerspalte oder Leerzeile vorgesehen sein.
1B veranschaulicht eine Seitenansicht des CMOS-Röntgenflachdetektors aus 1A. Hierbei ist mit 32 ein Substrat gekennzeichnet, auf dem CMOS-Chips 10 und 10''' aufgeklebt sind. Zwischen den Chips 10 bzw. 10''' und dem Substrat 32 befindet sich der Butting-Klebstoff 34. Dieser befindet sich auf der Oberfläche des Substrats 32. Lediglich im Bereich der eigentlichen Buttingzone 34, d.h. an der Kante 30 des ersten Chips 10 und der entsprechenden Kante des zweiten Chips 10''' kann der Klebstoff zwischen die beiden Chips 10 und 10''' gelangen. Dies ist mit schwarzer Darstellung angedeutet.
Auf den einzelnen Chips 10, 10''' befindet sich, eine geschlossene Schicht bildend, der Röntgenkonverter (Szintillator) 36.
Unter dem Substrat befindet sich ein Elektronik-Board 38, auf das die Anschlüsse geführt sind. Die gesamte Anordnung umgibt ein Detektorgehäuse 40, aus dem Zuleitungen herausgeführt sind, welche eine Schnittstelle 42 zum Elektronik-Board 38 hin, also letztlich zu den Zuleitungen 24 und 26 hin, bilden.
Die Ausbildung der Chips derart, dass die Zuleitungen alle von einer Kante 12 her zugänglich sind, ist insbesondere vorteilhaft dafür verwendbar, eine besondere Art des Buttings vorzusehen, welches in 2 veranschaulicht ist und aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Wie in 2B in der Seitenansicht besonders gut zu sehen ist, werden dieselben Detektorchips 10, wie sie aus 1 bekannt sind, nunmehr schindelförmig aufeinander angeordnet. Hierbei liegt jeweils ein Abschnitt mit einer Kante, an der Detektorelemente 16 angeordnet sind, über einem Abschnitt, an dem die Ausleseverstärker 20 und der Multiplexer 22 angeordnet sind. Somit werden die Ausleseverstärker 20 und der Multiplexer 22 verdeckt. Dadurch bildet sich eine geschlossene Fläche von Detektorelementen, wie sie in 2A gezeigt ist. Insbesondere können auf diese Weise auch mehr als vier CMOS- Detektorchips 10 auf einem Substrat 32 angeordnet werden. Während immer zwei solche Chips 10 und 10' nebeneinander (in 2A übereinander) anzuordnen sind, ist die Zahl der benachbart anzuordnenden Chips in der anderen Richtung, in 2A, also seitlich gesehen, beliebig. Dargestellt ist in 2A eine Gesamtanzahl von sechs Chips, wobei theoretisch auf der rechten Seite weitere Chips eingefügt werden könnten.
Genutzt wird hierbei insbesondere die Tatsache, dass die Leitung 24 von dem Multiplexer 22 jeweils seitlich zur ersten Kante 12 hinweggeführt ist, so dass ein mittiger Chip 10'' (siehe 2A) mit drei Seiten an andere Chips angrenzen kann, zumindest in der Draufsicht.
Um die Chips 10 in der in 2B gezeigten schindelförmigen Anordnung zu halten, muss der Klebstoff 34 die Anordnung stabilisieren. Gezeigt ist hier, dass der Klebstoff jeweils rampenförmig unter den einzelnen Chips 10 angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird auf den Übergang zum Röntgenkonverter 36 Füllmaterial 44 eingebracht, welches den Übergang zu einer horizontal ebenen Unterseite 46 des Röntgenkonverters schafft. Im gezeigten Fall besteht das Füllmaterial aus einem anderen Material als der Röntgenkonverter, beispielsweise kann es sich um optisch durchlässigen Klebstoff handeln, wenn ein Indirekt-Röntgenkonverter, beispielsweise aus Cäsiumjodid, verwendet wird.
Das Füllmaterial muss die Anforderung erfüllen, dass es stabil genug ist, den Röntgenkonverter zu halten und andererseits die Signalauswertung oder Signalausbreitung nicht behindert. Wird ein Direkt-Röntgenkonverter verwendet, so kann das Füllmaterial jedoch auch aus demselben Material wie der Direkt-Röntgenkonverter oder aus einem leitenden Material bestehen. Besteht das Füllmaterial aus demselben Material wie der Direkt-Röntgenkonverter hat naturgemäß dieser keinen wirklich getrennten horizontal ebenen Abschluss mehr.
3 veranschaulicht nun eine erfindungsgemäße Alternative der Bereitstellung für das Butting geeigneter CMOS-Detektorchips. Einzeln ist ein solcher Chip in 4 dargestellt. Der einzelne CMOS-Detektorchip 48 zeichnet sich dadurch aus, dass lediglich an einer einzigen Kante des rechteckigen CMOS-Detektorchips Ansteuer- und Ausleselemente (gleichzeitig) vorgesehen sind, wobei an der zweiten bis vierten Kante jeweils Detektorelemente vorgesehen sind. Hierbei ist die erste Kante mit 50 bezeichnet, und die zweite Kante, an der Detektorelemente vorgesehen sind, ist mit 52 bezeichnet, die dritte Kante, an der Detektorelemente vorgesehen sind, ist mit 54 bezeichnet, und die vierte Kante, an der Detektorelemente vorgesehen sind, ist mit 56 bezeichnet. Unter „an der Kante vorgesehen sind" wird hier verstanden, dass die Detektorelemente zu Detektorelementen auf einem benachbart gebutteten Chip im üblichen Detektorabstand angebracht sein können.
Insbesondere sind in 4 Logikelemente und Schalttransistoren mit 58 bezeichnet, welche ausreichend wenig Platz verbrauchen, um ein Detektorelement 60 noch als eigentlich an der Kante 56 befindlich anzusehen. In der Darstellung gemäß 3 ist der seitliche Abstand von zwei Detektorelementen 60 voneinander nämlich nicht größer als der Abstand von einem Detektorelement 60 auf dem Chip 48 zu einem Detektorelement 60' auf dem Chip 48'. Es kann auch hier jedoch vorkommen, dass bei Schnittkanten, welche nicht so nahe an die Detektoren an dem Rand gesetzt werden können, in der CMOS-Röntgenflachdetektorfläche eine Leerzeile oder Leerspalte vorgesehen werden müssen.
Die Ansteuerlogikelemente und Schalttransistoren 58 ermöglichen insbesondere eine getaktete Ansteuerung der einzelnen Detektorzeilen. Über eine erste Leitung 62 werden diese Ansteuersignale von einem Ansteuerelement 64 aus zu den Logikelementen 58 gesendet. Eine Abfrage erfolgt dann spaltenweise über zweite Leitungen 65, die Ausleseverstärker 66, und einen Auslesesignal-Multiplexer 68. Die Zuleitung zu dem Elektro nik-Board kann an einer einzigen Stelle erfolgen und ist im Bild gemäß 4 mit 70 bezeichnet. Die Ausführungsform gemäß 3 bzw. 4 nutzt die CMOS-Technologie in besonderer Weise dazu, einen CMOS-Detektorchip bereitzustellen, der insbesondere gut gebuttet werden kann. Aus der Technik mit amorphem Silizium ist die Verwendung von Ansteuerlogikelementen und Schalttransistoren wie den Elementen 58 passend zu den Detektorelementen (Fotoelementen) 60 so nicht bekannt. Auch hier ist es möglich, in einer Dimension (in 3 von oben nach unten) zwei benachbarte CMOS-Detektorchips anzuordnen, in der anderen Dimension (in 3 von links nach rechts) jedoch eine beliebige Anzahl von CMOS-Detektorchips. Die Realisierung eines großflächigen CMOS-Röntgenflachdetektors ist dadurch erleichtert.

Claims

CMOS-Röntgenflachdetektor mit einer Mehrzahl von rechteckigen CMOS-Detektorchips (10, 10', 10'', 10'''; 48, 48'), die auf einem Substrat (32) gebuttet aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur an einer Kante (50) der rechteckigen CMOS-Detektorchips (48) Ansteuer- (64) und Ausleseelemente (68) vorgesehen sind und an der zweiten bis vierten Kante jeweils Detektorelemente (60) vorgesehen sind.
CMOS-Röntgenflachdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Detektorelement (60) ein Logikelement (58) vorgesehen ist, das eine getaktete Ansteuerung der Detektorelemente (60) Zeile für Zeile von der ersten Kante (50) aus ermöglicht, und dass vorzugsweise ein Multiplexer an der ersten Kante (50) die spaltenweise Auslesung bei Vornahme der Taktung steuert.
CMOS-Röntgenflachdetektor nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens sechs CMOS-Detektorchips.
Rechteckiger CMOS-Detektorchip, bei dem nur an einer Kante (50) Ansteuer- und Ausleseelemente (64, 68) vorgesehen sind und an der zweiten bis vierten Kante jeweils Detektorelemente (60) oder zu den Detektorelementen jeweils einzeln zugehörige Einheiten (58) vorgesehen sind.
Rechteckiger CMOS-Detektorchip (48) nach Anspruch 4, bei dem zu jedem Detektorelement (60) ein Logikelement (58) vorgesehen ist, das eine getaktete Ansteuerung der Detektorelemente Zeile für Zeile von der ersten Kante (50) aus ermöglicht, und dass vorzugsweise ein Multiplexer (68) an der ersten Kante die spaltenweise Auslesung bei Vornahme der Taktung steuert.
CMOS-Röntgenflachdetektor mit einer Mehrzahl von rechteckigen CMOS-Detektorchips (10, 10', 10'', 10'''; 48, 48'), die auf einem Substrat (32) gebuttet aufgebracht sind, wobei auf jedem rechteckigen CMOS-Detektorchip (10) an einer ersten Kante (12) Ansteuerelemente (14) für die Ansteuerung von Detektorelementspalten auf dem Chip vorgesehen sind und an einer zweiten Kante (18) senkrecht zur ersten Kante Ausleseelemente (20) für das zeilenweise Auslesen von Detektorelementen (16) vorgesehen sind, und dass an der dritten und vierten Kante Detektorelemente (16) angeordnet sind, und wobei die CMOS-Detektorchips (10) schindelartig aufeinander angeordnet sind, wobei jeweils ein Abschnitt eines Detektorchips (10), auf welchem Detektoren (16) angeordnet sind, über einem Abschnitt eines benachbarten anderen Detektorchips liegt, auf dem Ausleseelemente (20) angeordnet sind, derart, dass man bei Draufsicht auf den Detektor eine geschlossene Folge von Detektorelementen (16) sieht, wobei auf der schindelförmigen Anordnung ein Röntgenkonverter (36) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Röntgenkonverter (36) und dem Chip (10) Füllmaterial (44) zur Anpassung an eine horizontal ebene Unterseite (46) des Röntgenkonverters vorgesehen ist.
CMOS-Röntgenflachdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleselemente (20) über einen Multiplexer (22) auf dem Chip (10) ausgelesen werden, dessen Anschlussleitungen (24) von der ersten Kante (12) her zugänglich sind.
CMOS-Röntgenflachdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Indirekt-Röntgenkonverter (36) verwendet wird, und dass das Füllmaterial (44) aus optisch durchlässigem Klebstoff besteht.
CMOS-Röntgenflachdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Direkt-Röntgenkonverter verwendet wird, und dass das Füllmaterial aus demselben Material wie der Direkt-Röntgenkonverter oder aus einem leitenden Material besteht.