FR2689684A1 - Dispositif de micro-imagerie de rayonnements ionisants. - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comporte un détecteur bidimensionnel comprenant un matériau solide semiconducteur (2) apte à transformer un rayonnement ionisant incident en des charges électriques et présentant une première et une seconde faces parallèles, une zone de détection (4) définie dans une région centrale du matériau solide, une zone de connexion située à La périphérie de la zone de détection, au moins un premier système (10) de collection des charges consistant en un réseau d'électrodes métalliques conductrices, disposé sur la première face du matériau et comportant, dans la zone de détection, des micro-bandes parallèles, le pas (10a) des électrodes s'élargissant dans la zone de connexion de façon à être compatible avec une connexion par microbilles, et des premiers circuits de lecture (14) desdites charges, connectés électriquement au premier système de collection par hybridation par microbilles dans la zone de connexion.
Description
i
DISPOSITIF DE MICRO-IMAGERIE DE RAYONNEMENTS IONISANTS
DESCRIPTION
L'invention se rapporte à un dispositif de micro-imagerie d'un rayonnement ionisant de haute
résolution, destiné au contrôLe non destructif.
Les rayonnements ionisants auxquels s'applique l'invention sont les rayonnements X ou
gamma.
L'imagerie de rayonnements ionisants permet par projection radiographique ou par reconstruction tomographique, l'étude de la matière vivante ou non et permet par conséquent l'analyse non destructive de la structure interne d'objets de dimensions et de masses
variables irradiés.
L'obtention d'images de haute résolution nécessite une source de rayonnements ionisants de dimension extrêmement faible, ce qui correspond à un faisceau de rayonnements parallèles Une telle condition se trouve bien résolue dans le cas de
faisceaux synchrotrons.
Le dispositif de l'invention est destiné en particulier à la microimagerie radiologique et à la microtomographie de structures généralement biologiques irradiées avec des sources de basse énergie, inférieure à 5 ke V; d'alliages métalliques irradiés avec des sources d'énergie moyenne généralement comprise entre 5 et 15 ke V, mais aussi de structures composites (du type céramique ou fibreux) irradiées avec des sources d'énergie supérieure à 15 ke V. Le dispositif d'imagerie de l'invention peut donc être utilisé dans de nombreux domaines d'application, aussi bien dans les domaines médical et
biologique qu'industriel.
Dans l'industrie, l'invention s'applique par exemple dans les domaines de l'automobile, du spatial, du nucléaire, de la construction de bâtiments, etc. Plus spécialement, le dispositif de l'invention porte sur la partie détection du
rayonnement ionisant.
Les dispositifs d'imagerie de rayonnements ionisants classiques utilisant des films photosensibles, des amplificateurs de brillance, des écrans radiologiques couplés à des caméras photosensibles permettent, éventuellement en temps réel, l'obtention d'images de qualité mais dont la résolution spatiale est de quelques dizaines de micromètres. Cette résolution, due en partie à la diffusion de la lumière dans la couche de conversion du rayonnement X ou gamma en lumière, est parfois réduite par L'utilisation de structures scintillantes en aiguille (par exemple les cristaux de Cs I dans les intensificateurs d'images radiologiques) ou de
structures dont la forme est réalisée a posteriori.
Dans ce dernier cas, les résolutions sont alors de
l'ordre de 100 lm.
Aussi, ces dispositifs d'imagerie classiques ne peuvent nullement être utilisés lorsque l'on cherche à analyser des défauts dans un matériau, de l'ordre du micromètre. Une autre méthode d'imagerie bidimensionnelle connue, utilisée en médecine nucléaire, consiste à faire une reconstruction barycentrique suivant le principe d'Anger A cet effet, un ensemble de photomultiplicateurs de grande dimension, de l'ordre de mm de diamètre, récupère Les photons issus d'un scintillateur épais (cristal Cs I) (transformant le rayonnement X incident en lumière) et la localisation de cette tache lumineuse est reconstruite par un pont de résistances associant les sorties des différents photomultiplicateurs. Lorsque La résolution spatiale recherchée est une dizaine de micromètres, on utilise pour la reconstitution barycentrique un réseau d'électrodes du
type microbandes, disposées parallèlement entre elles.
A titre d'exemple, des microbandes disposées au pas de à 50 m permettent une Localisation à 5 pm près de
l'interaction X-matière.
Un tel système est en particulier décrit dans le document Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 305 ( 1991), pp 173-176, de I Hietanen et ai., "Beam test results of an ion-implanted silicon strip detector on a 100 mm wafer" Il utilise des microbandes formées par implantation ionique dans du silicium. Cette méthode d'imagerie barycentrique met malheureusement en oeuvre des moyens technologiques
complexes et encombrants.
Quand on s'intéresse à des structures microscopiques, on utilise des dispositifs de détection intégrés, basés sur la conversion directe du rayonnement ionisant en charges électriques sous champ électrique Ainsi, on élimine la diffusion latérale de
l'énergie captée par le dispositif de détection.
Dans ces dispositifs, on utilise en particulier des dispositifs à transfert de charges (CCD) irradiés directement qui permettent d'atteindre une dizaine de micromètres de résolution spatiale Ces
CCD sont formés en général dans du silicium.
Un dispositif à CCD, commercial et bidimensionnel, possède à ce jour des pixels (ou points images) de l'ordre de 7 pm et la détection du rayonnement ionisant dans le substrat de silicium permet donc une localisation, avec cette précision, mais seulement pour des photons X ou gamma de basse énergie, c'est-à-dire d'énergie < 5 ke V Le nombre de ses
applications est donc limité.
De plus, les circuits de lecture des charges créées dans le substrat, associés à ces détecteurs, sont aussi soumis aux rayonnements et vieillissent donc
très mal.
Le dispositif d'imagerie de l'invention est basé sur le principe de la localisation barycentrique
de l'énergie du rayonnement reçue par un matériau semi-
conducteur, dans un volume de 10 à 20 pm de dimension moyenne Ce principe est notamment décrit dans le
document US-A-4 411 059.
Dans ce document, la détection d'un rayonnement gamma est réalisée par des diodes p i n formées dans du silicium Cette détection est réalisée à l'aide d'électrodes lignes et d'électrodes colonnes
situées de part et d'autre des couches semi-
conductrices.
Si l'on réalisait ces électrodes sous forme de micro-bandes parallèles séparées d'un pas de 5 pm, il est possible de situer la zone de détection par reconstitution barycentrique Une précision de 10 % sur le pas des électrodes correspond à une localisation meilleure que le micromètre sur le point d'impact du rayonnement. Cette méthode permettrait donc une
localisation micrométrique du rayonnement ionisant.
Comme pour les dispositifs à transfert de charges, les circuits de lecture s'ils sont exposés aux
rayonnements ionisants, vieillissent très mal.
Dans le cas d'électrodes lignes et colonnes très rapprochées, les dispositifs d'imagerie connus ne permettent pas une lecture des charges collectées par ces électrodes, par des circuits de lecture appropriés, du fait que Le pas de ces électrodes n'est pas compatible avec une connexion par fils soudés, par
microbilles, ou par tout autre moyen.
L'invention a donc pour objet un nouveau dispositif d'imagerie de rayonnements X ou gamma permettant de remédier aux différents inconvénients mentionnés ci-dessus En particulier, ce dispositif assure une imagerie micrométrique En outre, ce dispositif peut être de petite tail Le et est
relativement simple à fabriquer.
De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif de microimagerie d'un rayonnement ionisant comportant: A) un détecteur bidimentionnel comprenant un matériau solide semi-conducteur apte à transformer un rayonnement ionisant incident en des charges électriques et présentant une première et une seconde faces parallèLes, une zone de détection définie dans une région centrale du matériau solide, une zone de connexion située à La périphérie de la zone de détection, au moins un premier système de collection des charges consistant en un réseau d'électrodes métalliques conductrices, disposé sur la première face du matériau et comportant, dans la zone de détection, des micro- bandes parallèles, le pas des électrodes s'élargissant dans la zone de connexion de façon à être compatible avec une connexion par microbilles, et B) des premiers circuits de lecture desdites charges, connectés électriquement au premier système de co L Lection par hybridation par microbilles
dans La zone de connexion.
Par micro-bandes, il faut comprendre des bandes espacées d'un pas < 10 pm En particulier, le pas des électrodes dans la zone de détection est < 5 m et
Les micro-bandes ont une Largeur < 4 P m.
Dans La zone de connexion, Le pas des électrodes est > 10 m; il peut aller jusqu'àlû O O>m IL est ainsi compatible avec une connexion par microbilles. Dans Le dispositif de micro-imagerie de L'invention, les fonctions de détection et de mesure sont dissociées et réalisées par des composants
séparés, hybrides.
De p Lus, il peut être utilisé avec des sources de rayonnement d'énergie supérieure à 15 ke V et
donc dans une Large gamme d'applications.
Il se distingue notamment des dispositifs à détection barycentrique connus par L'emploi d'un matériau semi-conducteur, non dopé, de haute résistance électrique, se présentant soit sous forme de matériau massif, soit sous forme d'une couche mince déposée sur
un substrat isolant électrique.
De plus, les circuits de Lecture étant situés en dehors de la zone de détection, Leur vieillissement
prématuré par irradiation est empêché.
Un détecteur à matériau semi-conducteur massif, conformément à L'invention, peut être utilisé aussi bien pour des rayons X ou gamma de faible énergie (< 5 ke V) que pour des rayonnements de haute énergie (< 15 ke V) En revanche, un détecteur à couche mince semi- conductrice déposée sur un substrat isolant est destiné uniquement à la détection de rayons X ou gamma très mous dont Les énergies sont inférieures à 5 ke V. Cette couche mince peut être épitaxiée par phase Liquide ou gazeuse ou être déposée selon La technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et toutes ces variantes, MOCVD par exemple Cette couche aura, en principe, une épaisseur de lpm à 50 pim afin de pouvoir arrêter les rayonnements X ou gamma d'énergie < ke V. Le substrat isolant peut être réalisé en n'importe quel matériau isolant électrique jouant aussi le rôle d'isolant thermique Comme substrat isolant, on peut citer les céramiques telles que l'alumine et la silice, les verres, Les polymères, etc. Le matériau semi-conducteur du détecteur de l'invention doit être apte à transformer le rayonnement ionisant en des charges électriques En particulier, ce matériau doit pouvoir transformer un photon X ou gamma en quelques centaines de paires d'éLectrons-trous; ce matériau semi-conducteur doit donc présenter une haute résistivité électrique, de préférene supérieure à
ohm mètre.
Le matériau semi-conducteur peut être réalisé en n'importe quel matériau semi-conducteur connu tel que le germanium, le silicium, les alliages binaires, ternaires ou quaternaires d'éléments III et V ou d'éléments II et VI de la classification périodique des
éléments.
De préférence, le semi-conducteur est du silicium, du Ga As ou du Cd Te de haute résistivité électrique. Selon l'invention, le dispositif d'imagerie peut comporter un ou deux systèmes de collection de
charges, disposés de part et d'autre du matériau semi-
conducteur et en coïncidence Dans ce cas, des seconds circuits de lecture de charges doivent être connectés électriquement au second système de collection par
hybridation par microbilles, dans la zone de connexion.
Selon l'invention, la collection des charges par une électrode ligne ou une électrode colonne peut être réalisée sur toute la dimension du détecteur, celui-ci travaillant alors en comptage photon par photon Dans ce cas, le second système de collection de charges est constitué d'une couche conductrice uniforme
déposée sur l'ensemble du détecteur.
De préférence, les deux systèmes de collection de charges sont constitués chacun, dans la zone de détection, de micro- bandes conductrices métalliques parallèles, les micro-bandes conductrices des premier et second systèmes étant croisées selon des directions faisant entre elles un angle allant de 600 à 900. De façon avantageuse, l'électrode commune mais aussi les électrodes bandes des deux systèmes peuvent être divisées en deux transversalement, ce qui permet d'accéder alors à un taux de comptage des photons supérieur et/ou à une amélioration de la
résolution spatiale du dispositif.
La Lecture des charges électriques formées dans le matériau semiconducteur par chaque ligne et colonne doit être faite à l'aide de circuits de lecture à très bas bruit puisque la charge correspondant à un photon X ou gamma détecté se répartie sur quelques voies de mesure (colonnes et Lignes) Aussi, ces dispositifs de lecture sont disposés au voisinage immédiat de la zone de détection, mais en dehors de
celle-ci pour ne pas être irradiés.
Afin d'améliorer les performances en bruit thermique des circuits de lecture, par abaissement de celui-ci, un système de refroidissement peut être prévu Ce système peut consister en une structure à
effet Peltier.
Conformément à l'invention, les circuits de Lecture sont hybridés sur le matériau semi-conducteur permettant ainsi l'obtention d'un dispositif d'imagerie de petite taille Ces circuits de lecture comportent en particulier des transistors intégrés du type MOS jouant le rôle d'amplificateurs, chaque transistor étant
associé à une électrode.
De préférence, Les sorties de ces transistors sont connectées à des résistances électriques reliées entre elles Ainsi, on peut reconstruire la localisation du faisceau incident selon le principe d'Anger. Conformément à l'invention, Les circuits de lecture des premier et second systèmes d'électrodes (par exemple des électrodes Lignes et des électrodes colonnes) peuvent être situés de part et d'autre du matériau semi-conducteur Il est toutefois possible de situer ces circuits de Lecture sur une seule et même face du matériau semi-conducteur Dans ce cas, des vias
(ou trous) peuvent être prévus dans le matériau semi-
conducteur pour permettre le passage de conducteurs
électriques d'une face à l'autre du matériau.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront mieux de la description qui va
suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles: la figure 1 représente schématiquement, en perspective, un dispositif de micro-imagerie conforme à l'invention, utilisant des circuits de lecture hybridés; la figure 1 A représente une variante de réalisation des électrodes du détecteur de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe Longitudinale du dispositif de La figure 1; la figure 3 représente schématiquement, en vue de dessus, un dispositif conforme à l'invention, utilisant des circuits de lecture intégrés sur le matériau semi-conducteur de détection; la figure 4 représente schématiquement, en perspective, une variante de réalisation du dispositif conforme à l'invention, utilisant des circuits de lecture hybridés; La figure 5 illustre schématiquement, en perspective, une autre variante de réalisation du dispositif d'imagerie conforme à L'invention, utilisant une électrode commune; la figure 6 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une autre variante de réalisation du dispositif conforme à l'invention dans lequel les circuits de lecture sont disposés d'un même côté du matériau semi- conducteur; et la figure 7 représente schématiquement, partiellement et en coupe, une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention, utilisant une
couche mince semi-conductrice pour la détection.
En référence aux figures 1 et 2, Le dispositif d'imagerie de rayonnement ionisant (X ou gamma) conforme à l'invention comprend un détecteur bidimensionnel formé d'une plaque détectrice 2 en matériau massif semi-conducteur dont la partie centrale 4 constitue la zone de détection ou zone destinée à L'imagerie La périphérie du matériau semi-conducteur 2
est destinée aux circuits de lecture.
Selon l'invention, Le matériau semi-
conducteur 2 est du silicium, de l'arseniure de gallium ou du tel Lurure de cadmium de haute résistivité électrique, typiquement de résistivité supérieure à ohms cm La plaque semi- conductrice 2 a une épaisseur typiquement de 100 à 4001 dm Elle assure la transformation du rayonnement ionisant 6 incident sur La face supérieure de la plaque 2 en paires d'électrons- trous qui sont collectées par deux réseaux d'électrodes respectivement 8 et 10 déposées directement sur Les surfaces supérieure et inférieure
du semi-conducteur 2.
Dans un semi-conducteur massif, la détection 1 1 est faite uniquement sur le principe de l'interaction photoélectrique pour que la résolution spatiale soit la
meilleure possible.
Dans La zone d'imagerie 4, les électrodes 8 ont la forme de micro- bandes orientées parallèlement entre elles selon une direction x et les électrodes 10 ont la forme de micro-bandes orientées parallèlement entre elles selon une direction y, perpendiculaire à la direction x Les électrodes 8 et 10 définissent donc dans la zone d'imagerie 4 des lignes et des colonnes de détection. Ces électrodes 8 et 10 sont réalisées, dans le cas représenté, en métal conducteur et en particulier en aluminium, chrome, argent, tungstène, or, etc EL Les sont réalisées par exemple par dépôt de métal par pulvérisation cathodique selon la technique "lift-off" (insolation d'une résine photosensible à travers un masque représentant l'image des électrodes à réalisées, développement de la résine, dépôt de la
couche métallique puis dissolution de la résine).
Les électrodes ont, dans la zone de détection, une largeur de 0,2 pm à 1,5 pm et sont espacées d'un pas de 2 pm à 10 pm; leur épaisseur est de
à 300 nm.
Dans le mode de réalisation représenté, la zone de détection ou d'imagerie 4 présente, en vue de dessus, la forme d'un carré, dont le côté est inférieur
au mm.
A titre d'exemple, une zone image 4 de 300 x 300 ym peut fournir une image de 500 x 500 pixels (points élémentaires d'affichage) après reconstruction barycentrique pour des pixels (points images dont les dimensions sont fixées par l'intersection d'une ligne et d'une colonne de la zone de détection) de 0,6 x,6 m 2 0,6 x 0,6 m Bien entendu, on peut envisager une zone de détection de forme rectangulaire de quelques mm Les méthodes barycentriques permettent une localisation du faisceau incident sur le détecteur meilleure que le micromètre Elles permettent L'emploi d'un détecteur tel que représenté sur la figure 1, au moins 10 fois plus petit que ceux utilisés jusqu'à ce
jour dans le domaine de l'imagerie X ou gamma.
Conformément à l'invention, le détecteur bidimensionnel comporte une zone de connexion ou de lecture 11 située à la périphérie de la zone de détection 4 Dans cette zone 11, le pas des électrodes 8 et 10 est supérieur à celui des électrodes dans la zone de détection et est typiquement choisi dans la
gamme allant de 100 à 1000 m.
Cet agrandissement du pas des électrodes dans la zone de connexion peut être réalisé de différentes façons. A titre d'exemple, les électrodes 8 peuvent comporter à leur extrémité, en dehors de la zone de détection 4, des branches latérales 8 a perpendiculaires à la direction x Les extrémités des branches latérales 8 a peuvent être alignées selon la diagonale z du
détecteur pour en agrandir leur pas.
De même, les électrodes 10 peuvent présenter à leurs extrémités des branches 10 a perpendiculaires à la direction y dont le pas est supérieur à celui des
microbandes dans la zone de détection.
Les branches 8 a et 10 a des électrodes 8 et 10 peuvent aussi être orientées selon une direction formant un angle obtu avec la direction x, comme représenté sur la figure 1 A Les branches 8 a et 10 a peuvent en outre ne pas être parallèles entre elles,
mais agencées en éventail.
Toute autre disposition des branches 8 a et a des électrodes 8 et 10 augmentant Leur pas dans la zone de connexion 11, afin d'être compatible avec une
hybridation par microbilles, peut être envisagée.
A un coin sur deux au moins de la surface supérieure de La plaque de semi-conducteur 2 et dans la zone 11 de connexion, on trouve des circuits intégrés 12 connectés selon une technique d'hybridation aux branches 8 a des électrodes conductrices 8, destinés à la Lecture des signaux électriques fournis par ces
électodes.
De même, on trouve, à au moins un coin sur
deux de la surface inférieure de la plaque semi-
conductrice 2 et dans La zone 11 de connexion, des circuits intégrés 14 connectés selon la technique d'hybridation aux branches 10 a des électrodes 10, destinés à la lecture des signaux électriques fournis
par ces électrodes.
L'hybridation du détecteur bidimensionnel et des circuits de lecture peut être faite au moyen d'une connectique par billes d'indium, symbolisées en 16 La connexion des circuits 12 et 14 respectivement aux électrodes conductrices 8 et 10 est réalisée à la périphérie du matériau semi-conducteur 2, là o le pas des connexions a été agrandi suffisamment pour être
compatible avec cette technologie d'hybridation.
Ainsi, les fonctions de détection et de lecture sont dissociées et peuvent être optimisées
indépendamment l'une de l'autre.
Dans la variante représentée sur les figures 1 et 2, les électrodes 8 sont réparties en deux groupes
19 et 20, connectés chacun à un circuit de lecture 12.
De même, Les électrodes 10 sont réparties en deux
groupes, connectés chacun à un circuit de lecture 14.
Les circuits de lecture 12 et 14 comportant des amplificateurs respectivement 18 et 20 à très bas bruit, situés au voisinage immédiat de la zone de détection 4; à chaque électrode 8 est connecté un amplificateur 18 et à chaque électrode 10 est connecté un amplificateur 20 Ces amplificateurs sont en particulier des transistors MOS réalisés sur un
substrat en silicium distinct de celui du détecteur.
Ces amplificateurs de lecture 18 et 20 peuvent être lus simultanément (ce qui correspond au mode de réalisation représenté sur la figure 1) ou
éventuellement indépendamment l'un de l'autre.
La localisation du faisceau incident 6 et donc le traitement des signaux fournis par les amplificateurs 18 et 20 est réalisée par des circuits dédiés respectivement 22 et 24, situés le plus loin possible de la zone de détection 4, et en particulier en dehors du semi-conducteur 2 Ces circuits dédiés sont par exemple ceux connus sous le nom de registre de lectures de charges et vendus par la Société THOMSON
(TMS).
Selon l'invention, à chaque amplificateur
peut être associé un circuit dédié de traitement.
Toutefois, il est préférable de n'utiliser que deux circuits dédiés comme cela est représenté sur la figure 1 Dans ce cas, les sorties en courant des amplificateurs du même groupe (ici 19 et 21) seront reliées les unes aux autres par un pont de résistances 26. Cet agencement apparait plus clairement sur la figue 3 qui représente, en vue de dessus, un détecteur conforme à l'invention dans lequel les circuits de lecture sont intégrés au semi-conducteur solide 2 et non plus hybridés comme représenté sur les
figures 1 et 2.
La description qui suit ne concernera que le
réseau de lignes et leurs circuits de lecture associés mais il va de soi que Les électrodes colonnes et leurs circuits de lecture associés, disposées sur l'autre face du semi-conducteur 2 peuvent être agencées selon
le même principe.
Sur cette figure 3, les électrodes supérieures, parallèles à la direction x, portent la référence 28; elles se présentent uniquement sous forme de micro-bandes parallèles entre elles et à la
direction x.
Les transistors 18 connectés chacun à une électrode ligne 28 ont leurs sorties reliées entre elles par le pont de résistances 26 de façon à obtenir uniquement deux signaux de sortie -u et +u pour les électrodes lignes x et I 1 et I pour les électrodes colonnes y Le rapport des signaux respectivement des lignes et des colonnes permet de localiser directement le point d'impact du faisceau incident sur le détecteur Ce rapport est calculé par les circuits
dédiés 22 et 24.
Les signaux électriques fournis par les circuits de Lecture 12 et 14 donnent respectivement, en coïncidence temporelle, l'abscisse x et l'ordonnée y du point d'interaction du rayonnement avec le détecteur,
de façon connue.
En plus de la forme des électrodes, la figure 3 se distingue des figures 1 et 2 par l'emploi d'un seul circuit extérieur dédié 22 du fait que les électrodes lignes 28 (et par conséquent les transistors
18) ne sont pas réparties en deux groupes.
Comme représenté sur la figure 4, il est possible de couper les électrodes supérieures et les électrodes inférieures en deux parties égales selon la direction y perpendiculaire aux micro-bandes On peut obtenir ainsi quatre groupes respectivement 28, 30, 32 et 34 d'électrodes supérieures associés chacun à un circuit de lecture 12 identique à ceux décrits précédemment La détection, divisée ainsi en quatre secteurs, permet une amélioration de la résolution
spatiale ou du taux de comptage.
Il est aussi possible, comme représenté sur La figure 5, d'utiliser l'un des deux systèmes d'électrode, par exemple celui supporté par la face supérieure du semi-conducteur 2, sous forme d'une électrode commune 38 qui couvre toute La dimension de la zone de détection 4 du détecteur Dans ces conditions, le détecteur travaille en comptage photon
par photon.
Cette électrode commune 38 est bien entendu connectée en sortie à un amplificateur 18 situé en dehors de la zone de détection 4 par exemple intégré au semi-conducteur. Le réseau d'électrodes inférieur peut être agencé comme représenté sur la figure 1 ou bien être
découpé en secteurs comme représenté sur la figure 4.
De même, L'électrode commune 4 peut être coupée en deux parties identiques se Lon une direction perpendiculaire à la direction x, ce qui permet
d'accéder à un taux de comptage deux fois plus grand.
Sur les figures 1 à 5, Les circuits de lecture respectivement 12 et 14 des électrodes lignes et des électrodes colonnes étaient disposés respectivement sur Les faces inférieure et supérieure du semi-conducteur 2, revêtues respectivement des
électrodes lignes et des électrodes colonnes.
Toutefois, il est possible, comme représenté sur la figure 6 de disposer les circuits de lecture 12 des électrodes lignes sur la face inférieure du détecteur 2 A cet effet, des vias 40 (ou trous) sont formés à la périphérie du semi-conducteur 2 et le traversant de part en part Ces trous sont remplis d'un matériau conducteur 42 permettant de relier Les électrodes 8 à des prises de contact électrique 44 formées sur la face inférieure du semi- conducteur 2 et
destinées à la connexion d'un circuit de lecture 12.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 6, Les circuits de Lecture 12 sont des circuits hybridés, connectés via des billes d'indium 16
aux prises de contact électrique 44.
Les trous 40 peuvent être faits par laser ou par ultrasons et la métallisation de ces trous est réalisée soit par dépôt chimique, soit par transport en phase vapeur Dans ces conditions, les circuits de lecture 12 et 14 respectivement des lignes et des colonnes peuvent être formés sur une même puce rapportée sur Le semi- conducteur 2 La connexion des lignes et des colonnes conductrices avec les circuits de lecture 12 et 14 est assurée comme sur la figure 1.
Le détecteur de L'invention représenté sur les figures 1 à 6 comportait comme matériau de détection un substrat semi- conducteur massif 2 Il permettait ainsi la détection de rayonnement X ou gamma d'énergie inférieure à 5 ke V, d'énergie comprise entre ke V et 15 ke V ou encore d'énergie supérieure à 15 ke V. De p Lus, un dispositif de refroidissement 46 (voir figures 1 et 2) peut être prévu pour améliorer Les performances des amplificateurs, par baisse du bruit thermique Ce dispositif est en particulier nécessaire pour l'imagerie de rayonnements d'énergie supérieure à 5 ke V Ce dispositif de refroidissement
consiste en des circuits à effet Peltier.
Dans le cas de rayons X ou gamma très mous, c'est-à-dire d'énergie inférieure à 5 ke V, il est possible de réaliser Le détecteur de l'invention, comme
représenté sur la figure 7.
Ce détecteur comporte un substrat isolant électrique et thermique 48, par exemple en alumine, à la surface supérieure duquel est réalisé le système d'électrode 10 inférieur Ces électrodes colonnes peuvent être réalisées en tungstène ou en chrome selon la technique "lift-off" et avoir les formes
représentées sur les figures 1 à 4.
L'ensemble des électrodes 10 est recouvert d'une couche 50 de silicium amorphe ou de tout autre matériau semi-conducteur de haute résistivité, de quelques micromètres d'épaisseur Cette couche 50 constitue la couche de détection du rayonnement ionisant assurant la transformation de ce rayonnement
en charges électriques.
A la surface supérieure de la couche détectrice 50, on trouve les électrodes lignes 8 orientées, au moins dans la zone de détection, perpendiculairement aux électrodes colonnes 10 Elles sont réalisées comme décrit précédemment (figures 1 à 4). Sur la figure 7, les circuits de lecture lignes 12 et colonnes 14 sont rapportés par hybridation sur la couche de détection 50 Ils peuvent bien entendu être intégrés à la couche 50 De plus, ces circuits
peuvent se trouver soit du même côté de la couche semi-
conductrice 50, soit respectivement sur la surface supérieure de la couche 50 et sur le flanc, comme représenté sur la figure 7 De plus, ces circuits sont
disposés du même côté du substrat 48.
Conformément à l'invention, ces circuits de lecture sont situés à la périphérie de la couche de
détection 50.
Les amplificateurs de lecture intégrés au semi-conducteur de détection (figure 3) ou hybridés (figures 1, 2) sont constitués de transistors NMOS
et/ou PMOS conformément aux techniques de la micro-
électronique. Au lieu d'utiliser deux réseaux d'électrodes métalliques, comme décrit précédemment, il est possible de localiser le rayonnement gamma ou X incident en n'utilisant qu'un seul réseau d'électrodes, par exemple le réseau d'électrodes supérieure 8, associé à des liaisons résistives Dans ce cas, il suffit d'ajouter sur les électrodes métalliques supérieures et de façon connue des lignes résistives formées par exemple à
partir de diffusion ionique dans un matériau semi-
conducteur différent de celui du détecteur, chaque extrémité étant alors reliée à un amplificateur pour localiser sur la ligne métallique le point d'impact du
rayonnement X ou gamma.
La détermination de l'impact du rayonnement incident lorsque l'on utilise une liaison résistive est
réalisée comme décrit dans le brevet US-A-4 411 059.
Claims (11)
1 Dispositif de micro-imagerie d'un rayonnement ionisant comportant: A) un détecteur bidimentionnel comprenant un matériau solide semi-conducteur ( 2, 50) apte à transformer un rayonnement ionisant incident ( 6) en des charges électriques et présentant une première et une seconde faces parallèles, une zone de détection ( 4) définie dans une région centrale du matériau solide, une zone de connexion située à la périphérie de la zone de détection, au moins un premier système ( 10) de collection des charges consistant en un réseau d'électrodes métalliques conductrices, disposé sur la première face du matériau et comportant, dans la zone de détection, des micro-bandes parallèles, le pas C( 10 a) des électrodes s'élargissant dans la zone de connexion de façon à être compatible avec une connexion par microbilles, et B) des premiers circuits de lecture ( 14) desdites charges, connectés électriquement au premier système de collection par hybridation par microbilles
dans la zone de connexion.
2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu 'un second système ( 8, 28, 38) de collection de charges est disposé sur la seconde face dudit matériau et au moins en regard des micro-bandes métalliques du premier système et en ce que des seconds circuits de lecture ( 12) desdites charges sont connectés électriquement par hybridation par microbilles au second
système de collection dans la zone de connexion.
3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second système ( 8, 28) de collection de charges consiste en un réseau d'électrodes comportant, dans la zone de détection, des micro-bandes métalliques conductrices parallèles, orientées perpendiculairement aux micro-bandes
conductrices du premier système de collection.
4 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les micro-
bandes ont un pas < 5 Pm. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le pas des
électrodes dans la zone de connexion est > 10 Pm.
6 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau
semi-conducteur est un matériau massif ( 2) ou une couche mince ( 50) déposée sur un substrat isolant électrique. 7 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau
semi-conducteur ( 2, 50) est réalisé en silicium, arséniure de gallium ou tellurure de cadmium de haute
résistivité électrique.
8 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les micro-
bandes conductrices du premier ( 10) et/ou du second ( 8, 28) système sont coupées transversalement en deux
parties identiques.
9 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les
premiers et seconds circuits ( 12, 14) de lecture sont
disposés sur les deux faces opposées du matériau semi-
conducteur. Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les
premiers et seconds circuits ( 12, 14) de lecture sont disposés sur la même face du matériau solide, des vias ( 40) étant pratiqués dans ledit matériau pour assurer le passage de conducteurs électriques ( 42) sur l'autre face du matériau, destinés à la connexion électrique
des circuits ( 12) montés sur cette autre face.
11 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 3 à 10, caractérisé en ce que les
premiers et/ou seconds circuits de lecture comportent des transistors ( 18) jouant le r 6 ôLe d'amplificateurs,
chaque transistor étant associé à une électrode.
12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les transistors des premiers et/ou seconds circuits de lecture ( 12, 14) présentent des sorties reliées électriquement entre elles par des
résistances électriques ( 26).
13 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 3 à 12, caractérisé en ce que les micro-
bandes conductrices du second système de collection,
dans La zone de détection, sont associées à des micro-
bandes diffusées dans le matériau semi-conducteur
( 2), de haute résistivité électrique.
14 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 3 à 13, caractérisé en ce que les
électrodes du premier et/ou du second système de collection présentent, en dehors de la zone de détection, des branches ( 8 a, 10 a) évasées à partir des micro-bandes respectivement du premier et/ou du second système et servant à La connexion des micro- bandes aux
circuits de lecture associés.
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