Brevet FR2793072A1 — publié le 20001103

DISPOSITIF DE DETECTION COMPACT POUR GAMMA CAMERA DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de détection compact destiné à être utilisé, par exemple, dans des gamma caméras. Ce dispositif trouve des applications dans de nombreux domaines et, en particulier, dans le domaine de la médecine nucléaire. Etat de la technique Dans le domaine médical nucléaire, on utilise fréquemment des gamma caméras dont les dispositifs de détection comportent un ensemble de détecteurs juxtaposés les uns aux autres et formant un plan de détection supporté par un substrat, chaque détecteur étant connecté à un dispositif électronique de traitement du signal détecté. Un tel dispositif est décrit, par exemple, dans la demande de brevet WO-96/20412. Cependant, avec ce type de dispositif, chacun des rayons gamma est identifié uniquement par son amplitude et les informations sont stockées sous la forme d'une tension. Dans le domaine plus général des gamma caméras, d'autres types de dispositifs de détection sont connus. On connaît, en particulier, un dispositif de détection constitué d'une pluralité de détecteurs placés côte à côte sur un substrat en céramique pour former un plan de détection. Le substrat en céramique a pour but d'assurer la tenue mécanique de l'ensemble du dispositif. Pour fonctionner, un tel dispositif de détection doit être polarisé. Pour cela, le dispositif est muni de moyens de polarisation, tels qu'une résistance et un condensateur de liaison: la résistance est reliée à la masse quand le détecteur est relié à la haute tension et inversement. Ces moyens de polarisation sont placés sur la surface du substrat en céramique. Ce dispositif de détection comporte également des moyens de traitement des signaux provenant des détecteurs; ces moyens de traitement se présentent sous la forme d'un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) déposé sur le substrat. Dans ce dispositif de détection connu, le substrat en céramique est mince de façon à être transparent aux rayons y qui doivent être détectés dans le plan de détection situé sous le substrat. Le substrat est mince de façon, aussi, à ce que l'ASIC de mesure puisse être placé le plus proche possible du plan de détection, ce qui permet de minimiser les capacités parasites de la liaison entre le plan de détection et l'entrée de l'ASIC. Par ailleurs, il est connu que les moyens de polarisation d'un tel dispositif doivent être placés sur le chemin le plus court entre le plan de détection et l'ASIC. Aussi, puisque le substrat est mince, la résistance et le condensateur de polarisation sont implantés, par sérigraphie, sur la surface du substrat. Un tel dispositif de détection est décrit, en particulier, dans la publication, intitulée " A Basic Component for ISGRI, the CdTe gamma caméra on board the INTEGRAL Satellite " de M. ARQUES et al. Le dispositif de détection décrit dans cette publication est appliqué à un satellite. Dans ce cas particulier, le dispositif de détection comporte deux étages de détection pour deux gammes d'énergies. Sur ce dispositif de détection, un ASIC de mesure est installé de façon à être proche des détecteurs afin de minimiser les capacités parasites de la liaison entre les détecteurs et l'entrée de l'ASIC. Dans ce dispositif, les bruits liés à l'électronique de traitement des signaux détectés gênent la détection des signaux. Par ailleurs, ces bruits peuvent être élevés en comparaison des très faibles charges électriques mesurées. De plus, les bruits et le signal à mesurer sont synchrones. De ce fait, les temps de mesures et traitements électroniques sont séquences: pendant le temps de mesure d'un photon, l'électronique de traitement du signal est inhibée. La mesure est mémorisée, puis traitée. Si un photon se présente sur le détecteur pendant le temps de traitement, celui-ci n'est pas pris en compte. Ce mode de fonctionnement est particulièrement pénalisant en médecine nucléaire. De nombreux domaines techniques nécessitent l'utilisation d'une gamma caméra pour détecter avec une bonne efficacité de détection des signaux dont l'amplitude est proche de celle des bruits électroniques. Dans ce cas, il est nécessaire de protéger les détecteurs des perturbations électroniques dues à l'électronique du traitement du signal détecté. C'est le cas, en particulier, du domaine de la médecine nucléaire utilisant des détecteurs à base de semi-conducteur, o les signaux à détecter sont de l'ordre de grandeur du femto Coulomb. Dans ce cas, il est classique, pour l'homme du métier, d'utiliser un plan de masse pour protéger les détecteurs des perturbations dues aux bruits électroniques. Cependant, ajouter un plan de masse entre le substrat en céramique et les détecteurs pose un problème quant à la capacité parasite apportée par ce plan de masse qui doit produire le moins d'effet possible sur le signal. Par ailleurs, ajouter un plan de masse entre l'ASIC et le détecteur, sur un dispositif de détection classique, comme celui décrit précédemment, augmenterait le bruit du signal, car le substrat en céramique sur lequel est fixé l'ASIC est fin. De plus, l'homme du métier sait que l'ensemble résistance/condensateur doit être placé sur le chemin le plus court entre le détecteur et l'ASIC. Mais, il ne peut être situé sur le plan de masse car ce dernier doit être uniforme. De plus, cet ensemble résistance/condensateur ne peut être situé dans l'ASIC, à cause des capacités parasites liées à l'intégration des composants, ni être inséré entre les détecteurs. En effet, dans le domaine médical, il est important que le dispositif de détection comprenant l'électronique de traitement soit le plus compact possible et sans zone morte (zone non utilisée pour la détection). Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un dispositif de détection compact pour gamma caméra permettant la détection de signaux ayant pour ordre de grandeur le femto Coulomb, grâce à l'introduction d'un plan de masse inséré entre deux substrats en céramique. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de détection compact, par exemple pour gamma caméra, comportant: - une pluralité de détecteurs juxtaposés les uns aux autres pour former un plan de détection; et - un premier substrat en céramique, caractérisé en ce qu'il comporte: un second substrat sur lequel sont disposés les détecteurs; - des moyens de polarisation du plan de détection et des moyens de traitement du signal détecté par ledit plan de détection, placés dans le premier substrat; et un plan de masse placé entre le premier et le second substrats. Selon l'invention, le second substrat peut être réalisé dans une céramique épaisse, l'épaisseur de cette céramique étant choisie de façon à obtenir un compromis entre la qualité de sa résistance mécanique et la capacité parasite générée entre le plan de détection et le plan de masse. Selon l'invention, le premier substrat en céramique peut être épais de façon à présenter une permittivité faible et de bonne propriété mécanique. Avantageusement, les moyens de polarisation sont intégrés dans le premier substrat par un procédé de montage des composants en surface. Plusieurs dispositifs compacts de détection peuvent être juxtaposés de façon à obtenir un dispositif de détection de grande taille ne présentant aucune zone morte. Brève description des figures - La figure 1 représente schématiquement le dispositif de détection de l'invention; - la figure 2A représente schématiquement le premier substrat du dispositif de l'invention, selon une vue de dessus; et - la figure 2B représente le premier substrat du dispositif de détection de l'invention, selon une vue de dessous. Exposé de modes de réalisation de l'invention Sur la figure 1, on a représenté schématiquement le dispositif de détection compact, par exemple, pour gamma caméra, conforme à l'invention. Ce dispositif de détection comporte une pluralité de détecteurs 4a, 4b, 4c,..., 4n, juxtaposés les uns à côté des autres pour former un plan de détection 4. Ces détecteurs sont de préférence réalisés en CdZnTe, et constituent les pixels du dispositif de détection. Ces pixels détecteurs sont assemblés par collage ou par soudure, sur des contacts électriques du second substrat, référencé 3. Ces pixels détecteurs convertissent directement l'énergie des photons gamma en porteurs de charge. La collecte des porteurs de charge est réalisée grâce à des contacts déposés sur chaque pixel (mais non représentés sur la figure par mesure de simplification), auxquels on applique une haute tension de polarisation. Le signal est lu sur la résistance de polarisation de chacune des voies, à travers la capacité de liaison. Selon l'invention, le second substrat 3 est réalisé dans une céramique multicouche cofrittée, connue pour ses bonnes tolérances mécaniques, et dont l'épaisseur peut être élevée. L'épaisseur de ce second substrat 3 est choisie de façon à obtenir un compromis entre la qualité de la résistance mécanique du substrat et la capacité parasite qu'il génère. Ce second substrat 3 a pour rôle, notamment, de blinder les détecteurs contre les bruits. Un tel substrat 3 a une bonne tenue mécanique, en température et à l'humidité; il est donc facile d'assembler les détecteurs de la façon la plus jointive possible, afin de ne pas laisser de zone morte et, ainsi, d'obtenir une image de bonne qualité. En effet, une grande précision dans le positionnement de chacun des détecteurs, dans le plan de détection, permet de ne pas créer d'artefacts sur l'image acquise en sortie de la gamma caméra. Le dispositif de l'invention comporte de plus un premier substrat 1 séparé du substrat 3 par un plan de masse 2. Avantageusement, le substrat 1 est réalisé dans le même matériau que le substrat 3. Les deux substrats 1 et 3 sont assemblés mécaniquement et électriquement. Le premier substrat 1 comporte des moyens de polarisation des détecteurs, tel qu'une résistance et un condensateur, identiques à ceux de l'art antérieur décrit précédemment. Ce premier substrat comporte de plus des moyens de traitement des signaux produits par les détecteurs, appelés " ASIC ". Selon l'invention, ce premier substrat en céramique multicouche cofrittée est épais. Il a, de plus, de bonnes propriétés de tenue mécanique, à savoir une bonne tenue en température et une bonne tenue à l'humidité contrairement aux substrats de type époxy, par exemple. Cependant, comme ce premier substrat 1 est épais et réalisé en céramique multicouche cofrittée (qui rend impossible l'utilisation de procédé de sérigraphie), il n'est pas possible de réaliser les moyens de polarisation (le condensateur et la résistance) sur ce substrat par les procédés de sérigraphie classiques. Aussi, conformément à l'invention, le condensateur et la résistance de polarisation sont intégrés, par une technique de montage en surface(CMS), dans des cavités 10a réalisées dans ce substrat 1. Cette technique de réalisation est classique dans le domaine des circuits imprimés; elle est décrite, par exemple, dans un document commercial de SIEMENS , intitulé " la technique CMS-Introduction au montage en surface ". Les moyens de traitement des signaux issus des détecteurs, ou ASIC, sont également implantés dans le substrat 1 par une technique classique de prise en boîtier de puce électronique. Sur les figures 2A et 2B, on a représenté, respectivement, une vue de dessus et une vue de dessous du premier substrat 1 du dispositif de l'invention. On voit sur la figure 2A, le substrat 1 avec des cavités a à l'intérieur desquelles sont implantés les composants de polarisation 10b, à savoir des condensateurs et des résistances. Selon la figure 2B, on a représenté ce même substrat 1 dans lequel est implanté l'ASIC, référencé c. On voit également sur cette figure, les connexions d de sortie du dispositif de détection. Un plan de masse 2 est placé entre le premier substrat 1 et le deuxième substrat 3; ce plan de masse est constitué d'une couche métallique portée à une tension choisie, identique sur toute sa surface. Le rôle de ce plan de masse est de protéger les signaux à détecter des perturbations électromagnétiques provenant des bruits électroniques du dispositif. Le dispositif de l'invention comporte un nombre de détecteurs, par substrat, qui peut varier en fonction de l'optimisation des dimensions des détecteurs, des composants de polarisation et de traitement des signaux. Par exemple, le plan de détection représenté sur la figure 1 comporte seize détecteurs. Plusieurs dispositifs de détection compact peuvent être juxtaposés les uns aux autres pour former un dispositif de détection de grandes dimensions, ne comportant pas de zone morte. Un dispositif de détection, tel que décrit précédemment, peut être considéré, en fait, comme un dispositif de détection ayant un substrat utilisé dans ses trois dimensions: - les deux premières dimensions présentant une tenue mécanique suffisamment bonne pour autoriser un positionnement jointif et précis du détecteur; et - la troisième dimension étant utilisée, d'une part pour que le blindage soit à une distance suffisante pour éloigner les détecteurs du plan de masse tout en minimisant la capacité parasite produite et, d'autre part, pour ménager des cavités de profondeur suffisante pour noyer, dans le substrat, les composants de polarisation et de traitement des signaux. Un tel dispositif ne présente ainsi pas de zone morte. il Ainsi, bien que i'ASIC soit éloigné du plan de détection, la détection des signaux par un dispositif de détection conforme à l'invention permet d'obtenir des signaux de bonne qualité car les détecteurs sont isolés des bruits électroniques par le plan de masse. De plus, le fait d'utiliser un deuxième substrat 3 épais permet de diminuer les capacités parasites entre le plan détecteur et le plan de masse, car ils se trouvent suffisamment éloignés du plan de masse. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection compact comportant: - une pluralité de détecteurs (4a, 4b,...) juxtaposés les uns aux autres pour former un plan de détection (4); et - un premier substrat en céramique (1), caractérisé en ce qu'il comporte: - un second substrat (3) sur lequel sont disposés les détecteurs; - des moyens de polarisation (10b) du plan de détection et des moyens de traitement (10c) du signal détecté par ledit plan de détection, placés dans le premier substrat; et - un plan de masse (2) placé entre le premier et le second substrats. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second substrat est réalisé dans une céramique épaisse. 3. Dispositif de détection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier substrat en céramique est épais. 4. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de polarisation sont intégrés dans le premier substrat par un procédé de montage en surface CMS. 5. Dispositif de détection de grande dimension, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs dispositifs de détection compacts selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, juxtaposés les uns aux autres sans zone morte.