PDF문서020_High-resolution radiation detection sensor manufacturing technology.pdf

닫기

background image

Contact: Heejin Choi

Email: hjchoi2@etri.re.kr

Phone: +82. 42. 860. 4946

High-resolution radiation 

detection sensor 

manufacturing technology

Applicable for medical imaging field


background image

2

TECHNOLOGY BRIEF

▣ Technology Overview

High-resolution radiation detection sensor manufacturing 

technology

• Silicon device, which can replace vacuum tube PMT, can operate at a low bias 

voltage unlike PMT.

• It is made of thousands of micro-pixel in matrix form to easily match with 

scintillators.  The device can have an extreme gain of over 1 million times 

bigger and can react with weak source of lights such as a single photon.

PMT, radiation, detection sensor, pixel structure, SiPM, medical 

imaging, and etc.

6

□ Keywords

□ TRL

Substrate

Pixel

Pixel diagram

Technology Categorization Code

Sector

Subsector

Industry

Fuse Creativity

Medical ICT

Medical Device


background image

3

TECHNOLOGY BRIEF

High-resolution radiation detection sensor manufacturing 

technology

• Vacuum tube PMT (Photo-Multiplier Tube) is big and is problematic when 

operating at high voltage over 3,000 volt because of Geiger mode 

operation.

• SiPM(Silicon Photo-Multiplier) operates at a low bias voltage and has a 

matrix structure of pixels.  It increases fil  factor to detect weak source of 

light such as a single photon wel .

Used industrially such as in medical imaging devices and 

academically such as in nuclear energy / physics

• A sensor not only for low dose CT equipment, but also for radiation 

detector.

• A popular sensor for medical imaging devices such as PET, PET-MR.
• Can be applied academical y or industrial y such as spectroscopy sensor 

in nuclear and aerospace research.

▣ Technology Description

▣ Application Fields

< Previous PMT >

< New SiPM >


background image

4

▶ Comparison of previous PMT and new SiPM technology

▶ Advantages of new SiPM technology

• Structure of the device: An important parameter in imaging sensor is the structure 

needed to maximize light detection efficiency.  Fil  factor can maximize.

-Position Quenching circuit, which occupies a significant portion of light-receiving 

area, to maximize fil  factor on dead area between pixels.
Operating voltage: Variation of 20 - 40V to apply in different systems.
Processing: Use CMOS standard processing that considers CMOS processing and 

compatibility.

▣ Outstanding Features

▣ IPR Status

PMT

SiPM

Material

Vacuum tube

Semiconductor

Multipling Gain

~ 10 

6

~ 10 

6

Operation Mode

Geiger

Geiger

Application Field

Various

Various

Operation Voltage (Volt)

~ 3000

20 - 70

Magnetic field Effect

Affect

Free

Weight

Heavy

Light

Handling

Careful

Easy

Conjunction with other equip.

Bad

Easy

Detectable Wavelength

UV - Green

Near IR - UV

Photon detection Efficiency (% )

25

20 (25 at -50 

oC)

Dynamic range (# of pixels)

~ 10 

5 /in 2

~ 10 

3  /mm2

Thermal Noise

Low

Relative High

No.

Country

Application 

Number (date)

Status

Title

1

KR

2013-0016481

Registered

Multiple pixel silicon 

photomultiplier structure to 

improve fil  factor.

2

US

14/181053

Registered


background image

5

• Sensor development and 

detector development in medical 

devices field is almost 

nonexistent and expensive 

medical devices used 

domestical y are imported.

• Due to absence of domestic 

sensors, sensors are imported, 

assembled, and delivered.  

Detector industry is not 

technology intensive but labor 

intensive form.

• Personal urban meter sensor 

also relies on imports.

• Competition among countries are 

becoming fiercer due to 

globalization and digitalization.  

Innovation is very important for 

such competition.

• R&D investment has increased in 

medical diagnosis device field 

using radiation detection / 

measurement and radiation due 

to steady technology 

development.

• Due to awareness in radiation 

field after Fukushima nuclear 

disaster has increased personal 

radiation detection devices and 

quality of life.  This helps increase 

medical bil s.

Medical imaging industry is focused in advanced countries because of its 

high values.

-New generation medical imaging diagnosis area can help develop 

advanced fusion technology such as 21st century industry leading IT, BT, 

NT, chemistry, physics, material science and engineering.

-Implemented domestic technology in all aspects from structure of the 

sensor to production, so its contributions is significant to domestic 

sensor industry.

□ Korea

□ Global

▣ Technology Trend

Applied area

Specific demands

Medical imaging field

Sensors such as PET, PET-MR, PET-CT, low dose CT

Academics field

Spectral sensors for nuclear physics and high 

energy physics

Other fields

X-ray search sensors for airport / ship, personal 

radiation detectors, oil / mineral navigation 

sensors, other non-destructive sensors

▣ Demands


background image

6

기술수요

적용처

-In medical imaging device market, about $8.4 billion market was formed in 

2012 and estimated about 6% growth until 2018. ("Report for medical 

devices market", 2013 Korea Health Industry Development Institute)

▣ Market Trend

Market rate of growth

World Market Size (‘08, in $100 million)

Fu

tu

re

past~present

Endoscope,

Source: Global Markets Direct.  The Future of the Medical Equipment Industry (2008.11),

BCG consulting report (2010.09), Knowledge Economy R&D Medical Devices Vision Strategy Planning2020 (2011)

Drug Delivery device

Vitro Diagnosis

Ophthalmic 

equipment

Video Diagnosis

Dental Device

Anesthesia / 

Respiratory Device

Orthopedic 

Device

Cardiovascular

Device

Biopsy 

Diagnostics

Patient 

Care Device

Injury Management

Surgical  Equipment

Medical 

information

Endoscopic  Diagnosis

-Worldwide Radiation Detector Revenues by Application, Radiation Detection 

Materials Markets-2011, NanoMarkets, LC

2013

2014

2015

2016

2017

2018

CAGR

Domestic Security

390

404

432

461

498

537

6.61%

Military

195

205

218

231

249

270

6.72%

Medical Imaging

664

666

716

769

830

897

6.20%

Nuclear Power

98

103

110

117

126

136

6.77%

Geophysical

92

98

104

111

120

130

7.16%

Others

165

181

196

215

236

257

9.27%

Total(M$)

1,604

1,657

1,776

1,904

2,059

2,227

6.78%

Market Size(Tril ion won)

1.764

1.823

1.954

2.095

2.265

2.450

1$=1,100₩

Unit: $1mil ion

Dialysis Equipment

Drug Delivery device


background image

7

Sensor design technology

Sensor manufacturing process technology

§

Radiation detection sensor manufacturing technology 

Electrical signal measuring technology in sensor

Optical signal measuring technology in sensor

§

Radiation detection sensor measurement technology

▶ Applications

▶ Examples of expected applications

• Highly efficient SiPM device design for high sensitivity sensing 
• Medical imaging equipment that uses radiation sources such as X-ray or γ-ray or 

design sensor devices that can directly detect radiations 

• Design device that converts radiation into visible light region

▣ Applications and examples of expected applications

▣ Scope of Technology Transfer

SiPM device design technology

SiPM device processing technology

SiPM device measuring technology (electrical / optical)

§

Know-How technology