CN101128746A - 像素实现的电流频率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明通过提供具有多个传感器元件的辐射传感器(104)，其中，每个传感器元件具有光电检测部分和集成电流频率变换器，这种集成电流频率变换器用于所获取的模拟信号的嵌入模/数转换，这种模拟信号表明撞击在光电检测部分上的电磁辐射的强度。检测器元件通常对应于光检测器如光电二极管的像素。优选电流频率变换器和光电转换部分互为旁边地布置在共用基板上并且在CMOS技术的基础上实现，并且虑及辐射传感器的有成本效率的大规模制造。

Description

像素实现的电流频率变换器

技术领域

本发明涉及辐射检测领域，尤其涉及但并不仅限于X光的检测。

对于X光检查尤其是医学检查目的来讲，并因此而对于位于如人体内部的结构的检查来讲，X光检测是主要技术。现已开发出用于各种计算机X线断层成像术(CT)用途的多种X光检测器。X光检测器通常构造成离散形式并包括两个维度光电二极管阵列和离散电子装置，以对从光电二极管获取的电荷进行处理。对所获取的信号进行的处理允许显现位于如大量的生物材料中的结构、组织和物质。

背景技术

用于显现所获取的数据的信号处理通常在数字信号处理的基础上进行。因此，必须将由X光检测器获取的表示模拟信号的电荷变换成对应的用于后来的信号处理的数字信号。文件US 6,163,029公开了一种X光诊断设备和对应的辐射检测器。在该专利中，辐射检测器具有：光电变换装置，这种光电变换装置设置在矩阵中并用于变换通过电荷穿过试样撞击的辐射，并且积累这种电荷；读取装置，这种读取装置用于读取积累在光电装置中的电荷；预处理电路，这种预处理电路用于结合通过读取装置从光电装置读出的电荷，以变换成电压；A/D变换器，这种A/D变换器用于将来自预处理电路的模拟电压信号时差变换成数字信号；控制装置，这种控制装置用于根据辐射照射条件改变预处理电路的特征。

US 6,163,029还公开了一种X光固体平板检测器，这种X光固体平板检测器包括：多个光电变换元件，这些光电变换元件对应于所设置的每个图象元件；作为读取开关的多个薄膜晶体管(TFT)，这些薄膜晶体管对应于每个光电变换元件设置；栅极驱动器，这种栅极驱动器用于发送驱动信号至每列的TFT的栅极；多个初始阶段集成放大器，这些初始阶段集成放大器共同连接到每排的TFT的漏极；复用器，这种复用器用于将每个初始阶段集成放大器的输出时分复用；放大器，这种放大器用于将复用器的输出放大；ADC，这种ADC用于实现放大器的输出的模/数转换并输出到图象存储器。

在该专利中，在已将获取的电荷从光电转换元件读出、由初始阶段集成放大器集成以及复用之后进行模/数转换。因此，模/数转换在光电转换元件阵列之外进行并要求模拟信号预处理以及将模拟信号传送到外部模拟数字变换器。特别是在使用常规的或有成本效率的光电二极管作为光电转换元件时，必须将可能非常低的输出信号放大并通过使用如非常长的线路和连接器来传送到这些外部信号处理装置。就X光检测器的性能和整体方面而言，强制将检测器的读出电子装置放置在尽可能接近于光辐射检测元件的位置，以减少噪音以及所获取的多个信号之间的串音和干扰。而且，与以如相等形状的脉冲序列为特征的数字信号的传送相比，模拟信号的传送对微扰更加灵敏。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种以信号处理装置为特征的辐射传感器，信号处理装置用于在基板中对所获取的信号进行模/数转换，该基板与感测元件所处的基板相同。

本发明提供一种辐射传感器，这种辐射传感器具有多个传感器元件，其中，传感器元件中的每一个包括辐射检测部分，辐射检测部分适于产生电荷，以回应于电磁辐射的撞击。传感器元件中的每一个还包括电荷积累装置，这种电荷积累装置联接到辐射检测部分，以积累由辐射检测部分产生的电荷，这种电荷积累装置包括信号产生装置，这种信号产生装置用于在若积累的电荷达到预限定的阈值时产生信号。

辐射传感器通常以传感器元件的一维或二维阵列为特征，也表示为像素，这些像素表示辐射传感器的最小离散辐射检测区域。根据本发明，辐射检测器的每个像素具有电荷积累装置和信号产生装置，信号产生装置用于产生信号序列，可对这些信号作为数字信号进行进一步的处理。由信号产生装置产生的信号序列的频率通常载有由传感器元件的辐射检测部分获取的电荷的信息。因此，本发明的优点在于提供用于辐射传感器的每个像素的模/数转换，进而提供像素水平上的模/数转换装置。

因此，将由每个传感器元件即每个像素获取的电荷局部变换成数字信号。由于数字信号比模拟信号更有力地抗外部微扰，所以，通过约束模拟信号传输并且在辐射传感器的每个像素或传感器元件中进行处理，就将对模拟信号的微扰有效地降到最小，这样就提高了辐射传感器的总体灵敏度和精确度。

在另一个实施例中，辐射传感器的信号产生装置包括比较器和信号产生模块，这种比较器用于将所积累的电荷与预限定阈值进行比较，该信号产生模块用于产生具有预先确定的形状的脉冲信号，以在所积累的电荷达到预限定阈值时接收由比较器产生的旗信号作为回应。所产生的脉冲信号通常以预先确定的振幅以及预先确定的脉宽为特征。因此，可将这种信号解释为信号序列的离散信号，在所积累的电荷重复达到该阈值时产生这些信号序列。

根据本发明的另一个优选实施例，辐射传感器包括电荷反馈机构，这种电荷反馈机构用于向电荷积累装置提供恒量电荷，以回应于通过信号产生装置进行的信号的产生。这样，每次通过信号产生装置产生信号以回应于达到预限定电荷阈值的积累电荷，就将恒量的电荷提供给电荷积累装置，以恢复低于预限定阈值的电荷积累水平。

特别地，若电荷积累装置适于积累正电荷，那么在所积累的电荷高于预限定阈值时产生旗信号，当电荷积累装置适于积累负电荷时，优选在所积累的电荷降到预限定阈值以下时产生旗信号。在任何一种情形中，反馈机构向所积累的电荷提供固定量电荷的减少或叠加。在积累正电荷的情况下，若比较器检测所积累的电荷高于预限定阈值且信号产生模块产生脉冲信号，那么反馈机构提供恒量电荷的减少。因此，所积累的电荷水平然后降到预限定阈值以下，且通过连续的电荷积累，所积累的电荷重复地达到阈值，以产生脉冲信号序列。这样，甚至在辐射传感器本身的像素内可由电荷蓄电器、比较器和信号产生模块有效地产生数字脉冲列。

根据本发明的另一个优选实施例，电荷积累装置适于连续地积累电荷。电荷积累装置通常以电荷集成装置实现，如积分器。而且，通过连续地积累由辐射检测部分所产生的电荷，辐射检测绝不进行重置。因此，作为回应撞击在辐射检测部分上的电磁辐射而产生的电荷完全由电荷积累装置或积分器积累。因此，积分器或电荷积累装置以不以空载时间为特征的装置实现。

根据本发明的再一个优选实施例，积分器适于产生旗信号，以回应于超过预限定阈值的积累电荷或回应于降低到预限定阈值以下的积累电荷。这是辐射检测部分发挥提供负电荷或正电荷以回应于电磁辐射撞击的功能的原因。与此相对应，电荷积累装置也适于积累正电荷和负电荷。优选将电荷积累装置构造成积累正电荷或负电荷。而且，代表电荷积累装置的积分器也可构造成积累正电荷或负电荷。

根据本发明的再一个优选实施例，电荷积累装置还适于处理由提供入射电磁辐射的光电转换的辐射检测部分所产生的微分信号。与此相对应，传感器元件或像素的辐射检测部分或光电转换部分也适于提供通常通过两个分立导体传递到电荷积累装置的微分信号。这样，可在由微分信号传输和微分信号处理所提供的所有优点方面进行全部电荷积累以及随后的信号处理。例如，这种微分信号传输虑及了有效的共态抑制，以降低噪音并提高辐射传感器的灵敏度。

根据本发明的再一个优选实施例，由信号产生装置尤其是信号产生模块所使用的预限定阈值是可变的且确定脉冲信号的产生频率。假设传感器元件经受电磁辐射的连续撞击，辐射检测部分产生由电荷积累装置提供的电流，且这种电流的电荷由该电荷积累装置积累。因此，电荷积累装置即积分器的输出不断地增加。比较器无论在何时检测达到阈值，均会产生旗信号，从而导致脉冲信号的产生。通过降低预限定阈值，就会在较短的时间间隔内达到所积累的电荷的阈值水平，这样就导致较短的时间间隔之后的重复的信号产生。在对应的方式中，通过增加阈值可增加所产生的两个连续的脉冲信号之间的时间间隔。

根据本发明的再一个优选实施例，电荷积累装置和信号产生装置尤其是比较器和信号产生模块构成电流频率变换器(current tofrequency converter)，且传感器元件代表辐射检测片的像素，优选辐射检测片以集成电路实现。特别地，由传感器元件的辐射检测部分所产生的电流的强度确定电荷积累速度，并因此而支配连续产生的两个脉冲信号之间的时间间隔。因此，由于如撞击辐射的增加强度而导致的电流的增加直接与较短的脉冲间隔相关。这样，所产生的信号的频率会由于入射辐射强度的增加而增加。所以，本发明提供具有多个像素的辐射传感器，每个像素以嵌入的电流频率变换器为特征。

根据本发明的再一个优选实施例，在互补金属氧化物半导体技术(CMOS)或类似的集成电路制造工艺的基础上实现辐射检测部分和/或电荷积累装置和/或信号产生装置。而且，传感器元件的这些器件均互为旁边地布置在共用基板上。基于CMOS技术的实现虑及了辐射传感器的成本效率实现并适于辐射传感器和传感器元件的大规模制造。

在另一个方面，本发明提供具有多个传感器元件的辐射传感器，每个传感器元件包括：光电检测部分，该光电检测部分提供电流，以回应于电磁辐射的撞击；电流积分器，该电流积分器联接到该光电检测部分，以积累由电流提供的电荷；比较器，该比较器用于对由电流积分器积累的电荷与预限定阈值进行比较；脉冲发射器，若所积累的电荷达到预限定阈值，该脉冲发射器产生脉冲信号。在优选实施例中，辐射传感器包括传感元件的二维阵列，每个传感器元件包括根据本发明的光电检测部分、电流积分器、比较器和脉冲发射器。

根据另一个优选实施例，光电检测部分对X光灵敏。在这种情况下，整个辐射传感器适用于X光检测并优选设计成结合在X光检查设备中，如生物组织的X光检查或位于大量培养基中的非易卸结构。

在另一个方面，本发明提供具有根据本发明的至少一个辐射传感器的X光检查设备。辐射传感器具有多个传感器元件，每个传感器元件包括：光电检测部分，该光电检测部分提供电流，以回应于电磁辐射的撞击，优选这种电磁辐射在X光波长的范围内；电流积分器，该电流积分器联接到该光电检测部分，以积累由电流承载的电荷；脉冲发射器，若由电流积分器所积累的电荷达到预限定阈值，该脉冲发射器产生脉冲信号。

附图说明

在下面进行的描述中，应注意到，权利要求书中的任何参考符号并不解释为对本发明的范围进行限制。

图1示出了辐射传感器和传感器元件的示意性框图；

图2示出了具有多个辐射传感器的辐射检测器的示意性框图，每个辐射传感器具有多个传感器元件；

图3示出了传感器元件的内部结构的框图；

图4示出了反映积分器输出和脉冲信号产生的图表。

具体实施方式

图1示出了具有至少一个传感器元件102的辐射传感器100的示意性框图，传感器元件102依次包括辐射检测区域104和信号处理模块106。辐射检测区域向信号处理模块106提供电流，以回应于电磁辐射108的检测。辐射检测区域104通常以CMOS光电二极管实现，CMOS光电二极管向信号处理模块106提供电流，该电流表示电磁辐射108的强度。辐射检测区域104通常覆盖传感器元件102的主要部分。信号处理模块106通常布置在辐射检测区域旁，且辐射检测区域104和信号处理模块106均在共用基板上实现，例如，通过利用CMOS技术。

信号处理模块106通常包括电荷积累装置和信号产生装置，以将从辐射检测区域104接收的电流变换成离散信号并因此而成为数字信号的脉冲列。因此，信号处理模块106用作预处理装置和位于辐射传感器100的每个像素102中的模/数转换元件。有利的是，所获取的信号的这种预处理有助于避免将模拟信号经过明显的距离传送到位于辐射传感器100的传感器元件102的阵列之外的模拟信号处理装置的问题。通过嵌入辐射传感器100的像素102中来实现信号处理模块106，辐射检测就可更加有力地抗干扰、微扰和噪音，因为由信号处理模块106所产生的数字信号在传输到适于形成所获取的辐射108的可视图象的图象处理装置期间对任何类型的干扰特别不灵敏。

图2示意性地示出了辐射检测器140的框图。辐射检测器140具有三个辐射传感器130、132和134。图中代表性地示出了辐射传感器130的内部结构。辐射传感器130包括传感器元件102、112、122...的阵列。这些传感器元件102、112、122中的每一个并包括辐射检测区域104如光电二极管以及如在图1中示出的信号处理模块106。这些传感器元件102、112、122中的每一个适于单独地产生数字脉冲列，以回应于电磁辐射尤其是X光的撞击。在典型的实施方式中，如在X光检查设备中，这种辐射检测器140可具有大量的辐射传感器，如几百个。这些辐射传感器130、132、134也可表示为光敏片或电荷耦合器件(CCD)片。而且，在典型的实施方式中，每个辐射传感器130、132、134可具有大量的像素，甚至可达几百或几千，这些像素中的每一个典型地以在平方毫米或子平方毫米范围内的尺寸为特征。

特别地，由于通过利用CMOS技术在共用基板上集成实现光电转换部分和各自的预处理装置，所以可在大规模制造工艺中以有成本效率的方式制造片130。

图3示出了传感器元件102的内部结构及其信号处理模块106的框图。信号处理模块106具有加法器150、积分器152、比较器154、脉冲发生器156和电荷反馈模块158。通过信号处理模块106将入射在辐射检测区域104上的电磁辐射108变换成离散信号脉冲列，可在传感器元件102的输出端口160检测这些离散信号脉冲列。

加法器150适于将由辐射检测区域104提供的和由电荷反馈模块158提供的电荷叠加。加法器150的输出端联接到积分器152的输入端，积分器152用于积累由加法器的输出端提供的电荷。例如，若将积分器152设计成用于积累正电荷，那么其输出端162在恒定的强度入射在辐射检测区域上并产生联接到积分器152的恒定电流时提供上升信号。由积分器152所产生的这种上升信号联接到比较器154，比较器154将这种上升信号与预限定阈值进行比较。在这种信号达到阈值或者超过阈值的情况下，这种比较器产生传输到脉冲发生器156的旗信号。为了回应接收表明已达到集成电荷的预限定阈值水平的这种旗信号，脉冲发生器模块156产生具有预限定振幅和预限定宽度的离散脉冲信号。

脉冲发生器的输出端联接到输出端口160并联接到电荷反馈模块158。电荷反馈模块158用于将所积累的电荷水平降低到阈值以下。这样，在积分器152进行连续的电荷积累时，就会在某个时间间隔之后反复地达到这种阈值水平。因此，脉冲发生器156产生连续的脉冲信号。脉冲信号产生的频率根据阈值水平以及由辐射检测区域104所提供的电流的强度而变化。在将预限定阈值保持恒定时，脉冲信号的频率表示由辐射检测区域104所产生的电流的强度。

在将传感器元件102的输出端口160联接到各自的数字信号处理装置时，可精确地强度脉冲信号的频率，以用于所获取的电磁辐射的显现。与模拟信号传输相比，从输出端口160到各自的数字信号处理装置的数字信号的传输可非常有力的抗外部微扰并且对外部微扰不灵敏。

积分器152和辐射检测区域104甚至是比较器154也可以作为模块来实现，这些模块适于对通常由两个分立导体所传输的微分信号进行处理。在这种实施方式中，可有效地抑制由辐射检测区域104所产生的电流的共态器件，这样就允许减少传感器元件102的输出信号的整体噪音。

进一步来讲，由加法器150、积分器152、比较器154、信号发射器156和电荷反馈模块158所构成的电路还可由辐射传感器100或辐射检测器140系统时钟计时。而且，还可用连续模式来驱动这种构成电流频率转换器的电路。

图4示出了图表200，图表200表明了由积分器152所产生的信号202的时间演化。图表200还示出了对应的脉冲发生器156的输出信号204的时间演化。阈值206示出为水平线，且在对应于时间to的第一交点208产生信号210。出于电荷反馈模块158的原因，信号202随着脉冲210的产生而下降。这种反馈机理允许反复地减少所积累的电荷并使信号202能够反复上升，直到反复地达到阈值206。

在集成输出信号202的坡度表示由辐射检测区域104所产生的电流。电流越大，这种坡度就会越大，这样，脉冲信号的连续产生之间的时间间隔就会减小。因此，表明入射辐射的较大强度的升高的电流导致脉冲输出信号204的较大频率。

在对应的方式中，还可将电流频率变换器设计成用于积累负电荷。在这种情况下，集成输出信号202的坡度为负值且阈值表示较低的阈值。若信号降低到这种较低的阈值以下，比较器154就产生对应的旗信号，而且脉冲信号204也以相同的方式产生。根据在辐射检测区域104中实现的光电二极管的类型，这种创造性电流频率变换器可普遍地适用于传感器元件102的光电变换部分104的各种规格，并且也适用于随后的数字信号处理的各种规格。例如，通过降低或增加阈值206，可任意改变脉冲输出信号204的基本频率。

附图标记清单

100辐射传感器

102传感器元件

104辐射检测区域

106信号处理模块

108辐射

112传感器元件

122传感器元件

130辐射传感器

132辐射传感器

134辐射传感器

140辐射检测器

150加法器

152积分器

154比较器

156脉冲发生器

158电荷反馈模块

160输出端口

162集成输出端口

200图表

202集成输出信号

204脉冲输出信号

206阈值

208交点

210信号脉冲

Claims (14)

1.一种具有多个传感器元件(102、112、122)的辐射传感器(130)，所述传感器元件中的每一个包括：

辐射检测部分(104)，所述辐射检测部分适于产生电荷，以回应于电磁辐射(108)的撞击；

电荷积累装置，所述电荷积累装置联接到所述辐射检测部分，以积累所述辐射检测部分的电荷；

信号产生装置，所述信号产生装置用于在若积累的电荷达到预限定的阈值时产生信号。

2.如权利要求1所述的辐射传感器，其特征在于：所述信号产生装置包括：

比较器(154)，所述比较器(154)用于将所积累的电荷与所述预限定阈值(206)进行比较；

信号产生模块(156)，所述信号产生模块(156)用于产生具有预先确定的形状的脉冲信号，以在所积累的电荷达到所述预限定阈值时接收由所述比较器产生的旗信号作为回应。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：还包括电荷反馈机构(158)，所述电荷反馈机构(158)用于向所述电荷积累装置提供恒量电荷，以回应于通过所述信号产生装置进行的信号的产生。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电荷积累装置适于连续地积累电荷。

5.如权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述比较器(154)适于产生旗信号，以回应于超过所述预限定阈值(206)的积累电荷或回应于降低到所述预限定阈值以下的积累电荷，且所述电荷积累装置适于积累正电荷和负电荷。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电荷积累装置还适于对所述辐射检测部分(104)所产生的微分信号进行处理。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述预限定阈值是可变的且确定所述信号的产生频率。

8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电荷积累装置和所述信号产生装置构成电流频率变换器，且所述传感器元件(102)代表辐射检测片(130)的像素。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述辐射检测部分(104)和/或所述电荷积累装置和/或所述信号产生装置在互补金属氧化物半导体技术的基础上实现且互为旁边地布置在共用基板上。

10.一种具有多个传感器元件(102、112、122)的辐射传感器(130)，所述传感器元件中的每一个包括：

光电检测部分(104)，所述光电检测部分(104)提供电流，以回应于电磁辐射(108)的撞击；

电流积分器(152)，所述电流积分器(152)联接到所述光电检测部分，以积累由所述电流提供的电荷；

比较器(154)，比较器(154)用于对由所述电流积分器积累的电荷与预限定阈值进行比较；

脉冲发射器(156)，若所积累的电荷达到所述预限定阈值(206)，所述脉冲发射器(156)产生脉冲信号。

11.如权利要求10所述的辐射传感器(130)，其特征在于：还包括传感元件(102、112、122)的二维阵列，所述每个传感器元件包括光电检测部分(104)、电流积分器(152)、比较器(154)和脉冲发射器(158)。

12.如权利要求10所述的辐射传感器(130)，其特征在于：所述光电检测部分(104)对X光灵敏。

13.如权利要求10所述的辐射传感器(130)，其特征在于：所述电流积分器、所述比较器和所述脉冲发射器构成电流频率变换器。

14.一种X光检查设备，所述X光检查设备具有至少一个辐射传感器(130)，所述辐射传感器(130)具有多个传感器元件(102、112、122)，所述传感器元件中的每一个包括：

光电检测部分(104)，所述光电检测部分(104)提供电流，以回应于电磁辐射(108)的撞击；

电流积分器(152)，所述电流积分器(152)联接到所述光电检测部分，以积累由所述电流承载的电荷；

脉冲发射器(156)，若由所述电流积分器积累的电荷达到预限定阈值(206)，所述脉冲发射器(156)产生脉冲信号。

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