CN101490580A - 用于探测电磁辐射的探测器和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于探测电磁辐射(106)的探测器单元(301)，所述探测器单元(301)包括：转换材料(332)，适于将入射电磁辐射(106)转换为电荷载流子；电荷收集电极(331)，适于收集所转换的电荷载流子；屏蔽电极(334，335)，适于与所述电荷收集电极(331)形成电容；以及评估电路(312至315)，电耦接至所述电荷收集电极(331)，并适于基于所收集的电荷载流子来评估所述电磁辐射(106)。
Description
技术领域
本发明涉及探测器单元。
本发明还涉及探测器装置。
而且，本发明涉及探测电磁辐射的方法。
此外，本发明涉及程序元件。
进一步，本发明涉及计算机可读介质。
背景技术
X射线成像在包括医学应用的许多技术领域中是重要的。
医学成像是医生评估对象身体的外部不可见的区域的过程。医学成像可以是在寻求诊断和检查特定人患者的疾病时临床促进的。替代地，其可以由研究者使用以理解活体中的过程。针对医学成像研发的许多技术也具有科学的和工业的应用。
在射线照相术的情况下，探针是X射线束，该X射线束被在诸如骨头、肌肉和脂肪的不同组织类型中以不同比率吸收。在传播通过被检查对象的身体后，透射的X射线束生成表示被检查对象的内部结构的强度图案。
当前，市场上的大多数固态数字X射线探测器由平的玻璃板制造，该玻璃板上面具有非晶硅(a-Si)薄膜电子器件和X射线转换层。它们是利用光电二极管阵列的上面的闪烁器的间接转换类型或使用电极阵列上面的光电导体的直接转换类型。入射的X射线在转换层中被吸收，并且经由在阵列的每个像素中生成的电荷，产生X射线吸收的数字图像。
对玻璃上的薄膜电子器件的替代是使用单晶硅晶片用于像素电子器件。如上，能够制造具有或不具有光电二极管的像素用于间接的或直接的X射线转换。与a-Si像素电路相比，使用单晶硅中的标准CMOS工艺一般导致具有较小噪声和更多功能性的电子电路。在间接转换探测器的情况下，能够将闪烁器直接生长或粘结在Si晶片上。对于直接X射线转换材料，也存在两种可能：或者连接单独制造的层，例如利用bumb ball，或者在硅上直接沉积。能够在以下文献中找到间接转换类型的CMOS探测器的范例：H.Mori，R.Kyuushima，K.Fujita，M.Honda，“High Resolution and HighSensitivity CMOS PANEL SENSORS for X-ray”，IEEE 2001 Nuclear ScienceSymposium Conference Record，Vol.1，pp.29-33(2001).
此外，参照W.Zhao，G.DeCrescenzo，J.A.Rowlands，“Investigation of lagand ghosting in amorphous selenium flat-panel x-ray detectors”，SPIE MedicalImaging Vol.4682，pp.9-20，2002。
然而，传统探测器的灵敏度可能不足以用于特定应用。
发明内容
本发明的目的是提供足够敏感的探测器。
为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求的探测电磁辐射的一种探测器单元、一种探测器装置、一种方法，提供了一种程序元件以及集中计算机可读介质。
根据本发明的范例实施例，提供了用于探测电磁辐射的探测器单元，该探测器单元包括：转换材料，适于将入射电磁辐射转换为电荷载流子；电荷收集电极，适于收集所转换的电荷载流子；屏蔽电极，适于与所述电荷收集电极形成电容；以及评估电路，电耦接至所述电荷收集电极的至少一部分(或耦接至其全部)，并适于基于所收集的电荷载流子来评估所述电磁辐射。可选地，所述评估电路可以与所述屏蔽电极电耦接(例如通过欧姆耦接)。
根据本发明的另一范例实施例，提供了一种用于探测电磁辐射的探测器装置，所述探测器装置包括多个互连的(例如布置成如同矩阵的阵列，具有行线和列线)具有上述特征的探测器。
根据本发明的另一范例实施例，提供了一种探测电磁辐射的方法，所述方法包括：将入射电磁辐射转换为电荷载流子；在电荷收集电极处收集所转换的电荷载流子；以及通过评估电路，基于所收集的电荷载流子来评估所述电磁辐射；其中，所述评估电路可以可选地与设置为与所述电荷收集电极形成电容的屏蔽电极的至少一部分电耦接。
根据本发明的另一范例实施例，提供了一种计算机可读介质，其中存储有探测电磁辐射的计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序适于控制或执行具有上述特征的方法。
根据根发明的另一范例实施例，提供了一种探测电磁辐射的程序元件，当由处理器执行时，所述程序元件适于控制或执行具有上述特征的方法。
能够通过计算机程序，也就是软件，或通过使用一个或多个专门的电子优化电路，也就是硬件，或以混合的形式，也就是借助于软件组件和硬件组件，来实现可以根据本发明的实施例来执行的用于处理控制和/或数据评估目的的数据处理。
在此申请的上下文中，术语“电磁辐射”可以具体表示转换材料所敏感的任何期望的波长或频率范围的光子。具体地，此术语可以涵盖γ域(regime)、X射线区、红外区、光学区、以及紫外区中的辐射。
术语“转换材料”可以具体表示能够将入射电磁辐射(例如具体频率或频率范围的)转换成如(带负电的)电子和/或(带正电的)空穴的电荷载流子。针对X射线辐射的该转换材料的范例是硒、碘化汞、氧化铅或CdTe。可以根据转换材料会敏感的电磁辐射来执行对用于特定应用的转换材料的选择。
术语“评估电路”可以具体表示任何传统布线的或集成的电路，其可以包括如晶体管、阻抗、欧姆电阻、电容、电感、逻辑门、微处理器等的电路组件。该评估电路可以具有评估电信号(如电荷信号或电压信号或电流信号)的能力，该电信号由探测器单元的组件生成并表示入射到探测器单元或像素上的电磁束的量(例如能量)。该评估电路可以作为集成电路形成，例如在如硅晶片的单晶基底上和/或中。
术语“自举”可以具体表示电路或逻辑，根据该电路或逻辑，参考电位或屏蔽电位被迫跟随输入信号至对应的水平。
术语“屏蔽电极”可以具体表示针对评估电路来屏蔽电荷收集电极的电极。从而，屏蔽电极可以至少部分地将电荷收集电极从评估电路分离，使得例如评估电路中相对大的电压不对电荷收集电极的传感器精度产生消极影响。
由屏蔽电极和电荷收集电极形成的电容可以用于将生成的电荷量转换成电压，用作探测信号。从而，电容值可以对灵敏度有影响。通过针对评估电路来屏蔽电荷收集电极，可以抑制或消除由在评估电路中传播的可以扰乱电荷收集电极的电荷收集精度的电信号引起的不期望的影响。
在以集成电路技术实现的探测器单元的叠层的层序列中，评估电路可以掩埋在屏蔽电极以下的基底中和/或设置于该基底上，屏蔽电极依次位于电荷收集电极以下，电荷收集电极依次位于转换材料以下。从而，屏蔽电极可以夹置于评估电路和电荷收集电极之间。
根据范例实施例，探测器单元的屏蔽电极可以至少部分地与评估电路电耦接(例如欧姆地)，由此容许显著地降低形成于屏蔽电极和电荷收集电极之间的电容的值。通过采取此措施，可以显著提高探测器单元的灵敏度。
为了降低电容值，本发明的范例实施例可以使用降低有效像素电容(其可以用于集成由X射线与直接转换传感器材料相互作用而生成的电荷)的自举电路，并且因此就输出电压与输入电荷的关系来说可以导致更高的灵敏度。
通过将屏蔽电极分裂成两个或更多个部件(它们可以欧姆地分离)，并通过连接一部分至自举电路并连接一部分至参考电位，能够以用户规定的方式在由连接至自举电路的屏蔽电极的部分提供的低的值和由连接至参考电位的屏蔽电极的部分提供的高的值之间选择性地调节有效像素电容。这容许自动地或在用户的控制下调节(以无级的或逐级的方式)探测器单元的灵敏度。为此目的，可以预见控制开关或调整器。通过这样的开关，选择性地将每个单独的电极结构连接至参考电位或至评估电路是可能的。该选择因此可以对有效电容有影响。
然而，根据范例实施例，两个部件(接地部分和耦接至评估电路的部分)可以对电容的贡献有效。当电极的部分既不连接至自举电路又不连接至参考电位时，屏蔽被打断或不连续，并且像素电极和安置于下面的电子器件之间的电容将变得有效。在实际实施中，将屏蔽电极的所有部件连接至(规定的)电位或部件中的一个是有利的。从而，未连接的“浮置”电极原理上是可能的，但是在许多情况下是不期望的。
从而，根据范例实施例，可以提供具有高灵敏度的直接转换CMOS X射线探测器。本发明的实施例涉及X射线探测器，其使用与CMOS像素电路结合的直接的X射线转换。
借助于可以减小电荷收集电极的有效电容的自举电路，该像素电路可以提供非常高的灵敏度。
典型地，平的X射线探测器中的像素间距可以达到从150μm至200μm，除乳房造影法和牙科成像外，在乳房造影法和牙科成像中，像素尺寸通常小于100μm。在X成像中能够观察到的一种趋势是，也用于心脏学、神经学以及血管应用的空间分辨率将被提高。由于小的特征尺寸，单晶硅探测器的像素尺寸能够容易地减小到远低于100μm的值，利用用于晶体管和其它电子元件的此技术，所述小的特征尺寸是可能。
然而，在间接转换探测器的情况下，空间分辨率可以受到在闪烁器中传播的光的限制。在许多情况下，不能减小其厚度来保持高的X射线吸收产率。为了充分利用具有小像素的探测器的高空间分辨率，直接X射线转换可以更好地适合。能够容易地将如硒、碘化汞、氧化铅或CdTe的直接转换材料制作得足够厚，以吸收典型地具有用于医学成像的束质量的X射线的超过80％。因为生成的电荷载流子(电子和/或空穴)可以跟随施加的偏置场的场线，所以可以获得非常高的空间分辨率，偏置场可以垂直于像素电极的表面和通常未构造的顶电极。M.P.Andre等在SPIE Medical ImagingVol.3336，pp.204(1998)中公开了直接转换类型的CMOS探测器的一个范例。
除空间分辨率外，直接转换CMOS探测器的另一优点是可能克服小像素中光电二极管的有限的填充因子。在直接转换探测器中，几乎覆盖整个像素区域的金属层能够用作像素电极。
在直接转换固态X射线探测器的情况下，几乎整个的像素表面可以用作收集电极。此电极可以是像素电容的部分并可以对输入电荷和来自下面的电子器件的分布信号都非常敏感。因此，连接至参考电位的屏蔽电极可以实施在收集电极之下，以提供用于像素电容器的稳定的第二电极，和防止不需要的分布信号到达电荷收集电极。
电荷收集电极和屏蔽电极的此布置可以形成输入电容或可以对输入电容起作用。此电容的值可以由像素尺寸和用于制造像素的实际制作工艺控制，并且经常可以比所希望的大，因此导致太低灵敏度的电路。
本发明的实施例可以使用可以减小有效像素电容的自举电路(用于集成由X射线与直接转换传感器材料的相互作用而生成的电荷)并因此就输出电压和输入电荷的关系来说可以导致较高的灵敏度。
通过将屏蔽电极分区并通过将其部分耦接至自举电路并部分耦接至参考电位(如地电位)，能够在仅由自举电路提供的非常低的值和仅由屏蔽电极处的参考电位提供的高的值之间调节有效像素电容。
本发明的实施例能够应用于使用直接X射线转换和像素电子器件，尤其是使用CMOS技术的所有种类的X射线探测器。CMOS尤其适合于本发明的实施例，因为其得到了充分的发展和广泛的传播。然而，也可以以其它技术来实施本发明的实施例。
本发明的实施例应用的范例领域能够例如是心血管X射线、普通X射线、神经学、整形术、乳房造影法以及牙科成像。
通过将对(远)红外辐射起反应的转换材料放置在传感器上，能够制造热成像器件。因此可以针对非常不同的波长范围来实施本发明的实施例。
X射线系统的范例医学应用可以包括人类的检查，但也包括动物的检查，使得本发明的实施例可以用于兽医领域。
接下来，将描述探测器单元(例如探测器装置的像素)的另外的范例实施例。然而，这些实施例也适用于探测器装置(例如包括多个像素的阵列)，适用于方法，适用于程序元件以及适用于计算机可读介质。
评估电路可以电(例如欧姆地)耦接屏蔽电极的至少一部分。这可以容许减小由电荷收集电极和屏蔽电极形成的电容C的值，这可以对探测器或传感器的灵敏度产生影响。例如，当基于入射辐射束在转换材料中生成电荷量Q时，电容C可以对将此电荷Q转换成探测器电压U做贡献。按照简单方程CU＝Q或U＝Q/C，较小的电容C的值可以导致较高的每电荷的电压，由此提高灵敏度。
屏蔽电极的至少一部分可以与参考电位耦接。屏蔽电极的该部分可以保证电容C的值不变得太小，也保证U不超过较高阈值。从而，屏蔽电极的接地部分可以防止评估电路的过压或饱和。
屏蔽电极可以包括电耦接至评估电路的第一部分，并可以包括与评估电路电分离的第二部分。换句话说，屏蔽元件可以分裂成直接连接至可以配置在自举结构中的评估电路的第一部分。与此对照，第二部分可以与评估电路电分离(例如欧姆地电分离)并且也与屏蔽电极的第一部分电分离。通过采取此措施，第一部分可以对电容提供小的贡献，而第二部分可以对电容提供大的贡献。因此，通过选择性地将第一部分和/或第二部分切换成与探测器单元的其余组件“连通”或“断开”，可以获得有效电容的选择性的调节。将屏蔽电极分裂成多个(超过两个)部分也是可能的，也就是说除第一部分和第二部分外，至少之一附加部分。该程序可以容许改善调节特征。然而，“浮置”电极可以是不期望的。
第二部分可以与参考电位电耦接，例如与地电位(Vss)电耦接。然而，第二部分与集成电路的较高电位(例如电源电压，Vdd)电耦接也是可能的。
探测器单元可以包括调节单元，调节单元适于通过调节第一部分和第二部分的至少之一来调节由屏蔽电极和电荷收集电极形成的电容的值。该调节可以容许提高使用探测器单元的灵活性，因为可以以任何期望的方式控制电容。该“调节”可以包括选择性地连接或断开屏蔽电极的部分、调节电极大小和/或几何结构和/或将电极耦接至特定电位或特定电路组件。
评估电路可以配置为自举电路。通过此配置，可以显著提高探测器单元的灵敏度，因为探测器单元的屏蔽电极现在也可以连接至评估电路，改善了系统的功能性。
评估电路可以包括开关元件，所述开关元件适于使用经由复位线提供的控制信号来选择性地使所述电荷收集电极复位。该开关元件可以是晶体管，其中供应到晶体管(如场效应晶体管)的栅极连接的信号可以用作用于控制晶体管的传导状态的控制信号。利用合适的控制信号，可以使得开关元件导通或不导通，由此容许通过引导由先前的探测生成的电荷至例如地，或通过使电荷收集电极达预定电位，来使评估电路的探测状态复位。
评估电路还可以包括缓冲器元件(其也可以具有放大器的功能)，所述缓冲器元件耦接至所述电荷收集元件并适于对所述电荷收集电极的电位进行缓冲。电位因此可以被“复制”或存储在缓冲器元件中，用于随后的分析。由缓冲器元件提供的增益因子可以接近一。
例如，缓冲器元件可以包括源极跟随器，尤其是具有电耦接至其源极接触部的衬底接触部的源极跟随器。该源极跟随器可以是对应地控制的场效应晶体管(FET)。在将衬底接触部电耦接至源极接触部的配置中，可以进一步提高探测的精度。
仍然参照先前描述的实施例，评估电路还可以包括另外的开关元件，所述另外的开关元件在所述缓冲器元件和读出线之间连接，并适于将所述缓冲器单元选择性地耦接至所述读出线或使其从所述读出线分离。读出线可以是探测器单元至探测器阵列或探测器装置的其它探测器单元的连接，其中，可以经由读出线将表示探测器单元的探测结果的信号供应给中央控制单元。
评估电路可以包括耦接至所述屏蔽电极的至少一部分的负载元件(例如电阻器，也就是说欧姆负载元件)。通过将该负载元件连接至评估电路中，可以适当地规定评估电路的操作点，由此容许改善系统的精度。作为电阻的替代，甚至可以更期望使用(恒定的)电流源。
转换材料可以是直接转换材料。换句话说，探测器单元可以适于将电磁辐射直接转换成电荷量。
转换材料可以位于电荷收集电极上。例如，电荷收集电极可以是半导体叠层中的金属层，其然后可以覆盖有沉积其上的转换材料。在转换材料上面，可以提供高电压顶部连接。
下面，将解释探测器装置的另外的范例实施例。然而，这些实施例也适用于探测器单元，适用于方法，适用于程序元件以及适用于计算机可读介质。
探测器装置的至少一部分可以形成为单片集成电路，尤其是可以以CMOS技术形成。从而，探测器的至少一部分可以单片地集成在基底内，具体地是半导体基底，更具体地是硅基底。然而，本发明的实施例也可以适用于III-V族半导体的环境，如砷化镓。该单片集成可以显著地减小探测器单元的大小，并且因此可以提高空间分辨率。此外，在集成方案中，可以保持短的信号处理路径，使得可以减小传导路径的长度，沿该路径通过扰动效果可以对信号起负作用。因此，该单片集成的探测器可以是尤其有用的。
探测器装置可以适于为由X射线探测器装置、光学探测器装置、以及红外探测器装置构成的组中的至少之一。X射线探测器装置因此能够探测由X射线源生成的并透过被研究的对象和/或由其散射的X射线。在红外探测器装置中，可以探测红外辐射。当转换材料对可见光敏感时，探测器装置也可以用作相机。更一般地，选择对电磁辐射的特定频率范围敏感的直接转换材料，几乎可以使用任何期望的辐射频率作为用于探测的基础。
探测器装置可以配置为心血管设备、神经学设备、整形术设备、乳房造影法设备、牙科成像设备、行李探查设备、医学应用设备、材料测试设备或材料科学分析设备。更一般地，探测器装置可以用于其中的X射线或其它电磁辐射的透射或吸收可以测量的任何领域中。
本发明的上述方面和另外的方面从以下要描述的实施例的范例是明显的，并且将参照这些实施例的范例来解释它们。
附图说明
以下将参照实施例的范例更详细地描述本发明，但是本发明不限于实施例的范例。
图1示出了计算机层析设备，其中实施了根据本发明的范例实施例的探测器装置；
图2示出了根据本发明的范例实施例的探测器单元；
图3示出了根据本发明的范例实施例的探测器装置；
图4示出了探测器装置的探测器单元；
图5至图8示出了根据本发明的范例实施例的探测器装置的探测器单元。
具体实施方式
附图中的示例是示意性的。在不同的附图中，类似或相同的元件设置有相同的参考符号。
下面，参照图1，将描述根据本发明的范例实施例的计算机层析设备100。
在计算机层析设备100中，包括探测器装置123，探测器装置123由根据本发明的范例实施例的多个探测器单元301形成。将参照图3更详细地解释探测器装置123。将参照图2示意性地解释探测器单元301的实施例，并参照图5至图8更详细地解释探测器单元301的实施例。
图1中描绘的计算机层析设备100是扇束CT扫描仪。图1中描绘的扫描仪包括台架101，该台架可以绕旋转轴102旋转。台架101由马达103驱动。参考数字104标明诸如X射线源的辐射源，其根据本发明的一方面可以发射多色辐射或基本上单色的辐射。
参考数字105标明孔隙系统，该孔隙系统将从辐射源104发射的辐射束形成为扇形辐射束106。将扇束106定向成使得其穿过布置在台架101的中心的感兴趣的对象107，台架101的中心即扫描仪100的检查区域，并使得其入射到探测器123上。如从图1可以得到的，探测器123布置在台架101上，与辐射源104相对，使得探测器123的表面被扇束106覆盖。
图1中描绘的探测器装置123包括多个探测器元件或探测器单元301，每个探测器元件或单元301都能够探测透过感兴趣的对象107的X射线。
在对感兴趣的对象107的扫描期间，辐射源104、孔隙系统105以及探测器123沿台架101在由箭头116表示的方向上旋转。为使具有辐射源104、孔隙系统105以及探测器123的台架101旋转，将马达103连接至马达控制单元117，马达控制单元117连接至计算或确定单元118。
在图1中，感兴趣的对象107是置于传送带(未示出)上的行李物品。在对感兴趣的对象107扫描的过程中，在台架101绕行李物品107旋转的同时，传送带沿平行于台架101的旋转轴102的方向移置感兴趣的对象107。这样，沿螺旋扫描路径扫描感兴趣的对象107。在扫描过程中，传送带也可以停止，以由此进行信号切片测量。代替传送带，例如在感兴趣的对象107是患者的医学应用中，可以使用活动台架。然而，应当注意，在所有描述的情况下，也可能执行圆形扫描，其中在平行于旋转轴102的方向上没有位移，而是仅有台架101绕旋转轴102的旋转。
如图1中所示，能够通过扇束配置来实现实施例。为了生成原始扇束，孔隙系统105配置为狭缝准直器。
探测器123连接至确定单元118。确定单元118接收探测结果，即来自探测器123的探测器元件301的读数，并基于这些读数确定扫描结果。此外，确定单元118与马达控制器117连通，以协调台架101与具有传送带的马达103和120的运动。
确定单元118可以适配为使用层析重构来根据探测器123的读数而重构图像。由计算单元118生成的重构的图像可以由显示单元130输出。
确定单元118可以由数据处理器实现，以处理来自探测器123的探测器元件301的读数。
此外，如从图1可知，确定单元118可以连接至扬声器121，例如以在行李物品107中探测到可疑材料的情况下自动输出警报。
作为对CT设备的替代，探测器装置123的实施例可以用于任何其它期望的技术应用，例如用于2D投影X射线系统。
下面，参照图2，将更详细解释根据本发明的范例实施例的探测器单元301。
探测器单元301适于探测X射线，并包括适于将入射电磁辐射106转换为电荷载流子的直接转换材料332，电荷载流子即电子和/或空穴。
直接转换材料332接触并因此电连接至电荷收集电极331，电荷收集电极331适于收集所转换的电荷载流子。由箭头251表示此功能连接。
此外，设置屏蔽电极335，其适于与电荷收集电极331形成电容。换句话说，部件331和335包括导电的平坦部分，该平坦部分彼此相对地定位，由此形成电容。
此外，评估电路200设置为集成电路，其与电荷收集电极331电耦接(见箭头252)，并适于基于所收集的电荷载流子来评估电磁辐射106(定性地和/或定量地)。还有，评估单元200与屏蔽电极335电耦接，如由箭头253所示。
虽然图2中未示出，但是屏蔽电极335定位于电荷收集电极331和评估电路200之间。结果，屏蔽电极335防止电荷收集电极331受到发生在评估电路200中的相对高的电压的消极影响。
评估电路200包括能够生成表示电磁辐射106的量、能量等的输出信号204。该结果信号可以供应到处理器用于进一步的处理、解释或输出。
下面，参照图3，将解释根据本发明的范例实施例的探测器装置123。
探测器装置123可以实施在计算机层析设备中(如图1中所示的层析设备)、射线照相术系统中或其中需要X射线探测的任何其它技术环境中。
如图3中所示，固态X射线探测器123包括像素区格301的阵列201和关联的线驱动电路202以及读出放大器/复用器203。间接转换探测器单元301’可以使用如图4中所示的电路。
其包括能够借助切换装置312而被复位为电源电压的光电二极管311，切换装置312由复位线321控制。此连接也称作输入节点A。X射线或曝光减小输入节点A上的电压。在读出期间，此节点上的电压由如源极跟随器313的缓冲器复制，并借助于由控制线322致动的读出开关314来放置在读出线323上。可以用标准CMOS工艺将通常的n沟道源极跟随器313制造在p外延层上并且该跟随器可以具有约0.8的增益，因此，仅以减小的形式将来自输入节点A的信号复制到读出线323，影响可实现的信噪比。
根据本发明的范例实施例的直接转换探测器301可以使用如图5中所示的电路。
在如图5中所示的直接转换X射线探测器单元301的情况下，图4的光电二极管311由电荷收集电极331和屏蔽电极334代替，屏蔽电极334在第一实例中连接至参考电位340。电荷收集电极331能够制作在后端叠层的顶部金属中，参考电极334能够制作在相邻的较低的金属层中。直接转换材料332连接至电荷收集电极331并也具有连接至高压源HV的顶部接触部333。
电极331和334形成输入电容C_in的主要的部分，其余部分在连接、复位开关312以及源极跟随器313中分配。
图5的电路的功能未从图4的先前情况发生改变，仅有的差异是，现在，从直接转换材料332所收集的电荷填充像素电容并因此改变输入节点A上的电压。
图6中示出了根据本发明的另一范例实施例的直接转换探测器。
图6的实施例示出了用于探测电磁辐射的探测器单元301，并包括适于将入射电磁辐射直接转换为电荷载流子的直接转换材料332。
此外，设置电荷收集电极331并且其适于收集转换的电荷载流子。此外，也示出了连接至高压源(HV)的顶部接触部333。
屏蔽元件335与电荷收集电极331电分离并且适于与电荷收集电极331形成电容。
由部件312至315形成评估电路，如以下将更详细地解释的。评估电路312至315欧姆耦接至电荷收集电极331并适于基于所收集的电荷载流子来评估电磁辐射。如从图6所知，评估电路312至315也与屏蔽电极335电耦接。
评估电路包括开关元件312，开关元件312适于根据由复位线321供应至开关元件312的栅极端子的控制信号的值而选择性地将电荷收集电极331耦接至参考电位或使其与参考电位分离。利用开关元件312，能够将像素301复位为默认状态，用于新的测量。
评估电路还可以包括源极跟随器晶体管313的形式的缓冲器元件313。缓冲器元件313耦接至电荷收集电极331并适于对由电荷收集电极331所收集的电荷载流子进行缓冲。
在评估电路中设置另外的开关元件314，并且其连接在一方面的缓冲器元件313和另一方面的读出线323之间，并且适于选择性地将缓冲器单元313耦接至读出线323或将其从读出线323分离。为此目的，设置控制线322，其连接至晶体管开关314的栅极端子，由此控制晶体管314是否导通。
此外，评估电路包括耦接至屏蔽电极335的负载元件315。负载元件315具有一个连接至地电位340的连接部。
图6中，参考电极334由自举电极(bootstrap electrode)335代替，其依次连接至源极跟随器313的源极。能够应用可选负载装置315以在集成期间提供规定的操作点，但是没有负载装置315的话，当在读出期间应用规定的源电流时，电路不管怎样都将起作用。
随着输入节点A上的电压在曝光期间的改变，自举连接部B上的电压将跟随源极跟随器313的增益而改变。输入节点上的一定的电荷将仍然实现与先前的情况下相同的输入电容C in的电压差，但是由于自举点B与输入节点A的耦接，输入节点A相对于参考电位的电压摆动较大，对应于较小的有效输入电容
C_eff＝C_in·(1—g)。
因此，就每输入电荷的输出电压来说，自举电路可以提供较高的灵敏度。
通过将源极跟随器313改变成增益非常接近1.0的装置，能够实现进一步的改善。该装置可以是源极跟随器，其中能够将衬底接触部(bulk contact)连接至源极接触部。在标准CMOS工艺中，这通常是如图7中所示的p沟道晶体管。可选负载装置315再次连接至源极跟随器313的源极。
将衬底接触部连接至源极导致源极跟随器313具有非常接近1。0的增益，因此，如先前部分中解释的有效电容的降低非常大。
对应地，可以相当大地提高灵敏度。
图8中示出了根据本发明的优选实施例的电路。
在图8的实施例中，屏蔽电极包括电耦接至评估电路的第一部分335，更精确地，耦接至负载元件315和源极跟随器313。与此相对照，将屏蔽电极的第二部分334与评估电路分离并连接至地电位340。
图8的实施例包含许多改善，如自举、使用增益接近1.0的缓冲器以及自举屏蔽电极335和固定电位参考电极334的组合来调整灵敏度。
如果参考电极的部分能够切换到固定参考电位或自举点B，则甚至能够使得在操作期间选择灵敏度。
图8中所示的电路是部分自保护以防备漏电流的。如果n-MOS复位开关312与直接转换材料上的负高压一起使用，高的漏电流将打开复位开关并且电流将排出至电源电压。
如果使用正的高电压，p-MOS复位开关将同样地排出过量的电流并保护缓冲器。
应当注意，术语“包括”不排除其它元件或特征，并且“一个”不排除多个。也可以组合与不同的实施例关联描述的元件。
还应当注意，权利要求中的参考符号不应视为限制权利要求的范围。
Claims (23)
1、一种用于探测电磁辐射(106)的探测器单元(301)，所述探测器单元(301)包括：
转换材料(332)，适于将入射电磁辐射(106)转换为电荷载流子；
电荷收集电极(331)，适于收集所转换的电荷载流子；
屏蔽电极(334，335)，适于与所述电荷收集电极(331)形成电容；
评估电路(312至315)，电耦接至所述电荷收集电极(331)，并适于基于所收集的电荷载流子来评估所述电磁辐射(106)。
2、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)与所述屏蔽电极(334，335)的至少一部分电耦接。
3、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述屏蔽电极(334，335)的至少一部分与参考电位(340)电耦接。
4、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述屏蔽电极包括电耦接至所述评估电路(312至315)的第一部分(335)，并且包括与所述评估电路(312至315)电分离的第二部分(334)。
5、如权利要求4所述的探测器单元(301)，
其中，所述第二部分(334)与参考电位(340)电耦接。
6、如权利要求4所述的探测器单元(301)，
包括调整单元，所述调整单元适于通过调整所述第一部分(335)和所述第二部分(334)中的至少之一来调整由所述屏蔽电极(334，335)和所述电荷收集电极(331)形成的所述电容。
7、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)配置为自举电路。
8、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)包括开关元件(312)，所述开关元件适于使用经由复位线(321)提供的控制信号来选择性地使所述电荷收集电极(331)复位。
9、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)包括缓冲器元件(313)，所述缓冲器元件耦接至所述电荷收集电极(331)，并适于对所述电荷收集电极(331)的电位进行缓冲。
10、如权利要求9所述的探测器单元(301)，
其中，所述缓冲器元件(313)包括源极跟随器，尤其是衬底端子电耦接至源极端子的源极跟随器。
11、如权利要求9所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)包括另外的开关元件(314)，所述另外的开关元件(314)连接在所述缓冲器元件(313)和读出线(323)之间，并适于选择性地将所述缓冲器单元(313)耦接至所述读出线(323)或将其与所述读出线(323)分离。
12、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)包括耦接至所述屏蔽电极(334，335)的至少一部分的负载元件(315)，尤其是欧姆负载元件(315)或电流源。
13、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述转换材料(332)是直接转换材料。
14、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，在所述电荷收集电极(331)上提供所述转换材料(332)。
15、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述屏蔽电极(334，335)适于针对由所述评估电路(312至315)、控制线(321-323)以及电源线构成的组中的至少之一来电屏蔽所述电荷收集电极(331)。
16、如权利要求1所述的探测器单元(301)，
其中，所述评估电路(312至315)包括适于抑制漏电流的自保护机构。
17、一种用于探测电磁辐射(106)的探测器装置(123)，所述探测器装置(123)包括
多个互连的如权利要求1所述的探测器单元(301)。
18、如权利要求17所述的探测器装置(123)，
其中，所述探测器装置(123)的至少一部分形成为单片集成电路，尤其是以CMOS技术形成。
19、如权利要求18所述的探测器装置(123)，
适于作为由X射线探测器装置、紫外探测器、光学探测器装置、以及红外探测器装置构成的组中的至少之一。
20、如权利要求18所述的探测器装置(123)，
配置为由以下设备构成的组中的至少之一：心血管设备、神经学设备、整形术设备、乳房造影法设备、牙科成像设备、行李探查设备、医学应用设备、材料测试设备以及材料科学分析设备。
21、一种探测电磁辐射(106)的方法，所述方法包括：
将入射电磁辐射(106)转换为电荷载流子；
在电荷收集电极(331)处收集所转换的电荷载流子；
通过评估电路(312至315)，基于所收集的电荷载流子来评估所述电磁辐射(106)；
提供适于与所述电荷收集电极(331)形成电容的屏蔽电极(334，335)。
22、一种计算机可读介质，其中存储有探测电磁辐射(106)的计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序适于控制或执行如权利要求21所述的方法。
23、一种探测电磁辐射(106)的程序元件，当由处理器执行时，所述程序元件适于控制或执行如权利要求21所述的方法。
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