CN102597806A

CN102597806A - 用于探测电磁辐射的探测器单元

Info

Publication number: CN102597806A
Application number: CN2010800496346A
Authority: CN
Inventors: M·西蒙; W·吕腾
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-07-18
Also published as: JP2013510423A; EP2496964A2; US20120205549A1; WO2011055277A2; WO2011055277A3

Abstract

根据本发明的示范性实施例，可以提供一种用于探测电磁辐射的探测器单元301。所述探测器单元301可以包括适于将撞击的电磁辐射转换成电荷载流子的转换材料332。此外，所述探测器单元301还可以包括适于收集所转换的电荷载流子的电荷收集电极331以及适于在所收集的电荷载流子的基础上估算电磁辐射的估算电路312、313、314。此外，所述探测器单元301可以包括半导体373，所述半导体可以电耦合于电荷收集电极331和估算电路312、313、314之间。

Description

用于探测电磁辐射的探测器单元

技术领域

本发明涉及一种用于探测电磁辐射的探测器单元、一种探测器装置以及一种探测电磁辐射的方法。此外，本发明还涉及一种可以存储探测电磁辐射的计算机程序的计算机可读介质以及一种探测电磁辐射的程序单元。

背景技术

当前市面上的大多数固态数字X射线探测器都可以由顶部具有非晶硅(a-Si)薄膜电子器件和X射线转换层的平玻璃板构成。X射线探测器要么是在光电二极管阵列的顶部具有闪烁体的间接转换型，要么是采用位于电极阵列顶部的光电导体的直接转换型。撞击的X射线被转换层吸收，并通过在所述阵列的每一像素中生成的电荷创建X射线吸收的数字图像。

一种玻璃上的薄膜电子器件的替代方案是将单晶硅晶圆用于像素电子器件。如上所述，对于间接或者直接X射线转换而言均可以构建具有或者不具有光电二极管的像素。通过在单晶硅中采用标准的CMOS处理一般可以得到比a-Si像素电路噪声更低，功能性更强的电子电路。就间接转换探测器而言，可以将闪烁器胶粘到Si晶圆上，也可以使其直接生长在Si晶圆上。对于直接X射线转换材料而言，还可以至少存在两种可能性：采用(例如)凸球连接单独制造的层，或者在硅上直接淀积。

当今，平板X射线探测器中的像素间距可以达到大约150μm到大约200μm，除了乳房造影和牙齿成像之外，在所述应用中，小于100μm的像素尺寸是常用的。而且，对于心脏学、神经学和血管应用而言，可以在X射线成像中发现这样一种一般趋势，即，对更高空间分辨率的需求正在不断增长。由于小特征尺寸的原因，可以将单晶Si探测器的像素尺寸降至远低于100μm的值，就是由于将这种技术用于晶体管和其它电子元件才使得这种情况成为可能。

然而，就间接转换探测器而言，空间分辨率可能受到闪烁体内的光扩展的限制。一般而言，不可降低闪烁体的厚度，以保持高X射线吸收率。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射线转换可能更适合。可以容易地将诸如硒、碘化汞、氧化铅或CdTe(碲化镉)的直接转换材料做得足够厚，从而在具有医疗成像的典型射束质量的情况下吸收80％以上的X射线。由于所生成的可以是电子和空穴的载流子可能遵循所施加的偏置场的场线，因而通常可以实现非常高的空间分辨率，所述场线垂直于所述像素电极和所述通常非结构化的顶部电极的表面延伸。

除了所述空间分辨率以外，直接转换CMOS探测器的另一优点可以是克服小像素中的光电二极管的有限填充因数的可能性。在直接转换探测器中，几乎覆盖整个像素区域的金属层可以起到像素电极的作用。

发明内容

本发明的目的在于改进探测器，尤其是提供一种充分灵敏的探测器。

可以通过与探测器单元、探测器装置、电磁辐射探测方法、程序单元和计算机可读介质相关的独立权利要求的特征实现这一目的。

根据本发明的示范性实施例，可以提供一种用于探测电磁辐射的探测器单元。所述探测器单元可以包括适于将撞击的电磁辐射转换成电荷载流子的转换材料。此外，所述探测器单元可以包括适于收集所转换的电荷载流子的电荷收集电极以及用于在所收集的电荷载流子的基础上估算电磁辐射的估算电路。此外，所述探测器单元可以包括半导体，所述半导体可以电耦合于所述电荷收集电极和所述估算电路之间。

可以将本发明的原理应用于各种传感器，尤其是图像传感器，例如，可以用在X射线装置中的CMOS图像传感器，并且可以应用于X射线探测器，尤其是CMOS X射线探测器。因而，本发明的原理可以涉及X射线探测器，所述探测器可以采用与COMS像素电路结合的直接X射线转换。所提出的像素电路可以利用从大的像素电极到专用的小的额外积分电容的额外电荷转移步骤提供非常高的灵敏度。在这种情况下，可以在不必像其它解决方案那样需要永久性偏置电流的情况下降低有效输入电容。这样的高灵敏度直接转换探测器的主要应用为乳房造影，但是也可以将其用于很多其它的X射线成像应用。还可以预见到，可以在所述电荷收集电极的前面或者在所述电荷收集电极之下布置屏蔽电极。该屏蔽电极可以适于与所述电荷收集电极形成电容。这样可以改善所述探测器单元的电容特性。

根据示范性实施例，所述探测器单元的半导体可以是包括栅极连接部、漏极连接部和源极连接部的晶体管，其中，所述源极连接部可以连接至所述电荷收集电极，所述漏极连接部可以连接至所述估算电路。

所述半导体可以具有任何类型，例如，其为FET，尤其是MOSFET。

根据示范性实施例，使所述栅极连接部保持预定电压，其中，所述预定电压可以适于提供源极漏极电流的从所述电荷收集电极到所述估算电路的电流流动。

可以预见，所述预定电压是可以在所述探测器单元的全部运行时间内施加的时间恒定电压或者具有预定值的永久性电压。所施加的电压还有可能是脉冲电压，可以按照预定时间间隔施加所述脉冲电压，由于脉冲特性的原因，其并非在全部运行时间内都存在。

根据示范性实施例，可以将所述积分电容电耦合至所述半导体以及所述估算电路。

可以将所述电耦合提供成所述积分电容器和所述半导体之间以及所述半导体和所述估算电路之间的导电连接。所述积分电容可以包括第一连接部和第二连接部。可以将所述第一连接部电耦合至所述半导体以及所述估算电路。所述第二连接部可以连接至参考电势，尤其是地电势。

根据本发明的示范性实施例，所述积分电容可以包括第一连接部和第二连接部，其中，所述第一连接部可以连接至所述晶体管的漏极连接部，所述第二连接部可以连接至参考电势。

所述参考电势可以是地电势。

根据本发明的示范性实施例，可以将所述半导体连接至电荷泵。

还有可能将所述电荷泵连接至输入电极，尤其是所述探测器单元的电荷收集电极。

根据示范性实施例，所述电荷泵可以适于通过第一控制线进行控制。

所述第一控制线还可以连接至额外的探测器单元，从而采用一条控制线控制不同的探测器单元。

根据示范性实施例，可以将所述半导体连接至可以适于通过第二控制线进行控制的第一电荷转移晶体管。

所述半导体可以包括可以电连接至控制线的栅极连接部。此外，所述半导体可以包括可以电连接至所述第一电荷转移晶体管的漏极连接部。所述第一电荷转移晶体管可以是FET(场效应晶体管)，尤其是n沟道晶体管，其可以包括栅极连接部、漏极连接部和源极连接部。所述第一电荷转移晶体管的源极连接部可以连接至所述半导体。

根据示范性实施例，所述第一电荷转移晶体管可以连接至第一电荷存储电容器。

所述第一电荷转移晶体管可以起着开关的作用，其可以在闭合状态下将电荷从所述积分电容器转移到所述第一电荷存储电容器。

根据本发明的示范性实施例，所述第一电荷转移晶体管可以连接至第二电荷转移晶体管，所述第二电荷转移晶体管可以适于通过第三控制线进行控制。

所述第二电荷转移晶体管可以起到开关的作用，其可以在闭合状态下将电荷从所述第一电荷存储电容器转移到所述第二电荷存储电容器。此外，可以预见，可以按照类似于链的方式利用其它的积分电容器和其它的电荷转移晶体管，所述类似于链的方式与所述第一电荷存储电容器、第二电荷存储电容器、第一电荷转移晶体管和第二转移晶体管的相互连接类似。

根据本发明的示范性实施例，所述第二电荷转移晶体管可以连接至第二电荷存储电容器。

所述第二电荷转移晶体管可以是FET(场效应晶体管)，尤其是n沟道晶体管，其可以包括栅极连接部、漏极连接部和源极连接部。所述第二电荷转移晶体管的栅极连接部可以连接至其它的控制线。

根据本发明的示范性实施例，可以提供一种用于探测电磁辐射的探测器装置。所述探测器装置可以包括多个互连的根据本发明的示范性实施例的探测器单元。

所述探测器装置可以包括由探测器单元构成的矩阵，所述探测器单元可以采用垂直控制线或水平控制线相互连接。

根据本发明的示范性实施例，可以提供一种探测电磁辐射的方法。所述方法可以包括将撞击的电磁辐射转换成电荷载流子，并在电荷收集电极处收集所转换的电荷载流子。所述方法还可以包括提供从所述电荷收集电极到所述估算电路的电流流动，并通过估算电路基于所收集的电荷载流子估算电磁辐射。

可以通过半导体和/或电荷泵提供从电荷收集电极到估算电路的电流流动。此外，还可以预见提供屏蔽电极，其适于与所述电荷收集电极形成电容。这样的屏蔽电极可以为包括几个探测器单元的X射线设备提供改善的电容特性。改善的电容可以导致对采用多个探测器单元的X射线设备的图像估算的改善的控制。

根据本发明的示范性实施例，可以提供一种计算机可读介质，其中可以存储探测电磁辐射的计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时可以适于控制或执行根据本发明的方法。

所述计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB(通用串行总线)存储装置、RAM(随机存取存储器、ROM(只读存储器)、EPROM(可擦可编程只读存储器)等。

根据本发明的示范性实施例，可以提供一种探测电磁辐射的程序单元。所述程序单元在由处理器执行时可以适于控制或执行根据本发明的方法。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见并得到阐述。

还必须指出已经参考不同的主题描述了本发明的各示范性实施例和本发明的各个方面。具体而言，已经参考设备类型权利要求描述了一些实施例，参考方法类型权利要求描述了其它实施例。

但是，本领域技术人员可以从上述和下述说明领悟到，除了另行指出，否则除了属于一种类型的主题的特征之间的任意组合之外，属于不同主题的特征之间的任意组合，尤其是设备权利要求的特征和方法权利要求的特征之间的任意组合也应当视为在本申请中得到了公开。

附图说明

图1示意性示出了固态X射线探测器的示范性实施例。

图2示意性示出了间接X转换探测器的电路的示范性实施例。

图3示意性示出了直接转换X射线探测器的电路的示范性实施例。

图4示意性示出了根据本发明的电路的第一示范性实施例。

图5示意性示出了根据本发明的电路的第二示范性实施例。

具体实施方式

所述附图中的图示是示意性的。在下面对图1到图5的描述中，可以将相同的附图标记用于相同或对应的元件。

图1示意性示出了固态X射线探测器101的示范性实施例。固态X射线探测器101包括像素单元301的阵列201、相关线驱动电路202、读出放大器和/或多路复用器203。

图2示出了间接X转换探测器的电路的示范性实施例。图2的电路包括光电二极管311，其可以利用开关装置312使其复位至电源电压，所述开关装置312通过复位线321进行控制。这一连接又称为输入节点337。X射线或者光曝光降低了输入节点337上的电压。在读出过程中，通过缓冲器复制这一节点上的电压，所述缓冲器通常是源极跟随器313，其通过受到控制器322致动的读出开关314放置在读出线323上。值得注意的是，在对p外延层的标准CMOS处理中通常的n沟道源极跟随器具有大约0.8的增益，因而只能以缩减的形式将来自输入节点337的信号复制到读出线上，从而影响可获得的信噪比。

就图3所示的直接转换X射线探测器而言，采用电荷收集电极331和在第一实例中连接至参考电势336的屏蔽电极334替代光电二极管311。也可以将所述电路的其它部件连接至参考电势336。可以在后端叠层的顶部金属中制作电荷收集电极331，在接下来的下面的金属层中制作参考电极。将直接转换材料332连接至电荷收集电极331，所述直接转换材料332还具有连接至高压电源335的顶部接触333。

电极331和334形成了输入电容(C_in)的绝大部分，其余分配在连接、复位开关312和源极跟随器313中。

图3中的电路的功能与针对图2描述的功能类似。差别在于，在图3中，由直接转换材料收集到的电荷填充了像素电容，因而其可以改变输入节点337上的电压。

图4示出了根据本发明的电路的第一示范性实施例。与图3相比，在图4的示范性实施例中，将额外的晶体管371和积分电容器373放置在电荷收集电极331和源极跟随器313之间。通过线372使晶体管371的栅极永久保持在一定的电压上，从而使得在栅极—源极电压超过某一阈值的情况下能够产生源极—漏极电流。就所述探测器的X射线或光曝光而言，在电极331处收集的电荷将被传输至积分电容器373，并降低其电压。在曝光之后对所述积分电容复位。为了避免电荷在电荷收集电极331上长期积聚，时常有必要通过受到控制线375控制的电荷泵374实施小电荷注入，优选每一X射线曝光帧实施一次。这一额外电荷是已知的，以后可以从实际信号中将其减去。在图4中，分别将电荷泵374、积分电容器373和屏蔽电极334连接至参考电势336。

图4中的电路的其余部分与图3中相同：通过源极跟随器313和读出开关314将积分电容373上的电压传输至读出线323。可以将积分电容373选择成小到专门应用所需的程度，这样将得到非常高的电路灵敏度。

图5示出了根据本发明的电路的第二示范性实施例。图5示出了与提高像素的动态范围的模块结合的电路。将一个或多个电荷转移晶体管360、361以及一个或多个额外电荷存储电容器351、352添加至积分电容器373。图5示出了两个额外的级，但是本领域的技术人员可以将其容易地变成一个级或者超过两个级。通过相应的控制线340、341设置晶体管360的栅极电压，从而在积分电容器373的电压达到某一下限时，使第一晶体管360导通。现在将通过晶体管371抵达的其它电荷转移至额外电容器351。在这一电容器351中的电压达到了某一下限时，下一晶体管361导通，并将进一步进入的电荷传递至电容器352。在读出过程中，通过首先单独读出电容器373形成第一子图像。实现这一点的做法是通过电荷转移晶体管360、361的控制线340、341使所述晶体管充分截止。之后通过使晶体管360充分导通而形成第二子图像，从而读出373和351上的收集电荷。之后，通过使晶体管360、361二者均充分导通而形成下一子图像，从而读出373、351和352的收集电荷。由这些具有正确的图像信息的子图像，即未将电荷传递至下一级的图像形成最终图像。因而，能够采用最小的积分电容器形成最终图像，所述最小的积分电容器还将产生最小的噪声影响，并提供最佳的信噪比。通过在控制线340、341之上施加充分高的栅极电压使所有的额外电容器351、352连同373一起复位，从而充分激活晶体管360、361。

也可以采用图5所示的像素通过充分激活一个或多个晶体管360、361来降低固定步骤中的灵敏度。在曝光阶段和积分阶段，这样就会使电容器351，并且有可能使电容器352与电容器373并联。图5所示的电路能够针对漏电流提供部分自保护。如果在直接转换材料上具有负高压的情况下使用n-MOS复位开关312，那么高漏电流将导通复位开关，并且电流将被汲取至电源。如果采用正高压，那么p-MOS复位开关将类似地汲取过多的电流，并保护所述缓冲器。

换言之，根据本发明的示范性实施例，在现有的大像素电极和额外的几乎更小的专用积分电容之间提供了额外的晶体管。可以使这一晶体管的栅极保持在某一中间电压上，因而只要电压高于某一阈值就能够使源极—漏极电流从像素电极流到所述积分电容。这一电荷转移步骤能够降低有效输入电容，于是，所述有效输入电容可以仅由小积分电容的选择以及接下来的源极跟随器放大器的栅极来决定。

就直接转换固态X射线探测器而言，几乎整个像素表面都可能必须充当收集电极。这一电极是像素电容的部分，其对输入电荷以及来自底层电子器件的扰动信号都非常敏感。因而，可能必须在所述收集电极之下实现连接至参考电势的屏蔽电极，从而为像素电容器提供稳定的第二电极，并避免不必要的扰动信号抵达电荷收集电极。

电荷收集电极和屏蔽电极的布置形成了输入电容。这一电容的值可以由像素尺寸以及用于构建像素的实际制造过程决定，其往往比预期的大，从而导致电路的灵敏度低。

其它降低所述输入电容的可能性是在像素中采用EP2006117527中提出的自举电路或者专用运算放大器(OpAmp)。在这两种情况下，都可能需要在每一像素中馈送永久性偏置电流，在具有较高的行数的大传感器内，这一点难以实现。

可以将本发明应用于采用直接X射线转换的所有种类X射线探测器以及采用CMOS电子器件的像素电子器件。还可以将本发明应用于采用间接X射线转换的光学成像器的光电二极管。

所述应用可以包括心血管X射线、一般X射线、神经学、整形外科、乳房造影和牙齿成像。可以预见，在传感器上或者探测器单元上采用对大约1μm到大约15μm的波长或者对红外辐射起反应的转换材料，以便提供热成像装置。

本发明不限于所公开的实施例，其尽可能多地给出了所讨论的实施例中所包括的特征的替代的例子。

此外，应当指出“包括”不排除其它元件或步骤，单数冠词不排除复数。

此外，可以对单独的从属权利要求中列举的特征进行有利地组合。

此外，应当指出可以将参考上述示范性实施例之一描述的特征或步骤与上文描述的其它示范性实施例的其它特征或步骤结合使用。不应将权利要求中的附图标记解释为限制。

附图标记列表

101 X射线探测器

201 阵列

202 线驱动电路

203 读出放大器/多路复用器

301 探测器单元或像素单元

311 光电二极管

312 开关装置

313 源极跟随器，缓冲器

314 读出开关

321 复位线

322 控制线

323 读出线

331 电荷收集电极

332 直接转换材料

333 顶部接触

334 屏蔽电极

335 高电压源

336 参考电势

337 输入节点

340 第二控制线

341 第三控制线

351 第一电荷存储电容器

352 第二电荷存储电容器

360 第一电荷转移晶体管

361 第二电荷转移晶体管

371 晶体管

372 第四控制线

373 积分电容器

374 电荷泵

375 第一控制线

Claims

1.一种用于探测电磁辐射的探测器单元(301)，所述探测器单元(301)包括：

适于将撞击的电磁辐射转换成电荷载流子的转换材料(332)；

适于收集所转换的电荷载流子的电荷收集电极(331)；

适于基于所收集的电荷载流子来估算所述电磁辐射的估算电路(312，313，314)；以及

电耦合于所述电荷收集电极(331)和所述估算电路(312，313，314)之间的半导体(371)。

2.根据权利要求1所述的探测器单元(301)，其中，所述半导体(371)是包括栅极连接部、漏极连接部和源极连接部的晶体管，其中，所述源极连接部被连接至所述电荷收集电极(331)，并且其中，所述漏极连接部被连接至所述估算电路(312，313，314)。

3.根据权利要求2所述的探测器单元(301)，其中，使所述栅极连接部保持预定电压，其中，所述预定电压适于提供源极—漏极电流的从所述电荷收集电极(331)到所述估算电路(312，313，314)的电流流动。

4.根据权利要求2或3所述的探测器单元(301)，其中，积分电容(373)电耦合至所述半导体(371)以及所述估算电路(312，313，314)。

5.根据权利要求4所述的探测器单元(301)，其中，所述积分电容(373)包括第一连接部和第二连接部，其中，所述第一连接部被连接至所述晶体管(371)的漏极连接部，所述第二连接部被连接至参考电势(336)。

6.根据权利要求1到5中的任一项所述的探测器单元(301)，其中，所述半导体(371)连接至电荷泵(374)。

7.根据权利要求6所述的探测器单元(301)，其中，所述电荷泵(374)适于通过第一控制线(375)来进行控制。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的探测器单元(301)，其中，所述半导体(371)连接至适于通过第二控制线(340)来进行控制的第一电荷转移晶体管(360)。

9.根据权利要求8所述的探测器单元(301)，其中，所述第一电荷转移晶体管(360)连接至第一电荷存储电容器(351)。

10.根据权利要求8或9所述的探测器单元(301)，其中，所述第一电荷转移晶体管(360)连接至适于通过第三控制线(341)来进行控制的第二电荷转移晶体管(361)。

11.根据权利要求10所述的探测器单元(301)，其中，所述第二电荷转移晶体管(361)连接至第二电荷存储电容器(352)。

12.一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根据权利要求1所述的探测器单元(301)。

13.一种探测电磁辐射的方法，所述方法包括：

将撞击的电磁辐射转换成电荷载流子；

在电荷收集电极(331)处收集所转换的电荷载流子；

提供从所述电荷收集电极(331)到估算电路(312，313，314)的电流流动；

通过所述估算电路(312，313，314)基于所收集的电荷载流子来估算所述电磁辐射。

14.一种计算机可读介质，其中存储了探测电磁辐射的计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时适于控制或执行根据权利要求13所述的方法。

15.一种探测电磁辐射的程序单元，所述程序单元在由处理器执行时适于控制或执行根据权利要求13所述的方法。