CN1034143C - 二维辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
一种二维辐射探测器具有一种包括闪烁体、半透明电极膜、光电导膜和扫描开关层的多层结构。该扫描开关层包括以矩阵形式排列、并与光电导膜相接触的导体，对应于以矩阵形式排列的导体的多个FET，以及经由FET逐行依次将偏压加到矩阵导体的均匀平面导体，每个FET的漏极接连至矩阵导体之一，其源极连接至均匀平面导体，其栅极连接至驱动电路。半透明电极膜包括对应于各列矩阵导体的列导体，每个列导体连接至信号读出线。
Description
本发明涉及二维辐射探测器，它适用于探测诸如X射线类辐射的X射线照相以及其它诊断装置，辐射包括其在二维方向上的入射位置。
迄今已有各项专利申请涉及固态扫描型的二维辐射探测器(例如见日本专利申请(未审查)：253185/90、185865/91、206573/92、212456/92以及212458/92)。综观这些申请，可以说，传统的二维辐射探测器都具有如图1A至1E、图2和图3所示的结构。
参见图1A、传统的探测器具有一种多层结构，它包括闪烁体11、半透明电极膜12、光电导膜13以及扫描开关层14。如图1B所示，半透明电极膜12采取整体均匀平面的形式。扫描开关层14包括按矩阵形式排列，并与光电导膜13接触的导体41；对应于导体41各行的条形行导体42；对应于导体41各列的条形列导体46；以及大量的开关元件(场效应晶体管FETs)45。每个开关元件45的漏极连接到矩阵导体41之一，其源极连接到列导体46之一，其栅极连接到行导体42之一(见图1C、1D、1E、2和3)。半透明电极膜12从偏置电源44接受某一预定的电位。扫描开关层14的行导体42分别连接到驱动电路15的控制线。列导体46分别连接到信号读出线的信号读出电路16。
闪烁体11在受到X射线撞击时发光，该光经由半透明电极膜12传导到光电导膜13，由此使电荷累积在光电导膜13上。即闪烁体11将X射线照相图像转换成光学图像，而光电导膜13将该光学图像转换为电荷图像。通过驱动FETs45，以逐个像素方式读出光电导膜13上的电荷，每个像素对应于每个矩阵导体41。尤其是，当驱动电路向行导体42之一提供驱动信号时，位于该行(例如“i”行)的FETs 45全部导通，致使对应于相应像素的电荷存储电流同时从位于“i”行和相应列的矩阵导体41得到恢复并流经相应列导体46。
在上述传统的二维辐射探测器中，列导体46直接连接到开关元件(FETs)的电极(源极)。因此，开关元件的转换噪声通过栅极与源极之间的杂散电容传送到源极而叠加在读出信号电流上，由此降低了图像质量。
本发明考虑到上述现有技术现状，其目的在于提供一种改进的二维辐射探测器，它能够阻止开关元件的转换噪声叠加在读出信号电流上，由此提高图像质量。
根据本发明，通过用一种二维辐射探测器获取被转换成电信号的X射线照相图像，从而实现上述目的。所述探测器包括：
用以将X射线照相图像转换成光学图像的闪烁体；
用以将光学图像转换成以电荷为基础的图像的光电导膜；
在光电导膜相对两面形成的半透明电极膜和扫描开关层；以及
连接至扫描开关层的驱动电路；
其中，扫描开关层包括：
以矩阵形式排列并与光电导膜相接触的多个导体；
其上施加偏置电压的导体；
介于以矩阵式排列的导体与施加有偏压的导体之间的多个开关元件；以及
用以将驱动信号从驱动电路加到开关元件的行导体；
上述半透明电极膜包括与以矩阵形式排列的导体的各列相对应的列导体，每个列导体连接至一条信号读出线。
根据本发明，该闪烁体当受到X射线撞击时即发光。于是，由该闪烁体产生的光学图像经由半透明电极膜传导到光电导膜，电荷图像由此存储在光电导膜上。当驱动电路接通位于一行中的开关元件时，一个偏置电压即经由开关元件施加到位于一行的矩阵导体上。该偏置电压将一个电场加到光电导膜上，后者介于位于一行的矩阵导体与半透明电极膜的列导体之间。结果，在相对于一行矩阵导体的光电导膜位置上存储的电荷所形成的放电电流，经半透明电极膜的列导体流到信号读出线上。这样，光电导膜便介于开关元件与信号读出线之间。由于开关元件与信号读出线之间存在的距离，且由于光电导膜有一个电容量，故上述转换噪声很少有机会进入信号读出线。于是，可以用信—噪比已有改善的信号电流来提高图像质量。
闪烁体不局限于任何特定的类型，只要它能将入射的辐射转换成可见光即可。当入射的辐射为X射线时，闪烁体最好由掺钠碘化铯(CsI∶Na)的一种针状结晶体结构组成。
此外，光电导膜最好包括一种硒(Se)为主要成分的非晶态半导体层。
被施加以偏置电压的导体，最好包括一个覆盖开关元件的均匀的平面导体，这将有效地避免外部噪声的干扰。
例如，开关元件由场效应晶体管(FET)组成，每个FET的漏极连接至以矩阵形式排列的导体之一，其源极连同其它FET的源极一起连接到被施加以偏压的导体，其栅极连同位于同一行的其它FET，经由该行导体之一连接到驱动电路。当驱动电路将一个驱动信号加到栅极时，位于一行中的FET导通，以此将偏置电压加到位于一行的矩阵导体上。
当偏置电压为高电压时，驱动电路最好包括接地部分、未接地部分以及隔离器部分。接地部分产生的低压电平的驱动信号用以逐行接通开关元件；未接地部分用以将驱动信号转换成具有偏压电平的驱动信号；隔离器部分则在电气上隔开接地部分与未接地部分。
此外，可以划分一下半透明电极膜的列导体，使之对应于多行按矩阵形式排列的导体。这样，列导体的长度可以减小，由此降低噪声的影响。
行导体可以被划分并设置成垂直于列导体延伸，驱动信号同时施加到被划分行导体中多个相应的行导体上。这种结构的优点在于减少了行导体每帧被切换的次数，由此减小了每一帧的频率带宽，以改善信-噪比(S/N)。
为了说明本发明，以下结合附图描述几个较佳形式，然而，不言而喻，本发明并不局限于所示的配置和手段。
图1A至1E是一个传统二维辐射探测器的示意图；
图2是传统探测器中FET的一种连接配置示意图；
图3是传统探测器中FET和信号读出电路的一种连接配置示意图；
图4A至4E是实施本发明的一个二维辐射探测器的示意图；
图5是实施本发明的探测器中FET的一种连接配置示意图；
图6是实施本发明的探测器中FET和信号读出电路的一种连接配置示意图；
图7是实施本发明的探测器的一个示意性剖视图；
图8A至8D是说明实施本发明的探测器工作的时序图；
图9A和9B是根据本发明的一种改型二维辐射探测器的示意图；
图10A和10B是根据本发明的另一种改型探测器的示意图。
下面参照附图详细描述本发明的一个较佳实施例。
如图4A所示，根据本发明的二维辐射探测器具有一种多层结构，它包括闪烁体11、半透明电极膜12、光电导膜13以及扫描开关层14。如图4B所示，半透明电极膜12由离散的条形列导体21组成。每个列导体21连接至信号读出线的信号读出电路16(也可参见图6)。
闪烁体11由一种对X射线敏感以产生可见光线的材料，诸如用掺钠碘化铯(CsI∶Na)、Zns或CaWo4制成。从X射线转换效率的观点来看，最好采用一种针状晶体结构的CsI∶Na。CsI∶Na的膜厚一般在200至400μm的数量级。
半透明电极膜12由一种半透明导电膜，诸如用ITO(铟、锡和氧的合金)或SnO2制成。半透明电极膜12尽可能做得薄些(约为300A)，以避免光的散射。
光电导膜13由一种以硒(Se)为主要成分的非晶半导体层(a-Se)，以硅(Si)为主要成分的非晶半导体层(a-Si)或类似的材料制成。特别是a-Se，由于施加其上的强电场在内部产生雪崩效应，从而形成一种极好的电子倍增功能。光电导膜13的厚度通常为4至20μm数量级。
扫描开关层14包括按矩阵形式排列并与光电导膜13相接触的导体41(见图4c)、对应于导体41各行的条形行导体42(见图4D)、以及起开关元件作用的多个FET45，每个FET的漏极连接到矩阵导体41之一，其栅极连接到行导体42之一。如图4E所示其整块平面为均匀形式的导体43连接到每个FET45的源极(也见图5和图6)。均匀平面导体43从偏置电源44接受偏压。如果光电导膜13由a-Se制成，则由于雪崩效应，偏置电压将一个108V/m数量级的强电场加到光电导膜13上。
图7示意性地表示上述二维辐射探测器的一种元件结构。按底部开始的排列次序，该结构包括均匀平面导体43、聚酰亚胺树脂层47a、栅极G(行导体42)、氮化硅层47b、本征a-Si：H层47c、N型层47d、氮化硅层47e、源极S、漏极D、聚酰亚胺树脂层47f、矩阵导体41、光电导膜13、半透明电极膜12以及闪烁体11。
上述元件结构例如可以按如下形成。
闪烁体11用真空蒸发在一种由例如铝或玻璃的X射线透射材料制成的衬底(未图示)上淀积CsI∶Na而形成。另一方面，扫描开关层14的各个元件层叠在诸如玻璃(未图示)的绝缘衬底上，而后在其上形成光电导膜13和半透明电极膜12。前一块衬底上的闪烁体11及后一块衬底上的半透明电极膜12，用例如聚酰亚胺树脂粘结在一起。
连接至FET45栅极G的行导体42还连接到驱动电路15的控制线。驱动电路15包括未接地部分51、光隔离器部分52以及接地部分53。接地部分53产生一个接近于接地电位的低电压的FET扫描信号。未接地部分51利用对应于偏置电压的一个电压偏移该FET扫描信号。未接地部分51和控制线通过光隔离器部分52与接地部分53隔离。由于高的偏置电压(例如500至1000V)通过均匀平面导体43被施加到FET45的源极上，因此，必须使控制线与地隔开。可以采用在电气上将控制线与地隔离的结构来取代上述的光隔离器部分52，例如用以阻挡直流成分的电容器或用以形成电磁隔离的电感。
当X射线撞击闪烁体11的入射平面时，X射线照相图像转换成光学图像，后者再通过光电导膜13转换成电荷图像。通过激活FET45，光电导膜13上的电荷被逐个像素地读出，每个像素对应于每个矩阵导体41。由图6可见，读出信号电流通过半透明电极膜12的各个列导体21取出，并经由保护电阻61流到电荷读出前置放大器62的积分电容63。读信号电流存储于积分电容63中，并作为电压信号输出到模-数转换器(未图示)。在完成模—数转换后，可操作积分开关64，让积分电容63短路，使电容63放电准备下一次扫描。
例如，假设驱动信号加到“i”行的控制线上，以驱动“i”行的所有FET45。这样，对应于“i”行并按各个列排列的矩阵导体41的像素信号同时被读出。对说明本实施例的图6与说明现有技术的图3作一比较可以清楚地看出，本实施例中的每个信号读出电路16连接到半透明电极膜12的列导体21之一，而半透明电极膜12与跨越光电导膜13的扫描开关层14二者正相对。于是，光电导膜13插在信号读出电路16与FET45之间。光电导膜13的容性作用，以及FET45的栅极G与半透明电极膜12的列导体21之间的距离作用结合在一起，抑制FET45的栅极漏电流和来自扫描开关层14的其它开关噪声进入信号读出线。结果，信号电流的信噪比得到了改善，从而提供高质量的图像信号。上述容性作用表示，如图6所示将来自栅极G的噪声传送到信号读出电路16的一个等效电路，包括一个串联连接的CGD(栅一漏极杂散电容)和Cp(光电导膜13相对一个像素的电容量)。该串联连接的组合电容量取决于其中较小的那个电容量。因此，当Cp较小时，与现有技术比较，本发明的容性作用较显著。此外，均匀平面导体43作为导体连接至扫描开关层14各个FET45的源极，它产生一种屏蔽作用以阻挡外部噪声。
图8A至8D表示一个定时图，其中矩阵导体41排列成一个1000×1000的矩阵，扫描开关层14以每秒30次的速率扫描这些矩阵导体41，以每秒30帧的速率输出图像信号。图8A表示以控制线偏置电压为基础的电位。驱动电路15将一个高电压逐行加到控制线上，使所选一行(例如“i”行)中的FET45导通。以矩阵导体41的“i”行和“j”列中的一个像素为例，为“i”行中的FET45导通时，邻近该像素(由于X射线入射的电荷累积而处于高电平，如图8B所示)的光电导膜13的电平下降到偏置电压的电平(注意，图8是参照偏置电压画的)。另一方面，如图8C所示，像素(i，j)的信号读出电流流到连接于“j”列的信号读出线。该信号电流存储于电荷读出前置放大器62的积分电容63内，并作为一个积分电压信号输出，如图8D所示。在积分开关64动作之前的一个保持期间，模—数转换根据该信号执行。
本发明可以按以下的替换方式实施：
(1)在前述实施例中，半透明电极膜12的列导体21做成在其整个列方向上覆盖所有矩阵导体41的条形，如图4B所示。这种设置可以按图9A所示变换，即包括以垂直方向分断的条形设置的列导体21a和21b。每个列导体21a和21b连接到信号读出电路16。如图9B所示，为了读出信号，行导体42对应于垂直分断的列导体21a和21b被划分为两组，驱动信号同时加到图9B中数目相同的两组行导体42。于是，按两组行设置的FET45同时导通，由此通过列导体21a和21b同时读得这两组行中像素的电荷。
(2)如图10A所示，半透明电极膜12可以包括四组列导体21c-21f。列导体21c和21f水平延伸，而列导体21d和21e则垂直延伸。如图10B所示，行导体42对应于列导体21c-21f也分为四组42c-42f。行导体42c-42f分别垂直于其对应的列导体21c-21f延伸。每个列导体21c-21f连接到一个信号读出电路16。为了读取信号，驱动信号同时加到图10B中数目相同的四组行导体42c-42f。结果，连接至四组行导体42c-42f的FET45同时导通，由此通过列导体21c-21f同时读得对应于四组行导体42c-42f的像素的电荷。
根据上述变换方案(1)和(2)，读出信号线(列导体)的长度为前述实施例中相应信号线长度的一半。由此可以减小噪声影响。
无可否认，上述变换方案需要有两倍于前述实施例中的信号读出电路16。然而，由于在对应于多个行导体的像素中存储的电荷可同时被读出，故每帧时间内行导体被切换的次数可以减少(即在前述实施例中进行N次切换，而在上述变换方案(1)和(2)中进行N/2次切换)。因此，每一帧的频率带宽减半，相应地改善了信噪比(S/N)。
本发明在不脱离其精神或基本特征的情况下，也可以用其它特定的形式实施，因此，有关本发明的范围其依据应当是附属的权利要求书，而不是前述的说明书。
Claims (9)
1.一种获得被转换成电信号的X射线照相图像的二维辐射探测器，所述探测器包括：
用以将所述X射线照相图像转换成光学图像的闪烁体；
用以将所述光学图像转换成以电荷为基础的图像的光电导膜；
在所述光电导膜相对两面形成的半透明电极膜和扫描开关层；
连接至所述扫描开关层的驱动电路；
所述扫描开关层包括：
以矩阵形式排列并与所述光电导膜相接触的多个导体；
由场效应晶体管构成的多个开关元件；以及
将来自所述驱动电路的驱动信号加到所述开关元件的行导体；
其特征在于，所述扫描开关层还包括：
其上施加偏置电压的导体；
所述多个开关元件介于以矩阵形式排列的导体与其上施加偏置电压的导体之间；以及
所述半透明电极膜包括对应于所述以矩阵形式排列的导体之各列的列导体，每个所述列导体连接至一信号读出线。
2.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述闪烁体包括掺钠碘化铯(CsI∶Na)的一种针状晶体结构。
3.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述光电导膜包括硒(Se)为其主要成分的一种非晶态半导体层。
4.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述其上施加偏置电压的导体包括覆盖所述开关元件的均匀平面导体。
5.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述每个场效应晶体管的漏极连接至以矩阵形式排列的所述导体之一；其源极连同其它场效应晶体管的源极一起连接至其上施加偏置电压的所述导体；其栅极连同同一行的其它场效应晶体管一起经由所述行导体之一连接至所述驱动电路。
6.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述驱动电路包括用以产生低压电平的驱动信号，以逐行方式接通所述开关元件的接地部分；用以将所述驱动信号转换为具有偏压电平的驱动信号的未接地部分；以及用以在电气上隔离所述接地部分与所述未接地部分的隔离器部分。
7.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，每个所述列导体连接至一个信号读出电路，所述信号读出电路包括电荷读出前置放大器及积分电容器，以同时读取与所述以矩阵形式排列的导体的一行导体相对应之像素的信号，所述一行导体含有用所述驱动电路接通的所述开关元件。
8.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述列导体被划分成对应于以矩阵形式排列的多行所述导体。
9.如权利要求1所述的二维辐射探测器，其特征在于，所述行导体被划分并设置成垂直于所述列导体而延伸，所述驱动信号同时施加到所述被划分的行导体中多个相应的行导体。
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