CN105514029B - X射线平板探测器的像素结构及其制备方法、摄像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X射线平板探测器的像素结构及其制作方法、摄像系统，该X射线平板探测器的像素结构包括设置在衬底上的至少一个像素信号读出电路，以及设置在所述像素信号读出电路上的传感器；所述传感器包括闪烁层和设置在所述闪烁层正下方的光电转换器件，各所述像素信号读出电路设置于所述光电转换器件的下方。通过将各像素信号读出电路设置于光电转换器件的下方，相对于现有技术中将光电转换器件与开关晶体管并行设置，在不增加像素面积的同时，增大了光电转换器件的感光面积，提高了图像采集能力。
Description
技术领域
本发明涉及摄像技术领域，具体涉及一种X射线平板探测器的像素结构及其制备方法、摄像系统。
背景技术
目前，数字化X线摄影(Digital Radiography，DR)技术被广泛应用于医疗仪器，如拍摄X射线胸片的X射线机。DR装置的关键部件是获取图像的平板探测器，其性能优劣会对DR图像质量产生比较大的影响。
由于现有技术中平板探测器中的光电转换器件与开关晶体管并行设置(即二者在衬底基板上的投影无重叠)，光电转换器件的感光面积受到限制，若增大光电转换器件的感光面积则需要增大像素面积，就会降低像素的开口率，从而降低X射线平板探测器的分辨率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种X射线平板探测器的像素结构及其制备方法、摄像系统，实现了在不增加像素面积的同时，增大了光电转换器件的感光面积，提高了图像采集能力。
第一方面，本发明提供一种X射线平板探测器的像素结构，包括设置在衬底上的至少一个像素信号读出电路，以及设置在所述像素信号读出电路上的传感器；
所述传感器包括闪烁层和设置在所述闪烁层正下方的光电转换器件，各所述像素信号读出电路设置于所述光电转换器件的下方。
可选的，所述传感器中的闪烁层和光电转换器件在衬底上的投影重叠。
可选的，所述像素信号读出电路包括第一读出电路。
可选的，所述第一读出电路包括触控芯片和触控电路，所述触控电路包括多条感应电极和多条驱动电极；
所述触控芯片与所述触控电路连接，用于向多条所述驱动电极发送驱动信号，以及检测多条所述感应电极的感应信号，并确定驱动电极和感应电极之间的电容的变化量。
可选的，所述触控电路为电容式触控电路。
可选的，所述像素结构包括第二读出电路，所述第二读出电路为开关晶体管，所述开关晶体管的漏极和源极中的一个与所述光电转换器件的输出端相连；
所述第二读出电路和第一读出电路分别设置在所述衬底上，且两者无交叠区域。
可选的，所述闪烁层为柱状排列的晶体阵列，所述闪烁层的厚度为400-1000um。
可选的，所述像素结构还包括设置在所述光电转换器件和所述闪烁层之间的透明保护层。
第二方面，本发明还提供了一种基于上述的X射线平板探测器的像素结构的制备方法，包括：
在衬底上形成至少一个像素信号读出电路；
在所述像素信号读出电路上形成传感器；
在所述传感器上形成闪烁层；
其中，所述传感器包括闪烁层以及设置在所述闪烁层正下方的光电转换器件，各所述像素信号读出电路设置于所述光电转换器件的下方。
可选的，所述在衬底上形成至少一个像素信号读出电路，包括：
在所述衬底上形成第一读出电路的步骤；
其中，所述第一读出电路包括触控芯片和触控电路，所述触控电路包括多条感应电极和多条驱动电极；所述触控芯片与所述触控电路连接，用于向多条所述驱动电极发送驱动信号，以及检测多条所述感应电极的感应信号，并确定驱动电极和感应电极之间的电容的变化量。
可选的，所述在衬底上形成至少一个像素信号读出电路，包括：
在所述衬底上形成第二读出电路的步骤；
其中，所述第二读出电路和第一读出电路无交叠区域，所述第二读出电路为开关晶体管，所述开关晶体管的漏极和源极中的一个与所述光电转换器件的输出端相连。
第三方面，本发明还提供了一种X射线平板探测器，包括上述X射线平板探测器的像素结构。
第四方面，本发明还提供了一种摄像系统，包括上述的X射线平板探测器。
由上述技术方案可知，本发明提供的一种X射线平板探测器及其制备方法、摄像系统，通过将各像素信号读出电路设置于光电转换器件的下方，相对于现有技术中将光电转换器件与开关晶体管并行设置，在不增加像素面积的同时，增大了光电转换器件的感光面积，提高了图像采集能力。
附图说明
图1为X射线平板探测器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的X射线平板探测器的像素结构的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的X射线平板探测器的像素结构的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的感应电极和驱动电极构成的阵列示意图；
图5为本发明另一实施例提供的X射线平板探测器的像素结构的结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的X射线平板探测器的像素结构的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的X射线平板探测器的像素结构的制备方法的流程示意图；
图8为本发明另一实施例提供的X射线平板探测器的像素结构的制备方法的流程示意图；
其中附图标记说明：
1、衬底；2、像素信号读出电路；3、传感器；31、光电转换器件；32、闪烁层；4、绝缘层；21、第二读出电路；22、第一读出电路；211、电荷接收电极；212、开关晶体管；213、电荷输出总线；221、触控芯片；222、感应电极；223、驱动电极；224、感应电极连接线；225、驱动电极连接线；2121、栅极；2122、栅绝缘层；2123、源极；2124、漏极；2125、有源层。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明考虑到图1所示的平板探测器的结构，提出了新的技术方案。如图1所示，平板探测器包括闪烁层32、光电转换器件31、开关晶体管212、输出总线213和衬底1，闪烁层32用于将X射线转换可见光，光电转换器件31会产生空穴电子对，在外加偏压电场的作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在光电转换器件31自带的存储电容中形成存储电荷，在开关晶体管212打开时，输出到输出总线213，通过外部读出电路可以获取每一像素点的电荷量，进而获取每一像素点的X射线的剂量。
图2示出了本发明一实施例提供的一种X射线平板探测器的像素结构的结构示意图，如图2所示，该像素结构包括设置在衬底1上的至少一个像素信号读出电路2，以及设置在所述像素信号读出电路2上的传感器3。
所述传感器3包括闪烁层32和设置在所述闪烁层32正下方的光电转换器件31，各所述像素信号读出电路2设置于所述光电转换器件31的下方。
由于如图1所示的光电二极管3与开关晶体管212并行设置(即二者在衬底基板上的投影无重叠)，而本实施例中的X射线平板探测器的像素结构中的像素信号读出电路2设置于光电转换器件31的下方，由图2可以明显看出，本实施例中的光电转换器件31的感光面积较大，实现了在不增加像素面积的同时，增大了光电转换器件的感光面积；另外由于光电转换器件31的感光面积增大，使得光电转换器件31中的存储电容增大，其存储电荷的能力增强，因此提高了图像采集能力。
上述衬底1的材质可以为玻璃或塑料基板等；闪烁层32材料可以为碘化铯晶体，其为柱状排列的晶体阵列，用于把X射线转换成可见光，其厚度为400-1000um，吸收高能X射线的效率高，可以提高图像分辨率，碘化铯晶体是一种无机离子化合物，可以进一步提高捕获X射线的能力，并减少散射光；光电转换器件31可以为光电二极管，其材料为非晶体硅，可以为PIN型，PN型或非晶硅薄膜中的一种。
所述传感器3中的闪烁层32和光电转换器件31在衬底1上的投影重叠，这样使得光电转换器件31能够较多的吸收闪烁层32转换的可见光。
本实施例中的像素信号读出电路2可以包括一个或多个像素信号读出电路。
图3示出了本发明一实施例提供的一种X射线平板探测器的像素结构的结构示意图，如图3所示，该像素结构包括设置在衬底1上的至少一个像素信号读出电路2，以及设置在所述像素信号读出电路2上的传感器3。
所述传感器3包括闪烁层32和设置在所述闪烁层32正下方的光电转换器件31，各所述像素信号读出电路2设置于所述光电转换器件31的下方。
其中，所述像素信号读出电路2包括第一读出电路22，所述第一读出电路包括触控芯片221和触控电路，所述触控电路包括多条感应电极222和多条驱动电极223；
所述触控电路为电容式触控电路，所述触控芯片221与所述触控电路连接，用于向多条所述驱动电极223发送驱动信号，以及检测多条所述感应电极222的感应信号，并确定驱动电极223和感应电极222之间的电容的变化量，最终由与触控芯片221相连的外部电路根据电容的变化量获取每一像素点的X射线的剂量。
可理解的是，本实施例中的第一读出电路22还包括图3中未示出的感应电极连接线224和驱动电极连接线225，每一条上的多个感应电极222通过感应电极连接线224相连，每一条上的驱动电极223通过驱动电极连接线225相连，其中多条感应电极222和多条驱动电极223相互交叉且绝缘设置，图4示出了感应电极222和驱动电极223构成的阵列示意图。具体的在布线时，可以通过以下两种方案实现多条感应电极222和多条驱动电极223相互交叉且绝缘设置，驱动电极连接线225可以与上述触控芯片221连接，用于获取触控芯片221输入的驱动信号，感应电极连接线224也与触控芯片221连接，触控芯片221通过检测多条所述感应电极222的感应信号，并确定驱动电极223和感应电极222之间的电容的变化量。
例如，所述感应电极222和所述驱动电极223形成在同一层，每一条上的感应电极222通过感应电极连接线224连接，每一条上的驱动电极223通过驱动电极连接线225连接，所述感应电极连接线224和所述驱动电极连接线225形成在不同层。
又例如，所述感应电极222和所述驱动电极223形成在不同层，每一条上的感应电极222通过感应电极连接线224连接，每一条上的驱动电极223通过驱动电极连接线225连接，所述感应电极连接线224与所述感应电极222形成在同一层，所述驱动电极连接线225与所述驱动电极223形成在同一层。
上述均用于举例说明，本实施例不对上述感应电极222、驱动电极223、感应电极连接线224以及驱动电极连接线225形成的层进行限定，当然在不影响感应电极222和驱动电极223绝缘的情况下，将更多电极以及连接线形成在同一层，能够减少构图工艺的次数。
下面对X射线平板探测器的像素结构的工作原理进行详细说明。
闪烁层32会将X射线转换成可见光，可见光被光电转换器件31吸收并转换成电荷载流子，电荷载流子存储在光电转换器件31自身的电容中形成图像电荷，外部电路通过触控芯片221顺序向每一行的驱动电极连接线225发送驱动信号，这时感应电极222与驱动电极223之间形成电容，感应电极222在接收到图像电荷时，会产生感应信号，触控芯片221会检测多条所述感应电极222的感应信号，并确定驱动电极223和感应电极222之间的电容的变化量。最终由与触控芯片221相连的外部电路根据电容的变化量获取每一像素点的X射线的剂量。
图5示出了本发明一实施例提供的一种X射线平板探测器的像素结构的结构示意图，如图5所示，该像素结构包括设置在衬底1上的至少一个像素信号读出电路2，以及设置在所述像素信号读出电路2上的传感器3。
所述传感器3包括闪烁层32和设置在所述闪烁层32正下方的光电转换器件31，各所述像素信号读出电路2设置于所述光电转换器件31的下方。
所述像素信号读出电路2包括第二读出电路21，所述第二读出电路21为开关晶体管212，所述开关晶体管212的漏极2124和源极2123中的一个与所述光电转换器件31的输出端相连，具体如图5所示，可以设置一电荷接收电极211，电荷接收电极211与开关晶体管212中的源极2123相连，开关晶体管212的漏极2124与电荷输出总线213相连。
下面对X射线平板探测器的像素结构的工作原理进行详细说明。
闪烁层32会将X射线转换成可见光，可见光被光电转换器件31吸收并转换成电荷载流子，电荷载流子存储在光电转换器件31自身的电容中形成图像电荷，外部电路通过顺序接通每一行的开关晶体管212，以一行同时读出的方式电荷接收电极211将电荷通过开关晶体管212导出到电荷输出总线213，这时外部电路可以根据电荷输出总线213输出的电荷获取每一像素点X射线的剂量，并将其转换成数字信号，完成数字化采集，然后输出到计算机系统中成像。
上述驱动电极223和感应电极222的材质可以为氧化铟锡或者金属，例如金属Mo、Al等，驱动电极223和感应电极222之间绝缘材质可以为SiNx，SiO2或PI薄膜，驱动电极连接线225和感应电极连接线224的材质可以为Mo、Al、Ag等。上述开关晶体管212包括栅极2121、栅绝缘层2122绝缘层4、有源层2125、源极2123和漏极2124，可以理解为现有技术中的顶栅或底栅结构，本实施例不再进行详细说明。
图6示出了本发明一实施例提供的一种X射线平板探测器的像素结构的结构示意图，如图6所示，该像素结构中的像素信号读出电路2包括上述的第一读出电路22和第二读出电路21，其中所述第二读出电路和第一读出电路分别设置在所述衬底上，且两者无交叠区域。
由于第一读出电路22和第二读出电路21均可实现在不增加像素面积的同时，增大了光电转换器件31的感光面积，由于光电转换器件31的感光面积增大，使得光电转换器件31中的存储电容增大，其存储电荷的能力增强，因此提高了图像采集能力。当然第一读出电路22和第二读出电路21也可以同时形成，由于第一读出电路22中的触控芯片221、感应电极222、驱动电极223、感应电极连接线224和驱动电极连接线225中的部分可以与第二读出电路21中的电荷接收电极211、开关晶体管212和电荷输出总线213中的部分可以通过同一次构图工艺形成，因此不会增加X射线平板探测器的制备工序，另外，并行检测电荷和电容的变化量，可以实现具有较高信噪比的X射线平板探测器。
在上述实施例中的X射线平板探测器的像素结构中，还包括设置在所述光电转换器件31和所述闪烁层32之间的透明保护层(图中未示出)，该透明保护层可以为ITO薄膜，该ITO薄膜可以起到保护光电转换器件31内的电容或像素信号读出电路2中的金属引线，例如，驱动电极连接线，感应电极连接线的作用。
图7示出了本发明实施例提供的一种基于上述的X射线平板探测器的像素结构的制备方法的流程示意图，如图7所示，该方法包括以下步骤：
701、在衬底1上形成至少一个像素信号读出电路2；
702、在所述像素信号读出电路2上形成传感器3；
其中，所述传感器包括闪烁层以及设置在所述闪烁层正下方的光电转换器件，各所述像素信号读出电路设置于所述光电转换器件的下方。
上述方法实现了在不增加像素面积的同时，增大了光电转换器件的感光面积；另外由于光电转换器件31的感光面积增大，使得光电转换器件31中的存储电容增大，其存储电荷的能力增强，因此提高了图像采集能力。
上述步骤701中所述在衬底上形成至少一个像素信号读出电路，包括：
在所述衬底上形成第一读出电路的步骤；
其中，所述第一读出电路包括触控芯片和触控电路，所述触控电路包括多条感应电极和多条驱动电极；所述触控芯片与所述触控电路连接，用于向多条所述驱动电极发送驱动信号，以及检测多条所述感应电极的感应信号，并确定驱动电极和感应电极之间的电容的变化量。
在另一个可实现的方式中，上述步骤701所述在衬底上形成至少一个像素信号读出电路，包括：
在所述衬底上形成第二读出电路的步骤。
当然，上述步骤701还可以包括在所述衬底上形成第一读出电路和第二读出电路的步骤；
其中，所述第二读出电路和第一读出电路无交叠区域，所述第二读出电路为开关晶体管，所述开关晶体管的漏极和源极中的一个与所述光电转换器件的输出端相连。
下面通过具体的实施例对上述方法进行详细说明。
如图8所示，本实施例中的X射线平板探测器的制备方法具体可以包括以下步骤：
801、清洗衬底1并烘干保存。
802、在衬底1上制备像素信号读出电路2。
具体的，制备像素信号读出电路2的过程可以包括制备第一读出电路22和/或第二读出电路21的过程，本实施例以制备第一读出电路22和以及与第一读出电路22并行的第二读出电路21的过程为例进行说明。
其中制备第二读出电路21的步骤为：
在衬底1上制备非晶硅开关晶体管212的步骤，具体包括形成栅极2121、栅绝缘层2122绝缘层4、有源层2125、源极2123和漏极2124的步骤，其与现有技术中通过构图工艺形成开关晶体管212的步骤相同，本实施例不对其进行详细说明。其中，第二读出电路21中的电荷输出总线213可以与开关晶体管212的源极2123和漏极2124通过一次构图工艺形成，电荷接收电极211形成在开关晶体管212的上方，开关晶体管212与电荷接收电极211之间有绝缘层4，绝缘层4上包括用于连接电荷接收电极211和开关晶体管212的过孔。
制备第一读出电路22的步骤为：
通过一次构图工艺形成触控芯片221、感应电极222和驱动电极223，具体可以包括先形成感应电极连接线224，然后形成第一绝缘层4，在第一绝缘层4上形成驱动电极连接线225，在驱动电极连接线225上形成第二绝缘层4，在第二绝缘层4上形成触控芯片221、感应电极222和驱动电极223，其中第一绝缘层4和第二绝缘层4上设置有连接感应电极连接线224和感应电极222的过孔，第二绝缘层4上设置有连接驱动电极连接线225和驱动电极223的过孔。触控芯片221也可以通过过孔与驱动电极连接线225和感应电极连接线224连接，为了节省制作工艺以及制作材料，上述第一读出电路22中的部分也可以与上述第二读出电路21的部分通过一次构图工艺形成，例如，感应电极222和驱动电极223可以与源极2123和漏极2124同时形成等，根据上述触控芯片221、感应电极222、驱动电极223、感应电极连接线224以及驱动电极连接线225均可以根据需要形成在不同的层或者形成将部分形成在同一层，本实施例仅用于举例说明，但不对上述形成过程进行限定。
803、在像素信号读出电路2上制备非晶硅光电转换器件31。
804、在非晶硅光电转换器件31上制备透明保护层。
805、在透明保护层上制备碘化铯闪烁层32。
本发明实施例还提供了一种X射线平板探测器，包括上述X射线平板探测器的像素结构。
本发明实施例还提供了一种摄像系统，包括上述的X射线平板探测器。该摄像系统应用于医疗检查中，X射线平板探测器所检测的电荷信号或电容信号可以传输至对应的控制装置(如计算机)中，控制装置将电信号转换为图像信号，并控制显示装置进行显示相应的图像，从而直观地看出X射线的分布。由于本发明中的X射线平板探测器的检测精度较高，因此能够使所显示的图像更加清晰准确。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (12)
1.一种X射线平板探测器的像素结构，其特征在于，包括设置在衬底上的至少一个像素信号读出电路，以及设置在所述像素信号读出电路上的传感器；
所述传感器包括闪烁层和设置在所述闪烁层正下方的光电转换器件，各所述像素信号读出电路设置于所述光电转换器件的下方；
所述像素信号读出电路包括第一读出电路，所述第一读出电路包括触控芯片和触控电路，所述触控电路包括多条感应电极和多条驱动电极；
所述感应电极在接收到来自所述光电转换器件的图像电荷时产生感应信号；
所述触控芯片与所述触控电路连接，用于向多条所述驱动电极发送驱动信号，以及检测多条所述感应电极的感应信号，并确定驱动电极和感应电极之间的电容的变化量。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述传感器中的闪烁层和光电转换器件在衬底上的投影重叠。
3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述触控电路为电容式触控电路。
4.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构包括第二读出电路，所述第二读出电路为开关晶体管，所述开关晶体管的漏极和源极中的一个与所述光电转换器件的输出端相连。
5.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构包括第二读出电路，所述第二读出电路为开关晶体管，所述开关晶体管的漏极和源极中的一个与所述光电转换器件的输出端相连；所述第二读出电路和第一读出电路分别设置在所述衬底上，且两者无交叠区域。
6.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述闪烁层为柱状排列的晶体阵列，所述闪烁层的厚度为400-1000um。
7.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构还包括设置在所述光电转换器件和所述闪烁层之间的透明保护层。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的X射线平板探测器的像素结构的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成至少一个像素信号读出电路；
在所述像素信号读出电路上形成传感器；
其中，所述传感器包括闪烁层以及设置在所述闪烁层正下方的光电转换器件，各所述像素信号读出电路设置于所述光电转换器件的下方。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在衬底上形成至少一个像素信号读出电路，包括：
在所述衬底上形成第一读出电路的步骤；
其中，所述第一读出电路包括触控芯片和触控电路，所述触控电路包括多条感应电极和多条驱动电极；所述触控芯片与所述触控电路连接，用于向多条所述驱动电极发送驱动信号，以及检测多条所述感应电极的感应信号，并确定驱动电极和感应电极之间的电容的变化量。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述在衬底上形成至少一个像素信号读出电路，包括：
在所述衬底上形成第二读出电路的步骤；
其中，所述第二读出电路和第一读出电路无交叠区域，所述第二读出电路为开关晶体管，所述开关晶体管的漏极和源极中的一个与所述光电转换器件的输出端相连。
11.一种X射线平板探测器，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述X射线平板探测器的像素结构。
12.一种摄像系统，其特征在于，包括如权利要求11所述的X射线平板探测器。
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