CN107831523A - 用于数字成像系统中的多传感器像素架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于数字成像系统中的多传感器像素架构，并具体描述了一种用于数字成像系统中的多传感器像素架构的系统和方法。系统包括至少一个半导电层，以用于吸收入射到至少一个半导电层的对侧上的辐射；以及在半导电层的一侧上的电极组，以用于传送与半导电层所吸收的辐射相关联的信号。

Description

用于数字成像系统中的多传感器像素架构
技术领域
本公开通常涉及数字成像系统，并且更具体地，涉及用于数字成像系统中的多传感器像素架构。
背景技术
传统上，X射线诊断方法在卤化银胶片上记录x射线成像图形。这些系统通常指引撞击X射线辐射或X射线穿过待研究物体的初始均匀的图形，在X射线穿过待研究物体之后，采用X射线辐射增光屏截取X射线辐射的已调制图形，在卤化银胶片上记录已修改的图形，以及将潜影图形化学地转换为永久并可见的、称作射线照片的图像。
通过使用辐射敏感材料层而产生射线照片以直接地将射线照明图像捕捉作为电荷的已调制图形。取决于入射的X射线辐射的强度，使用离散固态辐射传感器的规则设置的阵列来量子化由X射线辐射电学地或光学地(经由闪烁体(scintillator)间接地)产生的电荷。
近期，在用于使用有源矩阵技术的数字射线学的大面积、平板、数字X射线成像器的领域已经具有快速的进展。有源矩阵包括采用大面积可兼容半导体材料制成的薄膜晶体管(TFT)的二维阵列(其每一个元件称作像素)。
存在用于制造平板X射线成像器的两种通常方案。这些方案可以视作直接方案或间接方案。直接方案主要地使用非晶硒光导电体作为直接地偶接到有源矩阵的X射线至电荷转换层。在间接方案中，使用磷光体屏幕或闪烁体(例如CsI、GdOS等)以将X射线转换为可见光子，随后使用由有源矩阵阵列上TFT制造的额外像素层光传感器而将可见光子转换为电荷。
尽管通过相互堆叠两个X射线成像器而进行大面积双能量X射线成像的概念已经甚至在计算射线照相领域出现，但采集良好质量图像的难度、工序的总时间的增长、以及与两个图像相关联的诊断时间已经限制了其在主流机器中的使用。堆叠两个成像器也推动制造成本直线地上升。最近，随着数字X射线成像器的兴起，称作快速kVp切换的技术已经获得了一些接受度，其中X射线源通常在<100ms内在高和低X射线曝光度之间切换，而使用单个数字成像器以顺序地采集图像。尽管可以使用该方案获得双能量图像，但该技术易受运动物体影响，例如由于患者呼吸。此外，可以仅优化数字成像器以捕获低或高能量频谱，但是这导致在分辨率和剂量效率之间的权衡。
优化商业上可购得的平板成像器以检测入射X射线能量的单频谱，例如优化胸腔射线照相成像器以检测100kVp频谱，或可替代地设计乳房造影法成像器以检测30kVp频谱。通常通过选择用于直接成像的光导电体的最优厚度、或可替代地用于间接成像的闪烁体的最优厚度而进行优化。如果闪烁体太薄，吸收效率受影响，并且如果闪烁体太厚，模糊增多。
因此，需要改进的数字X射线成像器。
发明内容
本公开涉及一种用于多传感器像素架构的系统和方法。在一个实施例中，像素架构集成在单个像素内的光导电检测元件中。在一个特征方面中，这使能产生下一代双能量成像器。在其优点之中，本公开的系统可以同时地获取双能量图像，可以相互独立地优化和/或可以减小或最小化制造成本。将结合以下详细说明书和附图而理解本公开的特征方面的这些和其他优点。
然而，能够检测两个不同能量频谱的成像器可以有助于区分两种密度不同的材料例如骨骼和软组织。该技术已经在双能量x射线吸收测量法(也即骨骼扫描)中采用，其中使用线性扫描器以获取双能量图像。双能量在计算机x射线断层照相术(CT)中增长显著，其中单晶或多晶探测器连接至能够经由构建至像素电路中的两个或多个不同阈值而区分入射X射线能量的光子计数电路。然而，迄今为止，双能量大面积X射线成像器尚未获得重大吸引力。
本公开的成像器能够实现以下中至少之一：同时地获取双能量图像而没有运动伪影、当获取高和低能量X射线频谱时对于空间分辨率和剂量效率优化、以及并未类似传统的成像器堆叠方案而抬升制造成本。
在本公开的一个特征方面中，提供了一种用于数字成像系统中的探测器元件，探测器元件包括：至少一个半导电层以用于吸收入射到至少一个半导电层的相对侧边上的辐射；以及位于至少一个半导电层的一个侧边上、用于传送与至少一个半导电层所吸收的辐射相关联的信号的电极组。信号随后传送至读出电子器件组。在另一特征方面中，电极组包括检测电极和偏置电极。在另外又一特征方面中，检测电极和偏置电极横向间隔开。探测器元件也可以包括位于电极组与半导电层之间的阻挡层。
在另一特征方面中，提供了一种用于数字成像系统的探测器元件，探测器元件包括至少一个顶电极金属-半导体-金属(MSM)探测器；以及至少一个底电极MSM探测器；其中至少一个顶电极MSM探测器和至少一个底电极MSM探测器共用公共半导电层。在另一特征方面中，顶电极MSM探测器包括半导电层；以及图形化在半导电层的顶电极侧上的顶电极MSM探测器的电极组。在另一特征方面中，顶电极MSM探测器进一步包括沉积在半导电层与顶电极MSM探测器的电极组之间的阻挡层。
在另一特征方面中，底电极MSM探测器包括半导电层；以及图形化在半导电层的底侧上的底电极MSM探测器的电极组；半导电层的底侧与半导电层的顶侧相对。
附图说明
现在将仅借由示例的方式、参照附图描述本公开的实施例，其中：
图1a示出了用于X射线照相术成像的系统的示意图；
图1b是X射线照相术探测器系统的示意图；
图2是二维有源矩阵成像阵列结构；
图3a至图3c是MSM探测器的示意图；
图4a至图4j是混合MSM光导电体元件的示意图；
图5a至图5d是双X射线成像系统的示意图；
图6是像素级电路图的示意图；
图7a和图7b是薄膜晶体管(TFT)结构的示意图；
图8是像素级电路图的另一示意图；
图9是像素元件的剖面；以及
图10是像素级电路图的另一实施例的示意图。
具体实施方式
呈现以下说明书以使得本领域普通技术人员制造并使用本公开，以及在专利申请及其需求的上下文中提供以下说明。对于实施例的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的，并且本文的一般原理可以适用于其他实施例。因此，本公开并非意在仅限定于所示的实施例，而是应该符合与本文所述原理和特征一致的最宽的范围。
本公开涉及一种像素架构，优选地用于数字成像系统中，其包括与用于数字成像系统的开关或光导电元件集成的多传感器的金属-半导体-金属(MSM)探测器。在一个优选实施例中，数字成像系统是射线照相术成像系统。
金属-半导体-金属(MSM)探测器的示例描述在以下公开文献中：(1)S.Ghanbarzadeh,S.Abbaszadeh和K.S.Karim,“用于数字成像应用的低暗电流非经过金属-半导体-金属光电探测器”(Low dark current amorphous silicon Metal-Semiconductor-Metal photodetector for digital imaging applications)IEEEElectron Device Letters(2014)和(2)名为辐射探测器系统及其制造方法(Radiationdetector system and method of manufacture)的US 9,269,838 B2，在此通过引用的方式并入本文。
图1a示出了射线照相术成像环境或系统的示意图。系统100包括以一组X射线束104的形式产生的X射线辐射源102，该组X射线束104朝向诸如患者的手等的感兴趣物体106发射以用于由射线照相术探测器系统108成像。在本公开中，射线照相术探测器系统108优选地包括基于有源矩阵技术的大面积、平板探测器以实现或产生物体106的成像。通常，待成像的物体106位于X射线辐射源102与射线照相术探测器系统108之间。穿过物体106的X射线与射线照相术探测器系统108相互作用。
在直接成像中，X射线在射线照相术探测器系统108内产生电荷以使得无需闪烁体110。在间接成像中，当它们穿过射线照相术探测器系统108内的磷光屏或闪烁体110时，X射线产生可见光子。设计用于闪烁体的不同材料包括但不限于，碘化铯(CsI)、氧硫化钆(GOS)或钨酸钙(CaWO4)。这些间接产生的可见光子随后进一步在射线照相术探测器系统108内产生电荷。
由射线照相术探测器系统108产生的图像115可以随后在计算机112或计算系统的显示器117上观看。对于一些射线照相术探测器系统108，可能必需同步硬件114以获得X射线源与对撞击的一组X射线束104取样的射线照相术探测器系统108之间的正确定时。
图1b是射线照相术探测器系统的一个实施例的部件的示意图。在当前实施例中，射线照相术探测器系统108包括有源矩阵像素阵列120，其具有像素元件的二维矩阵，其中检测并存储由入射的X射线直接地或间接地产生的电荷。为了在每个像素处存取所存储的电荷，优选地由使得有源矩阵像素阵列120的一行中所有像素将它们所存储的电荷输出至在每个有源矩阵像素阵列120列的端部处偶接到电荷放大器128的数据线126上的行开关控制或控制器124顺序地驱动栅极线122。电荷放大器128除了放大功能之外，也可以执行多路复用功能。电荷放大器128发送像素电荷数据至模拟数字转换器(A/D’s)130，其中将模拟信号转换为数字表达。这些数字表达随后存储在存储器132中，等候在由控制逻辑134所确定的时刻传输至计算机112。数字表达的传输可以由处理器或中央处理单元(CPU)136执行。
图2是对于图1B的有源矩阵像素阵列120内像素的像素级电路的示意图。在每个像素201内有吸收入射的X射线光子并产生电荷的双端子金属-半导体-金属(MSM)或金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(MISIM)探测器200、用于存储被转换的电荷的双端子电容器202、以及用于传输电荷离开像素的开关204，开关204通常是三电极薄膜晶体管(TFT)开关。应该理解的是，电容器202是该像素201内任选的部件。为了清楚，当说明书涉及MSM探测器时，也可以预期设计MISIM探测器。
MSM探测器200的一个电极连接至在有源矩阵像素阵列120内与其他像素共用的高电势偏置端子206，并且另一个电极连接至电容器202。电容器202还连接至低电势接地端208，其也由有源矩阵像素阵列120中其他像素所共用。TFT 204的漏极端子连接至MSM探测器200的一个电极以及电容器202的一个端子。TFT204的源电极连接至像素数据线210，其偶接到图1b中所述的多条数据线126中的一条。TFT 204的栅电极连接至像素栅极线212，其偶接到图1b中所述的多条栅极线122中的一条。
参照图3a，示出了MSM探测器200的第一实施例的示意剖视图。在该实施例中，MSM探测器200可以视为是顶电极配置。MSM探测器200包括基底层330(诸如但不限于玻璃、钢、铝或塑料)、具有沉积在基底层330上的半导电层332。尽管可以预期设计其他材料，但用于半导电层332的材料优选地选自非晶硅、多晶硅、微晶硅、外延硅、非晶硒、单晶硒、硫化钼、金属氧化物半导体、硅纳米线(例如用于以高量子效率检测红外波长)、或有机半导体中的一种。在半导电层332的顶部上沉积可选阻挡层334，并且随后产生的至少两个电极的图形化触点层位于可选阻挡层334顶部上。缺乏可选阻挡层334时，触点层沉积在半导电层332顶部上。在当前实施例中，至少两个电极包括一个检测触点或电极336，以及一个偏置触点或电极338。应该理解的是，电极336和电极338可以转换，由此电极336是偏置触点且电极338是检测电极。在可替代的实施例中，欧姆或肖特基触点可以用作电极。在优选的实施例中，层可以以预定的顺序沉积在基底层330的顶部上。在该实施例中，预定的顺序是半导电层332、可选阻挡层334、以及随后是具有两个电极336和338的触点层。在使用中，MSM探测器200接收并处理顶部入射光328以及底部入射光329。
可选阻挡层334可以是欧姆、肖特基或绝缘层种类的任意一种。具体地，绝缘或宽带隙半导体阻挡层，诸如但不限于聚酰亚胺、聚苯乙烯、PVK、氮化硅、氧化硅、但氧化硅、硫化钼、或透明金属氧化物(诸如氧化铟镓锌、氧化锌)在减小暗电流同时维持高光电流和灵敏度方面是有利的。尽管未示出，可选的抗反射层可以在沉积半导电层332之前沉积在基底层330顶部上。尽管抗反射层对于MSM探测器200的工作不是必须的，但在间接转换成像系统中，抗反射层可以通过增大可见光子撞击到吸收了光子的半导电层332上的百分率而增强系统性能。如果绝缘或宽带隙半导体用作阻挡层，其也可以提供抗反射层的功能。
在图3b中，提供了MSM探测器200的第二实施例的示意剖视图。图3b的MSM探测器200可以视作底电极配置。在当前实施例中，可以相对于图3a的实施例反转在基底层330顶部上层的沉积。首先，在基底层330上沉积被图形化以实现触点(或电极)配对的电极层。这些电极可以是检测336和偏置338触点或电极。电极沉积之后，接着是可选阻挡层334和半导电层332的沉积。尽管未示出，可选的抗反射层可以沉积在半导电层332上。每个层将执行参照图3a如上所述类似的功能。
参照图3c，示出了MSM探测器200的另一实施例的示意性剖视图。图3c的实施例可以视作交错电极的实施例。在该实施例中，检测336和偏置338触点放置在半导电层332的相对侧边上但是横向间隔开。尽管图3c示出检测电极336在偏置电极338之上的位置，应该理解的是这可以反转使得偏置电极338在检测电极336之上的位置。MSM探测器200进一步包括在半导电层332的任一侧边上的可选阻挡层334的配对。采用偏置电极338，可选阻挡层334b封装了偏置电极338，而采用检测电极336，电极336在另一可选阻挡层334a的顶部上。
在图4a中，示出了混合MSM(HMSM)光导电元件的第一实施方式的剖面示意图。在当前实施例中，光导电元件400包括视作检测电极A 402、检测电极B 404、偏置电极A 406和偏置电极B 408的至少四个电极。在可替代的实施例中，可以包括其他电极并如本领域技术人员所理解的设置为梳状配置。
混合光导电元件400包括顶电极MSM探测器410和底电极MSM探测器416，顶电极MSM探测器410包括检测电极A 402、偏置电极A 406、可选阻挡层412和半导电层414，底电极MSM探测器416包括检测电极B 404、偏置电极B 408、可选阻挡层418和半导电层414。顶电极MSM探测器410类似于图3a中所示的实施例，并且底电极探测器MSM 416类似于图3b中所示的实施例。
如可以看到的，顶410和底416MSM探测器共用了公共半导电层414和公共基底420。由于两种电极MSM探测器的组合，光导电元件400可以视作是包括多个MSM的混合MSM(HMSM)结构。图4a的HMSM或光导电元件400能够同时地从半导电层414的相对侧面检测光，也即由顶电极MSM探测器410检测顶部入射光422，以及由底MSM探测器416检测底入射光424。
通常，暗电流是并未采用阻挡层或至少一些种类的电极处理(诸如硅化的MSM探测器)所具有的问题。暗电流已知减小探测器的动态范围(或可替代地，探测器对于其敏感的输入信号幅度的范围)，并且得到的图像质量也降低。暗电流是施加在偏置触点或电极406和408上电场的函数。大电场对于由在半导电层414上撞击X射线光子或束所产生的电载流子的电荷分离是必需的。如果在暗电流减小时光电流维持在高水平或者如果施加较高的电势至偏置触点406和408以增大电荷分离效率，并且对应地增大光电流而并未增大暗电流，则较大的光对暗电流比是可能的，这导致改进的动态范围、较高的对比度、较高的量子效率以及更好的数字图像。
在试验中，当顶MSM探测器410包括绝缘或宽带隙半导体阻挡层412、并且底MSM探测器416包括绝缘或宽带隙半导体阻挡层418时，当前设计会实现或认识到某些优点。这些益处包括但不限于，当没有X射线光子撞击到半导电层414上时减小的暗电流，以及当X射线光子撞击到半导电层414上时使能的高光电流。
在一个实施例中，为了实现或认识到这两个优点，仔细地确定阻挡层412和阻挡层418的特性(材料类型和厚度)以提供与半导电层414的低缺陷密度界面，以及对于工作在高电场下的装置具有介电强度。此外，选择半导电层414的厚度以及阻挡层412和阻挡层418的厚度以考虑半导电层414的暗电导率和光导电率(半导电层414厚度的函数)、所施加的电偏置以及材料特性。
当X射线光子撞击到半导电层414上时(由此使得半导电层414的电阻率降低)，阻挡层412和阻挡层418在较高的电场下准许或允许分别从偏置电极406和408至各自检测触点402和404、穿过各自阻挡层412和418至半导电层414的垂直导电路径。在黑暗中，半导电层414的电阻率是高的，使得跨越阻挡层412和418的电场较低，因此减小或防止了电流从偏置和/或检测触点的任何注入。
在优选的实施例中，选择阻挡层412和418的特性以使得它们也可以克服响应时间的挑战，而同时通过限制偏置406和408以及检测402和404触点注入电流而仍然维持低暗电流。使用太薄的或具有高介电击穿强度的阻挡层412或418可以产生不良的结果。可替代地，不兼容的阻挡层412或418材料的选择可以产生与半导电层414的不良界面，因此陷阱和缺陷可以引起HMSM量子效率的降低。
例如，在实验期间，确定使用至少4000nm厚的非晶硅半导电层414，与100-300nm聚酰亚胺阻挡层412和/或418良好协作，并产生了具有高外部量子效率(在65％之上)的良好品质、或改进的界面。如果半导电层414从非晶硅改变为金属氧化物，诸如氧化铟镓锌(IGZO)或甚至多晶硅，这些均具有不同的材料特性和吸收系数，对于阻挡层(或为了界面目的)的不同特性、厚度和所施加的最大偏置电压是必需的。
此外，与简单地在偏置电极406或408以及检测触点402或404周围图形化绝缘触点相反，连续的阻挡层412或418可以导致具有较少缺陷和陷阱的与半导电层414的更好的整个界面，并且封装半导电层414，由此维持了较高的量子效率。由于其在图形化工艺期间暴露至空气和化学品，图形化工艺可以使得半导电层414界面退化。然而，对于某些应用，图形化是必须的并优选的，如本领域技术人员所知晓的。
进一步，如果偏置电极406和408以及检测电极402和404使用透明材料制造，阻挡层412和418可以用作额外功能诸如作为抗反射层，这允许额外的X射线光子穿过透明触点或电极到达半导电层414。可替代地，可以使用不连续的抗反射(AR)涂层426、428和430，诸如图4e中所示。
图4b和图4c示出了混合MSM结构或光导电元件的可替代配置，其中存在放置在与检测电极A 402(图4b)或检测电极B 404(图4c)相同平面上的单个偏置电极425。图4d代表光导电元件的另一变形，其中偏置电极A 406和偏置电极B 408与图4a的实施例相比物理布置上并未不同，然而，与其中偏置电极406和408可以设置在不同电势下的图4a的实施例不同，它们连接至相同的电势。
图4f是光导电元件的又一实施例的示意剖视图。类似于图4d的实施例，虽然在半导电层414的两侧上，但优选地连接检测电极402和404以产生单个检测电极(或在相同电势下的两个检测电极)。为了产生单个检测电极，可以通过使用通孔实现在半导电层任一侧上电极之间的连接。图4f的结构由于更好的控制电场而可以使能更高的灵敏度。图4f的实施例也包括阻挡层412和418，半导电层和基底420以及偏置电极406和408。
图4g和图4h是光导电元件400的其他实施例的其他剖视图。在这些实施例中，MSM探测器相互层叠堆放。在这些实施例中，也增大了工艺复杂度。
在图4g中，光导电元件400包括一组检测电极402和404，以及一组偏置电极406和408。可选阻挡层438在基底层420的顶部上，半导电层434沉积在可选阻挡层438上。任选的另一阻挡层配对436和418随后沉积在半导电层434的顶部上，使得阻挡层的一个418封装了检测电极402和偏置电极406。另一半导电层414沉积在可选阻挡层418的顶部上。最后，在当前实施例中，抗反射层440沉积在半导电层412的顶部上。
在图4h中，存在提供了使用单个光导电元件400检测三个不同信号的能力的三个检测电极402、404和432。例如，对于从元件400的顶部撞击的顶入射光422，图4h的元件400可以通过检测半导电层414和434中吸收的深度而帮助区分不同的光波长。在一个实施例中，顶半导电层414可以检测较短的蓝色和绿色波长，而可以在底半导电层434中吸收较长波长的类似红色或近红外。该区分的类型是用于精确生物指纹或手扫描的一个因素，其中多频谱传感器可以通过利用穿透人类皮肤的红色光或甚至如稍后所述而成像的多能量X射线从而帮助区分活体手指与模型。元件400还包括三个偏置电极406、408和435，以及一组可选阻挡层412、418、436和438。
参照图4i，光导电元件400包括在第一半导电层414顶部上的抗反射层440。可选阻挡层418，在第一半导电层414的另一侧上，封装了检测402和偏置406电极。封装了检测404和偏置408电极的绝缘层442位于可选阻挡层418与另一阻挡层438之间。第二半导电层434在阻挡层438和基底层420之间。
在图4j的实施例中，一组检测402和偏置406电极位于阻挡层412的顶部上，其与其他阻挡层436和438的配对夹持了在基底层420顶部上半导电层414和434的配对。
在图4中所示的各HMSM结构中的每一个中，可以知晓不同的应用。例如，在消费者显示器领域，因为本公开的HMSM探测器或光导电元件可以从半导电层的两侧检测光，这些装置可以产生双面姿势敏感或触摸显示器。在制造中，任意数目MSM或HMSM探测器可以相互层叠堆放(尽管工艺复杂度将增大)，如图4g至图4j中所示。HMSM堆叠的这些类型可以使得增强频谱间距或者在同一时刻检测多于两个波长(例如红外和/或彩色)。
从半导电层414的两侧探测光学或可见光的光子也可以用于较高性能的双能量X射线成像系统，诸如图5a中示意性示出的。在该实施例中，包含了低、中和高能量的频谱的一组X射线束500入射在X射线探测器502上。顶部闪烁体504(吸收低能入射X射线光子)被放置在采用了MSM或HMSM探测器(诸如如上参照图3a至图3c或图4a至图4j所述)的数字成像器506的顶部上。底部闪烁体508放置在成像器506背后，并且吸收了在顶部闪烁体504中并未吸收的中和高能量X射线光子。使用HMSM成像器506使能够同时探测高和低X射线能量以移除或消除运动假象。
对于双能量X射线成像的应用，HMSM成像器506优选地采用放置在顶部闪烁体504和底部闪烁体508之间的光纤面板510(适用于用作中能滤波器)。面板510可以临近顶部闪烁体504而放置(如图5a中所示)，或者可替代地放置在HMSM成像器506与底部闪烁体508之间。光纤面板510的一个独特属性是其能够吸收一些入射的X射线光子500，但是也允许来自顶部闪烁体504的光发射至HMSM成像器506。换言之，面板可以改进由系统502所执行的探测。
在一些情形中，光纤面板采用CMOS X射线成像器，其中它们被设计用于减小由在重叠的闪烁体层中并未完全被吸收的光子所导致的X射线对于CMOS X射线成像器的损伤量。在当前公开中，光纤面板510用作中能滤波器以对于滤除用于双能量成像的中间能量X射线，这不同于其在CMOS X射线成像器中用途。
因为顶部闪烁体504将入射的X射线光子转换为可见光子，希望这些可见光子到达HMSM成像器506的顶部以用于检测。中能滤波器510或面板帮助滤除中能X射线光子以允许在较低和较高X射线能量之间更好或改进的频谱间距。在一个实施例中，顶部闪烁体504可以顶部镀银以减小或最小化穿过顶部的光损耗并且因此增强在成像器506的顶电极内的光会聚。类似地，底部闪烁体508可以在底部镀银以减小或最小化穿过底部的光损耗。在底部闪烁体508中产生的可见光子将要由HMSM成像器506的底电极检测。
使用诸如图5b中示意性示出的成像系统502，可以使能更高或改进的性能快速-kVp双能量成像，其中通过使用对于低能X射线优化或引导的顶部闪烁体504以及对于高能X射线优化或引导的顶部504和底部508闪烁体的组合而顺序地探测低能和高能X射线。在传统的快速-kVp切换方案中，由相同的X射线成像器探测高能和低能图像，因此对于高或低能量的优化具有挑战性。在当前的系统中，X射线系统包括两个不同成像器以处理高能和低能。
甚至在传统的单X射线能量频谱应用中，在MSM或HMSM成像器506的相对侧面上使用闪烁体配对可以增强功能性、较高的剂量效率、较高的空间分辨率或较低的成本。例如，在图5b中，示出不具有面板的MSM或HMSM成像器506。在该实施例中，单入射X射线频谱的频谱间距将通常不视作足够用于双能量应用，然而，通过对于顶部闪烁体504和底部闪烁体508选择两个不同厚度，可以设计成像器506以对于两个不同X射线能量频谱敏感，取决于光子入射在哪个侧面上。换言之，成像系统可以能够同时地探测撞击到成像器506两侧上的X射线光子。
例如，可以优化X射线成像器506以用于在顶侧上60kVp的儿科成像，以及用于在相对侧面上120kVp的典型胸腔射线照相术，因此在诊断室中用于双重目的。可替代地，50um像素节距成像器可以用于来自顶侧的高分辨率较低X射线能量乳房X射线照相术，并且像素可以被分页(bin)(例如100um×100um)以用于来自底侧的更高能量、较低分辨率的胸腔X射线。该类型双重功能可以帮助在服务水平低下区域以及较低容量的诊所和卫生保健中心减小拥有数字X成像器或系统的成本。
当前公开的优点在于，其使能从基底或半导电层的两侧沿横向朝向探测光，这将成像器或光导电元件的半导电层从顶部和底部方向暴露至入射光而并未具有来自触点阴影的巨大影响。为了增大或最大化从两侧检测的光，透明电极优选用于成像器506，然而，如果这是不可行的，则图3C中的交错MSM可以用在成像器506内。
较高能量X射线通常需要较厚的闪烁体以吸收所有入射光子，然而，较厚的闪烁体由于光散射而并未提供最佳的空间分辨率。空间分辨率和剂量效率权衡在例如氧硫化钆(GOS:Tb)的传统闪烁体中尤其显著，并且就一些程度而言，也对于结构化CsI:Tl是显著的。对于结构化CsI:Tl闪烁体，沉积工艺和设备通常并未设计用于超过1mm沉积厚度，这限制了用于160keV或更高的X射线能量例如在非破坏性测试应用中的剂量效率。图5b中所示架构也可以用于提高剂量效率。在用于高X射线能量成像的一些实施方式中，在顶部闪烁体504中吸收入射的X射线光子的一些，而剩余的穿过MSM成像器506并在底部闪烁体508中被吸收以与仅具有一个闪烁体的传统X射线成像器相比产生更高的剂量效率。
图5b的架构或系统也可以改进闪烁体的空间分辨率而并未损害或影响剂量效率。例如，替代于用于探测入射到顶部上的X射线光子的单个厚(例如1mm)闪烁体，可以使用两个半尺寸(例如0.5mm)闪烁体，一个在顶部504上以及另一个在底部508上。将厚闪烁体层分割为两个较薄的层改进了空间分辨率，因为X射线产生的光学光子散布范围仅限定于半厚度，而不是全部。该方案对于成本降低是有用的。例如，GOS闪烁体广泛已知为比结构化CsI显著廉价，尽管其空间分辨率特性较差，因此并未选择其用于高分辨率成像应用。然而，在图5b中所示的架构中使用两个半厚度GOS闪烁体可以实现更接近CsI的空间分辨率而制造成本相对较低。
最后，图5a和图5b中所示的架构依赖于入射的X射线光子500，在产生了从相对侧面撞击MSM或HMSM结构506的可见光子的两个闪烁体中吸收该X射线光子500。本领域技术人员应该理解的是，MSM或HMSM成像器如图3(基底层330)或图4(基底层420)驻留在基底层(例如玻璃、塑料、钢、铝等)上并且以便于减小或最小化有害的模糊效应，基底层优选地较薄(例如康宁(Corning)Willow玻璃或类似的)或者有目的地减薄以实现改进性能。
图5C和图5d是利用了图4h中所示HMSM装置的多频谱(也即三能量)X射线成像系统的示意图。在图5c和图5d的实施例中，系统502包括三个不同闪烁体510、512和514，在三个不同波长下发光(例如蓝色、绿色和红色)。闪烁体放置在HMSM成像器516的顶部上和/或在其之下，这可以经由在各个深度处半导体层中所吸收光的不同波长的特性而区分三个不同波长的光。再次，在图5c和图5d的情形中，由三个闪烁体所产生的三个图像可以同时地采集而并未暗示运动伪影。能够区分三个不同的X射线能量频谱(高、中和低)，这可以增强对于X射线成像的图像质量，并且类似于采用三个独立能量分页的X射线光子计数。在图5d的实施例中，最厚的闪烁体514优选地放置在HMSM成像器516的下方以减小光损耗和对于闪烁体A510和闪烁体B 512的散射，并且也如前所述用于改进对于闪烁体C 514的空间分辨率。
图6针对包括HMSM探测器618的像素级电路图。在一个实施例中，HMSM探测器618是图4a中所示的一个，其包括顶电极探测器617和底电极探测器619。可替代地，HMSM探测器可以是之前所述的任意一个。
在该像素级电路图中，顶HMSM探测器617优选地具有连接至偏置620的一个电极(偏置电极A 406)以及连接至开关622和存储电容器624的另一个电极(检测电极A 402)。电容器624的第二端子连接至接地端626。TFT开关622由栅极线628驱动，并且当开关622导通时，顶HMSM探测器输出被传输至像素数据线630。相应地，底电极探测器具有连接至偏置632的一个电极(偏置电极B 408)，并且另一个电极(检测电极B 404)连接至开关634和存储电容器636。电容器636的第二端子连接至接地端626。TFT开关634由栅极线638驱动，并且底输出被传输至像素数据线640。如所理解的，图6中所示的实施例或实施方式是非常普通的，因为没有公共信号的多路复用。
图7a是TFT结构的一个实施例的示意图。TFT结构700可以视作是底栅极、反转交错TFT结构。TFT结构700包括具有图形化栅电极704的基底702(例如玻璃或塑料)，接着是栅极绝缘体706、半导电层708以及限定了源极710和漏极712触点的图形化触点层。
图7b是TFT结构的另一实施例的示意图。该实施例可以视作是顶栅极、反转交错TFT结构，具有与图7a的实施例相比以反转配置的多层。两者均是当今显示器业界在使用的非晶硅TFT的实施方式。类似的截面可以为IGZO、有机、多晶硅和纳米线TFT以及如本领域技术人员所理解的其他大面积电子器件材料而绘制。
图8示出了包括诸如图4d中所示的HMSM探测器400的像素级电路图。该实施方式可以用于要求或受益于许多公共信号的多路复用的系统中。在HMSM探测器400内是诸如上面参照图4d所述的顶电极MSM探测器410和底电极MSM探测器416。顶电极探测器和底电极探测器中的每一个具有连接至公共偏置800的一个电极(分别是偏置电极406和408)。用于顶HMSM探测器的另一电极(诸如检测电极A 402)连接至开关802和存储电容器804。电容器804的第二端子连接至公共接地端806。TFT开关802由栅极线808驱动，并且当开关802导通时，检测电极A 402输出被传输至像素数据线810。相应地，底检测电极(诸如检测电极B 404)连接至开关812和存储电容器814。电容器814的第二端子连接至公共接地端806。TFT开关812由公共栅极线808驱动以当底检测电极B 404输出被传输至不连续的像素数据线816时确保同时数据捕获。
图9示出了使用图4d的HMSM、图7a的底栅极TFT架构以及图8的像素电路的像素的优选实施方式的剖视图。
在图9中，HMSM探测器剖面结构900示出了偏置电极902，以通常已知的梳妆电极配置的检测A电极903和检测B电极904，以及阻挡层906和908。在一个实施例中，阻挡层906和908可以由非晶氮化硅、非晶氧化硅、非晶氮氧化硅、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺或聚苯乙烯、非晶硅的半导电层910中的一个制成，或者可替代地，由硫化钼、氧化铟镓锌、多晶硅、非晶硒、碘化汞、氧化铅、微晶硅、纳米晶硅、单晶硅、硅纳米线、PTCBI、或CuPc中的一个或多个制成。
结构900进一步包括非晶氮化硅抗反射层912和非晶氮化硅钝化层914。示出了两个电容器剖面，一个916用于底检测电极(电极903或检测A电极)以及另一个918用于顶检测电极(电极904或检测B电极)。电容器剖面示出了与检测A电极903或检测B电极904共用的底极板，以及连接至接地端920的、通常是低电势的顶电容器极板。电容器电介质在该情形中在非晶氮化硅层912内，并在HMSM探测器剖面900中与抗反射层共用。
此外，在结构内，存在两个TFT，每个针对检测电极。第一TFT A剖面922包括用作TFT源极/漏极电极的检测A电极903，另一TFT源电极/漏电极连接至像素数据线924(也即图8中数据线812)。还示出了连接至诸如图8的像素栅极线808的像素栅极线的栅极电极926。第二TFT B剖面928包括用作TFT源电极/漏电极的检测B电极904，另一TFT源电极/漏电极连接至像素数据线930(也即图8中的数据线168)。还示出了连接至图8中的像素数据线166的公共栅电极926。对于TFT剖面922和928，非晶硅层932是有源层，并且其可以与HMSM探测器剖面900共用或不共用。在图9中，其并未共用，因为HMSM结构900可能需要较厚的半导电层。TFT栅极电介质由非晶氮化硅层912形成，与HMSM探测器的剖面900中所示的抗反射层以及用于电容器A 916和电容器B 918的电介质层共用。
图9中所示共平面设计的一个益处是，其允许多层的共用，例如，TFT栅极电介质可以用作抗反射涂层。在诸如图8的探测器400的HMSM探测器中，因为导电路径是水平的，因此水平界面是首要重要的。使用绝缘体层帮助保护到半导电层的界面。因此，器件性能长期保持稳定，即使在标准TFT制造工艺中构建HMSM探测器400。
因为MSM或HMSM无需例如PIN光电二极管的p+掺杂层，因此发蓝光的磷光体可以起作用，其可以帮助减小非晶硅层910的所需厚度，因此使能与TFT非晶硅层932共用。HMSM探测器可以在触点电极和非晶硅之间使用许多绝缘层的任意一个，也即聚酰亚胺、聚苯乙烯、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氮氧化硅。类似地，抗反射层可以是如上所述设置的相同的一层。
应该注意的是，图8中所示像素电路的额外实施方式是可能的，其使用不同的读出(readout)电路，诸如图10中所示的有源像素传感器。在此，HMSM探测器400连接至两个电容器1000、10002，其存储了由在HMSM探测器400的底部1004和1006上入射光子所产生的信号。两个电容器均具有连接至公共接地端1008的至少一个电极，另一个电极连接至由不连续的像素栅极线1014、1016所控制的开关1010、1012。开关将信号传输至驱动了数据线1020的双级或单级像素放大器1018的输入端，诸如属于Karim等人的美国专利公开序列号20040135911中所公开的(在此通过引用的方式并入)。像素放大器电路的益处是实现较高的信噪比并减少离板(off-panel)读出列放大器(与图8相比，其中要求两个离板读出放大器，也即一个用于顶HMSM以及一个用于低HMSM)。
在之前的说明书中，为了解释说明的目的，阐述了数个细节以便于提供实施例的全面理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以无需这些具体细节以便于实现本发明。在一些情形中，广泛已知的结构可以以框图形式示出以便于不使本发明难以理解。例如，并未提供关于本文所述本发明的实施例是否实施作为软件例行程序、硬件电路、固件或其组合的具体细节。
本公开的实施例可以表示作为存储在机器可读介质(也称作计算机可读介质，处理器可读介质，或具有体现在其中的计算机可读程序代码的计算机可用介质)中的计算机程序产品。机器可读介质可以是任何合适的有形、非临时介质，包括磁、光或电存储介质，包括磁盘、小型盘只读存储器(CD-ROM)、存储器装置(易失性或非易失性)或类似的存储介质。机器可读介质可以包含各种指令集、代码序列、配置信息或其他数据，当其被执行时，使得处理器执行根据本公开实施例的方法中的步骤。本领域技术人员应该知晓，实施所述实施方式所需的其他指令和操作也可以存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器或其他合适的处理装置执行，并且可以与电路交互以执行所述任务。
本文描述了各个实施例。一旦阅读了前述说明，那些实施例的变形可以变得对于本领域技术人员明显。可以预期的是，本领域技术人员将适当地使用这些变形，并且可以预期的是，可以不同于如本文所具体描述的而实施本公开。因此，该公开包括如适用法律所允许的所附权利要求中记载的主题的所有修改和等价形式。此外，本公开包括了在其所有可能变形中上述要素的任意组合，除非本文另外指示或者另外与上下文明显矛盾。
其他变形可以是明显的或者对于本领域的常识变得明显，并且在由权利要求所限定的范围内。

Claims (20)

1.一种用于数字成像系统中的探测器元件，所述探测器元件包括：
至少一个半导电层，所述至少一个半导电层用于吸收入射到所述至少一个半导电层的相对侧面上的辐射；以及
电极组，所述电极组位于所述至少一个半导电层的一侧上以用于传送与所述至少一个半导电层所吸收的辐射相关联的信号；
其中所述信号被传送至读出电子器件组。
2.根据权利要求1所述的探测器元件，其中，所述电极组包括：
检测电极；以及
偏置电极。
3.根据权利要求2所述的探测器元件，其中，所述检测电极和所述偏置电极横向间隔开。
4.根据权利要求1所述的探测器元件，进一步包括阻挡层，所述阻挡层位于所述电极组与所述半导电层之间。
5.根据权利要求1所述的探测器元件，其中，所述半导电层包括非晶硅、硫化钼、氧化铟镓锌、多晶硅、非晶硒、碘化汞、氧化铅、微晶硅、纳米晶硅、单晶硅、苝四甲酸双苯并咪唑PTCBI、硅纳米线和酞菁铜CuPc中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的探测器元件，其中，所述探测器元件偶接到读出电路元件。
7.根据权利要求6所述的探测器元件，其中，所述读出电路元件包括晶体管开关电路、有源像素传感器电路和光子计数像素电路中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的探测器元件，其中，所述阻挡层包括非晶氮化硅、非晶氧化硅、非晶氮氧化硅、聚酰亚胺、PVK、苯并环丁烯BCB、透明金属氧化物和聚苯乙烯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述电极中的至少一个是透明的。
10.一种用于数字成像系统的探测器元件，所述探测器元件包括：
至少一个顶电极金属-半导体-金属MSM探测器；以及
至少一个底电极MSM探测器；
其中所述至少一个顶电极MSM探测器和所述至少一个底电极MSM探测器共用公共半导电层。
11.根据权利要求10所述的探测器元件，其中，所述顶电极MSM探测器包括：
所述半导电层；以及
顶电极MSM探测器的电极组，所述顶电极MSM探测器的电极组图形化在所述半导电层的顶电极侧上。
12.根据权利要求11所述的探测器元件，其中，所述顶电极MSM探测器进一步包括：
阻挡层，所述阻挡层沉积在所述半导电层与所述顶电极MSM探测器的电极组之间。
13.根据权利要求12所述的探测器元件，其中，所述顶电极MSM探测器的电极组横向间隔开。
14.根据权利要求11所述的探测器元件，其中，所述底电极MSM探测器包括：
所述半导电层；以及
底电极MSM探测器的电极组，所述底电极MSM探测器的电极组图形化在所述半导电层的底侧上，所述半导电层的底侧与所述半导电层的顶侧相对。
15.根据权利要求14所述的探测器元件，其中，所述底电极MSM探测器进一步包括：
阻挡层，所述阻挡层沉积在所述底电极MSM探测器的电极组与所述半导电层之间。
16.根据权利要求14所述的探测器元件，其中，所述顶电极MSM探测器的电极组与所述底电极MSM探测器的电极组共用公共电极。
17.根据权利要求1所述的探测器元件，进一步包括闪烁体组，所述闪烁体组放置在所述半导电层的顶侧和底侧上。
18.根据权利要求10所述的探测器元件，进一步包括闪烁体组，所述闪烁体组与所述顶电极MSM探测器和所述底电极MSM探测器中的至少一个邻接。
19.根据权利要求18所述的探测器元件，其中，所述闪烁体组内的闪烁体放置在所述顶电极MSM探测器和所述底电极MSM探测器中的至少一个的顶侧和底侧上。
20.根据权利要求19所述的探测器元件，进一步包括光纤面板，所述光纤面板位于所述闪烁体组内的两个闪烁体之间。
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