CN109196383B - 在读出阶段具有比例电荷增益的辐射成像检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于记录X射线图像信息的两步图像捕获面板。更明确地说，本发明涉及一种方法和设备，其用于引导内部电场以首先在绝缘表面上捕获X射线图像，避免来自所述绝缘表面的电荷注入噪声，并且接着重新引导所述内部电场以将图像电荷从所述绝缘表面转移到导电读出电极，该导电读出电极的电场足以在图像读出阶段获得电荷增益。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于记录X射线图像信息的两步图像捕获面板。更明确地说，本发明涉及一种方法和设备，其用于引导内部电场以首先在绝缘表面上捕获X射线图像，避免来自所述绝缘表面的电荷注入噪声，并且接着重新引导所述内部电场，以将图像电荷从绝缘表面转移到导电读出电极，该导电读出电极的电场足以在图像读出阶段获得电荷增益。
背景技术
数字X射线照片能够通过使用辐射敏感材料层捕获入射X射线作为光强度(光子)的图像方式(image-wise)调制图案或作为电荷来产生。根据入射X射线辐射的强度，所吸收的能量通过X射线光电导体直接转换成电荷，并且引导到规则布置的离散固态辐射传感器阵列。于1994年6月7日公开的Lee等人的公开号为5,319,206的美国专利描述了一种系统，其采用光电导材料层来创建电子-空穴对的图像方式调制区域分布，所述电子-空穴对随后通过具有电荷存储电容器和晶体管(例如薄膜晶体管(TFT)阵列)的二维像素阵列收集。数字X射线图像还能够通过首先将所吸收的能量转换为可见光并且接着将光图案数字化为电信号来获得。公开号为5,262,649的美国专利(Antonuk等人)描述了一种系统，其采用磷光粉层或闪烁材料层来创建光子的图像方式调制分布，所述光子随后通过光敏装置(例如二维非晶硅光电二极管阵列)转换成电荷的对应图像方式调制分布。这些系统均具有可用于重复暴露于X射线辐射而不消耗化学品或处理卤化银薄膜的优点。
在利用闪烁材料创建来自于所吸收的X射线能量的光子的图像方式调制分布的间接转换系统(例如，公开号为5,262,649的美国专利)中，由所吸收的X射线生成的光子可能在被二维光敏装置检测到之前经历多次散射或扩散，从而导致图像清晰度退化或较低的调制传递函数(MTF)。尤其是在需要较厚闪烁材料层来捕获足够的X射线量子用于图像形成时，图像清晰度退化显著。
在利用光电导材料(例如公开号为5,319,206的美国专利中所描述的硒)的直接转换系统(图1、图2)中，在暴露于图像方式调制的X射线辐射之前，将电势施加到顶部电极以提供适当电场。在暴露于X射线辐射期间，对X射线辐射的图像方式调制图案的强度进行响应，在光电导层(在图1中称为“X射线半导体”)中生成电子-空穴对(表示为-和+)，并且这些电子-空穴对通过由高压电源供应的所施加的偏置电场分开。电子-空穴对沿着电场线在相反方向上朝向所述光电导层的相对表面移动。在X射线辐射曝光之后，电荷图像被保持在TFT阵列的存储电容器的导电表面中。接着通过薄膜晶体管的正交阵列和电荷积分放大器读出该图像电荷。在直接转换系统中，由于电场将电荷引导到集电极，所以不管光电导材料的厚度如何，均保持了图像清晰度或MTF。可以利用较厚的X射线转换材料来吸收足够的X射线能量而不会损害所获得的图像质量。然而，当使用诸如非晶硒这样的直接转换材料时，在电荷收集阶段，使用5伏/微米或高达40伏/微米的电场来从X射线中生成图像电荷并且将电荷一直移动到集电极。在这个偏置电场下，还能够从导电电荷收集注入大量漏电流，从而产生大量暗电流。来自这个暗电流的电荷可缩小图像动态范围并且增大图像噪声。因此，需要一种即使在非常高的电场下也没有来自电荷收集表面的电荷注入噪声的检测系统。
此外，用于直接转换系统和间接转换系统两者的常规大面积薄膜晶体管阵列由彼此正交的大量图像数据线和控制栅极线组成。在读出过程期间，当每条栅极线接通时，栅极控制电压通常从用于TFT“关断”状态的约-5伏的负电压切换到用于TFT“导通”状态的+7伏或更高的正电压。12伏或更高的栅极控制电压的摆动(ΔV)将向TFT存储电容器注入电荷ΔQdg，其中该电荷等于ΔV乘以TFT栅电极与漏电极之间的耦合电容Cgd。类似的电荷ΔQgs也将注入连接到电荷放大器的数据线，其中ΔV是控制栅极电压从关断状态到导通状态的变化，并且其中Cgs是TFT中的场效应晶体管(FET)的栅极端子与源极端子之间的寄生电容。在来自每条数据线的图像电荷由电荷放大器积分或收集之后，栅极线电压将从正切换到负，从而关断相同线上的所有晶体管。接着将从图像存储电容器和数据线提取等于ΔV乘以Cgd的负电荷-ΔQgd以及等于ΔV乘以Cgs的负电荷-ΔQgs。在理想情况下，在栅极导通过程期间注入的ΔQgd和ΔQgs应当等于在栅极关断过程期间的-ΔQgd和-ΔQgs。然而，由于FET晶体管的迟滞现象，ΔQgd和ΔQgs的量值可能不与-ΔQgd和-ΔQgs的量值完全相同。因此，在这个图像电荷转移过程中包括少量净电荷作为额外的噪声。即使在ΔQgd和ΔQgs具有-ΔQgd和-ΔQgs的量值的理想条件下，在每次栅极转变中注入的电子数目ΔNe的统计泊松噪声仍等于每次转变的电子数目Ne的平方根。在每个栅极切换周期中，即使当平均电荷ΔQ正好抵消平均电荷-ΔQo时，仍将保留等于2的平方根(1.4142)乘以Ne的平方根的噪声分量。这种噪声通常被称为TFT切换噪声，并且对于低信号或低辐射剂量X射线图像也是不利的。因此，此类TFT切换噪声是采用本领域已知的薄膜晶体管阵列(TFT)的系统的显著缺点。
发明内容
技术问题
因此，本发明的目标是提供一种检测器系统，其能够执行低噪声图像捕获，避免来自高偏置电场的电荷注入噪声并且避免薄膜晶体管(TFT)阵列切换噪声的显著缺点。
问题的解决方案
本发明通过提供如本文所描述并且根据权利要求书的辐射成像检测器和将此检测器用于检测辐射的方法来解决这个问题。本发明还提供一种在低噪声操作中不使用TFT的情况下构造成像阵列的方法。此外，在将电场从X射线图像采集模式重新配置为读出模式之后，可应用相关双取样(CDS)技术以最大限度降低读出线复位噪声和热KTC噪声。能够执行超低噪声读出。由于在像素阵列中不使用非晶硅晶体管或TFT，所以能够与这个检测器一起使用要求高于300摄氏度的热沉积温度的材料而不会对读出阵列造成损坏。本发明的新颖读出阵列不再担心能够造成TFT中的像素缺陷的静电释放损坏(ESD)。在不使用非晶硅晶体管的情况下并且在没有特殊处理以避免对晶体管造成ESD损坏的情况下，这种新颖的无晶体管阵列的制造成本能够显著低于常规TFT阵列。也能够制造大尺寸阵列而不受当前TFT制造工具的限制。
本文所引用的所有参考文献的全文均以引用的方式并入本文中。
发明的有利效果
本发明可提供一种检测器系统，其能够执行低噪声图像捕获，避免来自高偏置电场的电荷注入噪声并且避免薄膜晶体管(TFT)阵列切换噪声的显著缺点。
附图说明
结合以下附图描述本发明，其中相同参考标号表示相同元件，并且其中：
图1示出了使用薄膜晶体管(TFT)的现有技术平板X射线检测器。
图2示出了常规TFT阵列中的栅极线和数据线的布置。
图3示出了本发明的单个像素的结构，其中示出了掩埋场成形电极、介电像素区域和数据读出电极的布置。
图4示出了沿掩埋电极的像素横截面图。
图5示出了正交寻址和读出电路。
图6示出了检测器的垂直横截面。
图7示出了X射线图像累积模式下的检测器的电场线以及电荷移动。
图8示出了X射线图像读出模式下的检测器的电场线以及电荷移动。
图9示出了在图像累积模式下的检测器的电场分布。
图10示出了读出和比例增益模式下的检测器的电场分布。
具体实施方式
本发明提供一种平板，其包括顶部电极、沉积在多个二维矩阵像素元件上的光电导材料(例如，硒)层。所述多个像素元件包括每个像素中的非导电电荷累积区域、布置成行的多个读出电极以及布置成列的在非导电电荷累积区域下方的多个掩埋电极。通过介电材料将列掩埋电极与光电导材料隔离。读出电极在像素区域内的至少一部分未由介电材料覆盖并且与光电导层接触。
发明模式
偏置电压VT1施加到顶部电极。读出电极连接到具有近接地电势的电势VS1的多个读出放大器。列掩埋电极连接到具有可切换电势VP1和VP2的多个列选择驱动器。在X射线图像采集模式阶段，VT1、VS1和VP1的组合电势在掩埋电极的平面上方的大部分光电导材料中产生一组基本上平行的电场，并且使电场弯曲以避免使电场终止于读出电极的导电部分上。将电场引导为终止于每个像素中的掩埋电极的列上方的非导电区域上，如图7所示。一旦与X射线交互，光电导层中所生成的电荷即可通过电场引导并且累积在掩埋电极上方的非导电区域上，如图7所示。每个像素中累积的电荷由非导电表面与掩埋列电势VP1之间的电场保持。在图像读出阶段阶段，一个列掩埋电极的电势改变为VP2，从而将保持在非导电表面上的电荷重新引导到与多个读出放大器连接的读出电极的行。在VP2的特定值情况下，在该读出模式阶段终止于读出电极处的电场可超过比例增益电势的阈值(对于硒来说，约80伏/微米)。然后，从非导电表面移动到读出电极的电荷在被相应读出放大器收集之前将经历比例倍增。
接着，通过电荷放大器对具有比例增益的图像电荷进行积分，并且通过成像计算机对该图像电荷进行数字化和存储。一旦完成所有行的电荷积分，相应列电极的电势即刻返回到VP1，并且下一列的电势改变为VP2，以将电荷转移到电荷积分放大器的行，直到读出整个面板的X射线图像为止。在电荷累积过程或读出过程期间，顶部电极的电势可以保持恒定，并且除了正被读出的一个列之外的整个面板可以继续累积X射线图像电荷。通过一次改变掩埋电极的一个选定列的电势的滚动读出方案，可以获得连续动态成像。
参看图3、4和6，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种辐射成像检测器，其包括：a)第一介电层(11)；b)多个行读出电极(13)，其沉积在介电层(11)上；c)第二介电层(12a)，其沉积在第一介电层(11)上方；d)多个列掩埋电极(14)，其沉积在第二介电层(12a)上；e)第三介电层(12b)，其沉积在第二介电层(12a)和掩埋电极上方；f)多个通孔(10)，其贯穿介电层到达行读出电极(13)。
在本发明的另一个实施例中，辐射成像检测器还可包括：u)多个列像素线(8)，该列像素线(8)是本发明的必要元件(参见图4)。
在本发明的另一个实施例中，辐射成像检测器还可包括：1)多个电荷放大器(9)，其连接到读出电极(13)的每一行以形成辐射图像(参见图5和图6)。
在本发明的辐射成像检测器的一些实施例中，介电层(12a)和(12b)可包含二氧化硅(SiO2)。
本发明还提供将如本文所述的本发明的辐射成像检测器用于检测辐射。
本发明还提供一种用于检测辐射的方法，其包括以下步骤：a)提供本发明的辐射成像检测器；b)生成读出图像信号；以及c)检测所述读出图像信号。
在本发明的方法的一个实施例中，其步骤b)可包括：i)将第一偏置电势施加到顶部偏置电极(19)以引导辐射生成的电荷远离顶部电极(19)移动；ii)将第二偏置电势施加到掩埋电极(14)以引导电荷远离读出通孔(10)，并且将电荷引导到介电层(15)与辐射电荷转换层(6)之间的界面(参见图6)。图7示出了这种电荷累积方法中的电场线(20)的形状。
辐射电荷转换层(6)(例如具有足够厚度用于辐射吸收的非晶硒)沉积在所述第三介电层(12b)和数据通孔(10)之上，其中数据通孔(10)连接到读出电极(13)。然后，将顶部偏置电极(19)沉积在辐射电荷转换层(6)的顶表面上。在X射线图像采集期间，将高压偏置(第一偏置电势)施加到顶部偏置电极(19)，从而在顶部电极与掩埋电极和电荷累积介电区域(15)之间形成电场。随着辐射曝光，将在辐射电荷转换层(6)中生成电子-空穴对。依据高压偏置的极性，空穴(带正电)或电子(带负电)将被朝向检测器的底层驱动。在这个实例中，为了说明本发明的检测器的原理，使用正高压偏置。由诸如X射线的辐射生成的空穴将通过偏置场朝向检测器的底部驱动到第三介电层(15)的顶部。还将负偏置电势施加到与数据通孔(10)相邻的掩埋电极(14)，所述数据通孔(10)连接到布置成行的读出线(13)。由于数据线(13)和读出通孔(10)中的每一个都连接到电荷积分放大器(9)或电荷放大器(9)，所以数据线和通孔电势处于零伏或近零伏。使用适当电压，从顶部高压电极(19)开始的所有电场线将被引导到检测器的底部并且全部在负电势的掩埋电极(14)上方的电荷累积介电区域(15)上结束。一个像素区域内由辐射生成的空穴将累积在这个像素介电界面处。在X射线曝光结束时，或在滚动读出阶段，一列掩埋电极(14)的电势将从负变为正。在这个所述选定线(14)或列像素线(8)上方的电荷累积介电区域(10)上的电介质上的电场的方向将被反转。累积在这条线的介电界面(15)上的电荷将沿反向场(16)移动到连接至读出线的相邻数据电极(参见图8)。累积在每个介电电荷累积区域上的电荷将被转移到与所述选定线(8)或列像素线(8)上的相应像素相邻的数据线。沿着电荷累积介电区域(10)的每个像素的电荷将由连接到每条数据线(13)或读出通孔(10)的多个电荷放大器(9)积分，并且所得的电荷值将被数字化并存储在计算机存储器中。在积分并存储一条线的电荷之后，像素掩埋电极(14)的电势将返回到负，并且下一个像素选择线的电势将变为正值，从而反转下一条线的电荷累积介电区域上的电场。然后，将先前累积在这个区域上的像素电荷转移到与像素相邻的正交数据线。重复这个动作，直到读出整个面板的图像电荷为止。
现有技术中的常规TFT面板由通过正交栅极线和数据线寻址的正交像素阵列组成。栅极线与数据线之间的绝缘材料的厚度通常为200nm至400nm，通常受TFT制造工艺限制。来自TFT结构内部的这些栅极线与数据线的交叉处的寄生电容导致相当大的数据线电容。当电荷放大器用于读出图像信息时，热噪声被按数据线电容与电荷放大器的反馈电容之间的比率大大放大。通常为12伏或更高的栅极电压的切换也在读出图像中产生切换噪声。然而，在本发明中，不使用常规TFT制造工艺。能够大大增加数据线与正交掩埋电极线和数据线的交叉中的绝缘间距。因此，可大大减小数据线的寄生电容，从而在电荷积分放大器中产生少得多的噪声放大。
<实例>
在这个实例中，使用200μm硒上的1KV正电压，从而在大部分硒层中产生5伏/微米的电场。向掩埋电极(14)施加-50V的电势。如图7所示，在输出数据电极(13)连接到电荷放大器(9)的情况下，数据电极的电势接近零伏范围。向掩埋电极(14)施加-50伏的负电压。在这种电势分布情况下，从顶部高压偏置电极开始的所有电场线(20)终止于像素掩埋电极(14)上方的第三介电材料(15)的顶表面上。一旦X射线辐射曝光，即刻在硒层中生成与所吸收的辐射的强度成比例的电子-空穴对。通过电场将电子驱动到顶部高压电极(19)，并且通过电场(20)将空穴驱动到检测器的底部。由于具有该电势分布的所有电场线(20)终止于像素选择电极(14)上方的介电区域(15)上，所以所有X射线辐射生成的空穴均由电场(20)驱动并且累积在分离硒层(6)与像素掩埋电极(14)的介电界面(15)上，如图7所示。在X射线曝光结束时，X射线图像由检测器上累积在每个像素电极(14)上方的介电区域(15)上的电荷量表示。当面板准备好读出时，一列像素掩埋电极的电势从负电压改变为正，例如来自读出电极上方的+100伏。通过这个改变，像素选择电极上方的电场被反转，并且电场线(16)从介电界面起始并在仍处于约零伏的输出数据通孔(10)处终止(参见图8)。在X射线曝光期间累积在该列像素的介电界面上的带正电的空穴现在由这种新电场分布(16)驱动，如图8所示。电荷从介电界面(15)移动到相邻输出数据通孔(10)，并且由连接到每条线的电荷放大器积分，如图5所示。从而，获取了一个列的图像信息。在一个列的数据采集结束时，所述列的电势返回到负值，并且下一个像素列(8)从负变为正，从而将这下一个列(8)的图像电荷推到成行的数据线(13)。重复这个动作，直到读出成像面板上的所有电荷为止。对于大面积像素，可通过对多个小像素元件进行装箱来构造较大像素，使得元件之间的间距能够保持较小，以得到用于电荷推拉转移动作所需要的有限电势。图9和图10分别示出了在电荷累积模式和读出模式期间在像素附近的电场的3D图。图10还示出了读出电极的外环处的电场足以使正电荷经历冲击倍增。在这种条件下，冲击电荷将产生更多电子-空穴对，并且因此获得电荷增益。由于高电场仅集中在读出电极的外环处，并且可用于倍增的来自介电界面的电荷还受到限制，所以能够避免不受控制(或失控)的雪崩模式过程，并且以比例模式实现电荷增益。
以上实例表明，如上所述的辐射成像检测器以及用于检测辐射的方法对于检测辐射特别有用，同时避免与现有技术的辐射检测器相关联的问题，诸如高背景噪声。
尽管已经参考本发明的具体实例详细描述了本发明，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，可在不脱离其精神和范围的情况下对其做出各种改变和修改。
Claims (9)
1.一种辐射成像检测器，包括：
第一介电层；
多个第一电极，其设置在所述第一介电层上；
第二介电层，其设置在所述第一介电层上；
多个第二电极，其设置在所述第二介电层上；
第三介电层，其设置在所述第二电极和所述第二介电层上；以及
多个通孔，其设置在所述第一电极上并且贯穿所述第二介电层和所述第三介电层；
所述辐射成像检测器还包括：
辐射电荷转换层，其设置在所述第三介电层和所述通孔上；以及
顶部偏置电极，其设置在所述辐射电荷转换层上；
其中所述第二电极是由所述第三介电层掩埋的列掩埋电极，并且
其中，在辐射曝光阶段，在所述顶部偏置电极上施加第一偏置电势，并且在所述列掩埋电极上施加第二偏置电势，以在所述顶部偏置电极与所述列掩埋电极之间形成电场，从而在所述第三介电层与所述辐射电荷转换层之间的界面处累积电荷；
其中所述第一电极是行读出电极，并且
其中，一旦完成所述辐射曝光，所述列掩埋电极的电势即刻从所述第二偏置电势改变为所述第一偏置电势，并且所累积的电荷通过所述第一电极转移到数据线。
2.根据权利要求1所述的辐射成像检测器，还包括多个电荷放大器，其分别连接到所述第一电极。
3.根据权利要求1所述的辐射成像检测器，其中所述第一偏置电势为正，并且所述第二偏置电势为负。
4.根据权利要求1所述的辐射成像检测器，其中所述辐射电荷转换层包含非晶硒。
5.根据权利要求1所述的辐射成像检测器，其中所述第二介电层和所述第三介电层包含二氧化硅(SiO2)。
6.一种使用辐射成像检测器的辐射成像检测方法，其中所述辐射成像检测器包括：第一介电层；设置在所述第一介电层上的多个第一电极；设置在所述第一介电层上的第二介电层；设置在所述第二介电层上的多个第二电极；设置在所述第二电极和所述第二介电层上的第三介电层；以及设置在所述第一电极上并且贯穿所述第二介电层和所述第三介电层的多个通孔；
所述辐射成像检测器还包括：设置在所述第三介电层和所述通孔上的辐射电荷转换层；以及设置在所述辐射电荷转换层上的顶部偏置电极；
所述方法包括：
提供所述辐射成像检测器；
使用所述辐射成像检测器生成读出成像信号，包括：
在辐射曝光阶段，将第一偏置电势施加到所述顶部偏置电极，并且将第二偏置电势施加到所述第二电极，以在所述顶部偏置电极与所述第二电极之间形成电场，从而在所述第三介电层与所述辐射电荷转换层之间的界面处累积电荷，
其中所述第二电极是由所述第三介电层掩埋的列掩埋电极；以及
在所述辐射曝光的读出阶段，将所述列掩埋电极的电势从所述第二偏置电势改变为所述第一偏置电势，从而所累积的电荷通过所述第一电极转移到数据线。
7.根据权利要求6所述的辐射成像检测方法，其中所述第一偏置电势为正，并且所述第二偏置电势为负。
8.根据权利要求6所述的辐射成像检测方法，其中所述辐射电荷转换层包含非晶硒。
9.根据权利要求6所述的辐射成像检测方法，其中所述第二介电层和所述第三介电层包含二氧化硅(SiO2)。
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