CN109661595B - 半导体x射线检测器的封装 - Google Patents

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Abstract

本文公开适合于检测X射线的装置，其包括：X射线吸收层(110)，其配置成从X射线吸收层(110)上入射的X射线光子生成电信号；电子层(120)，其包括电子系统(121)，该电子系统(121)配置成处理或解释电信号；其中X射线吸收层(110)和电子层(120)中的至少一个嵌入电绝缘材料的板(399)中。

Description

半导体X射线检测器的封装
【技术领域】
本公开涉及X射线检测器，特别涉及半导体X射线检测器的封装。
【背景技术】
X射线检测器可以是用于测量X射线的通量、空间分布、光谱或其他性质的设备。
X射线检测器可用于许多应用。一个重要应用是成像。X射线成像是放射摄影技术并且可以用于揭示组成不均匀和不透明物体(例如人体)的内部结构。
早期用于成像的X射线检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有感光乳剂涂层的玻璃底片。尽管照相底片被照相胶片取代，由于它们所提供的优越品质和它们的极端稳定性而仍可在特殊情形中使用它们。照相胶片可以是具有感光乳剂涂层的塑胶胶片(例如，带或片)。
在20世纪80年代，出现了光激励萤光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的萤光材料。在将PSP板暴露于X射线时，X射线激发的电子被困在色心中直到它们受到在板表面上扫描的镭射光束的激励。在镭射扫描板时，捕获的激发电子发出光，其被光电倍增管收集。收集的光转换成数字图像。与照相底片和照相胶片相比，PSP板可以被重复使用。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的部件通常在真空中密封。与照相底片、照相胶片和PSP板相比，X射线图像增强器可产生即时图像，即不需要曝光后处理来产生图像。X射线首先撞击输入萤光体(例如，碘化铯)并且被转换成可见光。可见光然后撞击光电阴极(例如，包含铯和锑复合物的薄金属层)并且促使电子发射。发射电子数量与入射X射线的强度成比例。发射电子通过电子光学器件投射到输出萤光体上并且促使该输出萤光体产生可见光图像。
闪烁体的操作与X射线图像增强器有些类似之处在于闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并且发射可见光，其然后可以被对可见光合适的图像感测器检测到。在闪烁体中，可见光在各个方向上传播和散射并且从而降低空间分辨率。使闪烁体厚度减少有助于提高空间分辨率但也减少X射线吸收。闪烁体从而必须在吸收效率与分辨率之间达成妥协。
半导体X射线检测器通过将X射线直接转换成电信号而在很大程度上克服该问题。半导体X射线检测器可包括半导体层，其在感兴趣波长吸收X射线。当在半导体层中吸收X射线光子时，产生多个载流子(例如，电子和空穴)并且在电场下，这些载流子被扫向半导体层上的电触点。现有的半导体X射线检测器(例如，Medipix)中需要的繁琐的热管理会使得具有大面积和大量像素的检测器难以生产或不可能生产。
【发明内容】
本文公开适合于检测x射线的装置，其包括：X射线吸收层，其配置成从X射线吸收层上入射的X射线光子产生电信号；电子层，其包括电子系统，该电子系统配置成处理或解释电信号；其中X射线吸收层和电子层中的至少一个嵌入电绝缘材料的板中。
根据实施例，电绝缘层包括树脂、玻璃纤维、塑胶或陶瓷。
根据实施例，其中板是柔性的。
根据实施例，电子层嵌入板中。
根据实施例，板包括电连接到电子系统的通孔。
根据实施例，X射线吸收层包括电触点；其中X射线吸收层接合到板使得电触点电连接到通孔并且通过通孔电连接到电子系统。
根据实施例，X射线吸收层嵌入板中。
根据实施例，X射线吸收层包括电触点；其中板包括电连接到电触点的通孔。
根据实施例，电子层接合到板使得电子系统电连接到通孔并且通过通孔电连接到电触点。
根据实施例，板包括第一传输线，其电连接通孔中的至少两个。
根据实施例，板包括第二传输线，其电连接到通孔中的至少一个。
根据实施例，X射线吸收层包括传输线。
根据实施例，X射线吸收层包括电极；其中电子系统包括：第一电压比较器，其配置成将电极的电压与第一阈值比较；第二电压比较器，其配置成将该电压与第二阈值比较；计数器，其配置成记录到达X射线吸收层的X射线光子的数目；控制器；其中该控制器配置成从第一电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间启动时间延迟；其中控制器配置成在时间延迟期间启动第二电压比较器；其中控制器配置成如果第二电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值则促使计数器记录的数目增加一。
根据实施例，电子系统进一步包括电容器模组，其电连接到电极，其中该电容器模组配置成从电极收集载流子。
根据实施例，控制器配置成在时间延迟开始或终止时启动第二电压比较器。
根据实施例，电子系统进一步包括电压表，其中控制器配置成在时间延迟终止时促使电压表测量电压。
根据实施例，控制器配置成基于在时间延迟终止时测量的电压值确定X射线光子能量。
根据实施例，控制器配置成使电极连接到电接地。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为零。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为非零。
根据实施例，第一X射线吸收层包括二极管。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的检测器的横截面图。
图1B示意示出根据实施例的X射线吸收层和电子层以及它们的连接的详细横截面图。
图1C示意示出根据实施例的X射线吸收层和电子层以及它们的连接的详细横截面图。
图2示意示出根据实施例设备可以具有像素阵列。
图3示意示出根据实施例在电子层与X射线吸收层之间的电连接的形式。
图4A—图4H示意示出制作图3中示出的检测器的过程。
图5—图9各自示出根据实施例在电子层与X射线吸收层之间的电连接的形式。
图10示意示出根据实施例的系统，其包括本文描述的适合于例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等医学成像的半导体X射线检测器。
图11示意示出根据实施例的系统，其包括本文描述的适合于牙齿X射线放射摄影的半导体X射线检测器。
图12示意示出根据实施例的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图13示意示出根据实施例的另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图14示意示出全身仪扫描系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图15示意示出根据实施例的X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图16A和图16B各种示出根据实施例的图1A或图1B中的检测器的电子系统的部件图。
图17示意示出根据实施例流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图18示意示出根据实施例在采用图8中示出的方式操作的电子系统中噪声(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图19示意示出根据实施例在电子系统操作来检测处于较高速率的入射X射线光子时流过暴露于X射线的X射线吸收层的电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图20示意示出根据实施例在采用图10中示出的方式操作的电子系统中噪声(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图21示意示出根据实施例在采用图10中示出的方式(其中RST在te之前终止)操作的电子系统中由X射线吸收层上入射的一系列X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的检测器100的横截面图。检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的质量衰减系数。
如在图1B中的检测器100的详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过本征区112(可选)而与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112而彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或区111是n型并且区113是p型)。在图1B中的示例中，第二掺杂区113的离散区114中的每个与第一掺杂区111和本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图1B中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，其具有第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，X射线光子可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向二极管中的一个的电极漂移。场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其中的每个与离散区114电接触。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移使得单个X射线光子产生的载流子大致未被两个不同离散区114共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同的离散区114中的一个)。在这些离散区114中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与这些离散区114中的另一个共用。与离散区114关联的像素150可以是围绕离散区114的区域，其中由其中入射的X射线光子产生的载流子中的大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向离散区114。即，这些载流子中不到2％、不到1％、不到0.1％或不到0.01％流到像素外。
如在图1C中的检测器100的备选详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合)的电阻器，但不包括二极管。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的质量衰减系数。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向电触点119A和119B漂移。场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移使得单个X射线光子产生的载流子大致未被电触点119B的两个不同离散部分共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同的离散区中的一个)。在电触点119B的这些离散部分中的一个的足迹周围入射的X射线光子产生的载流子大致未与电触点119B的这些离散部分中的另一个共用。与电触点119B的离散部分关联的像素150可以是围绕离散部分的区域，其中由其中入射的X射线光子产生的载流子中的大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向电触点119B的离散部分。即，这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流到与电触点119B的一个离散部分关联的像素外。
电子层120可包括电子系统121，其适合于处理或解释X射线吸收层110上入射的X射线光子产生的信号。电子系统121可包括例如滤波网路、放大器、积分器和比较器等模拟电路或例如微处理器等数字电路和内存。电子系统121可包括像素共用的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子系统121可电连接到像素。
图2示意示出检测器100可具有像素150的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝状阵列、六边形阵列或任何其他适合的阵列。每个像素150可配置成检测其上入射的X射线光子、测量X射线光子的能量或两者兼而有之。例如，每个像素150可配置成在一段时间内对其上入射的、能量落在多个仓中的X射线光子的数目计数。所有像素150可配置成在相同时段内对其上入射的、在多个能量仓内的X射线光子的数目计数。每个像素150可具有它自己的模数转换器(ADC)，其配置成使代表入射X射线光子的能量的模拟信号数字化为数字信号。ADC可具有10位或更高的分辨率。每个像素150可配置成测量它的暗电流，例如在每个X射线光子入射在其上之前或与之并发。每个像素150可配置成从其上入射的X射线光子的能量减去暗电流的贡献。像素150可配置成并行操作。例如，在一个像素150测量入射X射线光子时，另一个像素150可等待X射线光子到达。像素150可以但不必独立可寻址。
X射线吸收层110与电子层120之间的电连接可以采用各种形式。电子层120可以具有到检测器100外部的电路的电连接。在实施例中，电子层120与检测器100外部的电路之间的电连接以及使电子层120和X射线吸收层110电连接的电连接可以设置在相同衬底中。
图3示意示出根据实施例在电子层120与X射线吸收层110之间的电连接的形式。电子层120嵌入电绝缘材料的板399中。在板399中可形成各种互连(例如，传输线311和312、通孔322)。板399可以是任何适合的材料，例如树脂、玻璃纤维、塑胶、陶瓷。如果检测器100是小的，或使用包括电子层120和X射线吸收层110的多个晶片，板399可是柔性的并且检测器100可保持运作，即使板399弯曲也如此。X射线吸收层110可接合到板399使得电触点119B电连接到通孔322并且通过通孔322电连接到电子层120的电子系统121。传输线311和312可使电子系统121电连接到外部电路。X射线吸收层110到电子层120的接合可以通过适合的技术，例如直接接合或倒装接合。板399中的传输线312可在从板399表面的不同深度设置—传输线312可设置在不同层中。
直接接合是没有任何额外中间层(例如，焊料凸点)的晶圆接合工艺。接合工艺基于两个表面之间的化学接合。直接接合可在升高的温度但不一定如此。
倒装接合使用沉积到接触垫(例如，X射线吸收层110的电触点119B)上的焊料凸点330。X射线吸收层110或电子层120翻转并且X射线吸收层110的电触点119B与通孔322对齐。焊料凸点330可熔融以将电触点119B和电触点322焊接在一起。焊料凸点330之间的任何空隙空间可用绝缘材料填充。
图4A—图4H示意示出制作图3中示出的检测器的工艺。
如在图4A中示出的，工艺以具有靠其支承的传输线312的衬底开始。传输线312可以通过蚀刻沉积在衬底上的金属层而制成。尽管传输线312在图4A中示出为在一个层中，传输线312可以设置在多个层中。
如在图4B中示出的，电子层120使用适合的方法(例如倒装接合)安装到板399。电子层120可以采用连续衬底或许多晶片的形式。
图4C示出衬底用绝缘材料构建来形成板399。电子层120掩埋在板399中。
图4D示出在板399中形成孔321来使电子层120上以及传输线312上的区域暴露。形成孔321的一个方式通过镭射钻孔。其他可能方式包括光刻和蚀刻。
图4E示出填充空321来形成通孔322。
图4F示出金属313的层设置在电连接到通孔322的板399上。
图4G示出传输线311由金属313的层形成。例如，传输线311可以通过光刻和蚀刻金属313的层而形成。传输线可使通孔322中的一些电连接到传输线312。
图4H示出X射线吸收层110用焊球330安装且接合到板399。
图4B和图4C中示出的步骤可被形成凹陷且将电子层120安装到凹陷内并且通过填充凹陷来掩埋电子层120所代替。凹陷可以通过适合的技术(例如印记)形成。
图5示出根据实施例在电子层120与X射线吸收层110之间的另一个形式的电连接。图5中示出的结构与图3中的结构相似，所不同的是X射线吸收层110嵌入板399并且电子层120安装在板上且电连接到X射线吸收层110。
图6示出根据实施例在电子层120与X射线吸收层110之间的另一个形式的电连接。图6中示出的结构与图3中的结构相似，所不同的是X射线吸收层110桥接电子层120的至少两个晶片。
图7示意示出根据实施例在电子层120与X射线吸收层110之间的一种形式的电连接。电子层120嵌入电绝缘材料的板399中。电子层120具有带电触点的暴露表面123。因此，没有连接到电子层120的通孔并且X射线吸收层110未通过任何通孔接合到电子层120。在实施例中，X射线吸收层110具有传输线311，其使检测器100电连接到板399中的通孔322，其中通孔322连接到板399中的传输线312。
图8示出根据实施例在电子层120与X射线吸收层110之间的另一个形式的电连接。图8的结构与图7中的结构相似，所不同的是X射线吸收层110和电子层120嵌入板399中。图8的结构可以通过在图7的结构中构建板399而获得。
图9示意示出根据实施例在电子层120与X射线吸收层110之间的电连接形式。X射线吸收层110和电子层120接合在一起。电触点119B与电子层120中的电子系统121的电触点125接触。电子层120具有通孔126，其使电子系统121连接到与X射线吸收层110相对的电子层120的表面。X射线吸收层110和电子层120然后可一起接合到嵌入板399中的插入晶片400。插入晶片400具有扇出线410，其使电子层120中的通孔126连接到板399中的传输线312。
图10示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等。系统包括X射线源1201。从X射线源1201发射的X射线穿过物体1202(例如，例如胸部、肢体、腹部等人体部位)、由于物体1202的内部结构(例如，骨头、肌肉、脂肪和器官等)而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。
图11示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如牙齿X射线放射摄影。系统包括X射线源1301。从X射线源1301发射的X射线穿过物体1302，其是哺乳动物(例如，人类)口腔的部分。物体1302可包括上颚骨、颚骨、牙齿、下颚或舌头。X射线由于物体1302的不同结构而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。牙齿比龋齿、感染和牙周膜吸收更多的X射线。牙科患者接收的X射线辐射的剂量典型地是小的(对于全口系列是近似0.150mSv)。
图12示意示出货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于在例如海运集装箱、车辆、轮船、行李等传输系统中检查和识别物品。系统包括X射线源1401。从X射线源1401发射的X射线可从物体1402(例如，海运集装箱、车辆、轮船等)背散射并且被投射到检测器100。物体1402的不同内部结构可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布和/或背散射X射线光子的能量来形成图像。
图13示意示出另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于公交站和机场处的行李筛查。系统包括X射线源1501。从X射线源1501发射的X射线可穿过行李1502、由于行李的内含物而有差异地衰减并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测透射的X射线的强度分布来形成图像。系统可揭示行李的内含物并且识别公共交通上禁用的专案，例如枪支、毒品、锋利武器、易燃物。
图14示意示出全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该全身扫描器系统可为了安全筛查目的来检测人体上的物体而不物理脱衣或进行物理接触。全身扫描器系统可能够检测非金属物体。全身扫描器系统包括X射线源1601。从X射线源1601发射的X射线可从被筛查的人1602和其上的物体背散射，并且被投射到半导体X射线检测器100。物体和人体可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布来形成图像。半导体X射线检测器100和X射线源1601可配置成直线或旋转方向上扫描人。
图15示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。X射线CT系统使用电脑处理的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层摄影图像(虚拟“切片”)。断层摄影图像在各种医学学科中可用于诊断和治疗目的，或用于缺陷检测、失效分析、计量、组件分析和逆向工程。X射线CT系统包括本文描述的半导体检测器100和X射线源1701。半导体X射线检测器100和X射线源1701可配置成沿一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
这里描述的半导体X射线检测器100可具有其他应用，例如在X射线望远镜、X射线乳房摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微放射摄影、X射线铸件检查、X射线无损检验、X射线焊缝检查、X射线数字减影血管摄影等中。使用该半导体X射线检测器100来代替照相底片、照相胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁体或另一个半导体X射线检测器，这可是适合的。
图16A和图16B各自示出根据实施例的电子系统121的部件图。电子系统121可包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、计数器320、开关305、电压表306和控制器310。
第一电压比较器301配置成将二极管300的电极的电压与第一阈值比较。二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113的离散区114中的一个和本征区112(可选)形成的二极管。备选地，第一电压比较器301配置成将电触点(例如，电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器301可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第一电压比较器301可由控制器310可控地启动或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成被连续启动，并且连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器301使系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会减少。配置为连续比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器301可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可导致系统121错过由一些入射X射线光子产生的信号。在入射X射线强度低时，错过入射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的间隔相对长而较低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)，X射线吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器302可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地启动或停用。在停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功耗可以是启动第二电压比较器302时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”|x|是x的非负值而不考虑它的符号。即，
Figure GDA0004010336290000171
Figure GDA0004010336290000172
第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器301可以是相同部件。即，系统121可具有一个电压比较器，其可以在不同时间将电压与两个不同阈值比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高的速度以允许系统121在高的入射X射线通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。
计数器320配置成记录到达二极管或电阻器的X射线光子的数目。计数器320可以是软件部件(例如，电脑内存中存储的数目)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。
控制器310可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器310配置成从第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对阈值以下增加到等于或超过第一阈值的绝对值的值)的时间启动时间延迟。在这里因为电压可以是负的或正的而使用绝对值，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间之前，保持停用第二电压比较器302、计数器320和第一电压比较器301的操作不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之前或之后终止。短语“电压的变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/ns。短语“电压的变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。
控制器310可配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器310配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指促使部件进入操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过提供电力等)。术语“停用”意指促使部件进入非操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到第一电压比较器301的输出在电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值时才启动控制器310。
如果在时间延迟期间第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310可配置成促使计数器320记录的数目增加一。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟终止时测量电压。控制器310可配置成使电极连接到电接地，以便使电压重定并且使电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，电极在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电极在有限复位时期连接到电接地。控制器310可通过控制开关305而使电极连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。
在实施例中，系统121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，系统121没有模拟电路。
电压表306可将它测量的电压作为模拟或数字信号馈送给控制器310。
系统121可包括电容器模组309，其电连接到二极管300的电极或电触点，其中电容器模组配置成从电极收集载流子。电容器模组可以包括放大器的反馈路径中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高的动态范围并且通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如，如在图17中示出的，在t0至t1或t1-t2之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样并且然后由重定开关将其重定。电容器模组可以包括直接连接到电极的电容器。
图17示意示出由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310。在TD1期间，控制器310启动第二电压比较器302。如这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和终止(即，结束)和中间的任何时间。例如，控制器310可在TD1终止时启动第二电压比较器302。如果在TD1期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间ts，时间延迟TD1终止。在图17的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。电压的变化率从而在ts大致为零。控制器310可配置成在TD1终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟TD1终止时测量电压。在实施例中，在电压的变化率在时间延迟TD1终止后大致变为零之后，控制器310促使电压表306测量电压。该时刻的电压与X射线光子产生的载流子的数量成正比，该数量与X射线光子的能量有关。控制器310可配置成基于电压表306测量的电压确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压装仓。计数器320对于每个仓可具有子计数器。在控制器310确定X射线光子的能量落在仓中时，控制器310可促使对于该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，系统121可能够检测X射线图像并且可能够分辨每个X射线光子的X射线光子能量。
在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在RST之后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。系统121在图17的示例中可以应对的入射X射线光子的速率隐式地受限于1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图18示意示出在采用图17中示出的方式操作的系统121中噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0，噪声开始。如果噪声未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪声大到足以促使电压的绝对值超出如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。在TD1期间(例如，在TD1终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD1期间，噪声不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加。在时间te，噪声结束。在时间ts，时间延迟TD1终止。控制器310可配置成在TD1终止时停用第二电压比较器302。如果在TD1期间电压的绝对值未超出V2的绝对值，控制器310可配置成未促使电压表306测量电压。在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪声而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪声抑制方面可非常有效。
图19示意示出在系统121操作来检测处于比1/(TD1+RST)更高速率的入射X射线光子时由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器的电触点，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动比时间延迟TD1还短的时间延迟TD2，并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310。在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。如果在TD2期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间th，时间延迟TD2终止。在图19的示例中，时间th在时间te之前；即TD2在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之前终止。电压的变化率从而在th大致为非零。控制器310可配置成在TD2终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成从在TD2期间作为时间函数的电压推断在te的电压并且使用推断的电压来确定X射线光子的能量。
在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在实施例中，RST在te之前终止。当RST在te之前终止时，RST后电压的变化率可因为X射线光子产生的所有载流子未漂移出X射线吸收层110而大致为非零。电压的变化率在te后大致变为零并且电压在te后稳定为残余电压VR。在实施例中，RST在te或te之后终止，并且RST后电压的变化率可因为X射线光子产生的所有载流子在te漂移出X射线吸收层110而大致为零。在RST后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图20示意示出在采用图19中示出的方式操作的系统121中噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0，噪声开始。如果噪声未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪声大到足以促使电压的绝对值超出如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD2并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD2期间噪声不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加。在时间te，噪声结束。在时间th，时间延迟TD2终止。控制器310可配置成在TD2终止时停用第二电压比较器302。在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪声而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪声抑制方面可非常有效。
图21示意示出在采用图19中示出的方式(其中RST在te之前终止)操作的系统121中由二极管或电阻器上入射的一系列X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。由每个入射X射线光子产生的载流子引起的电压曲线在该光子之前偏移了残余电压。残余电压的绝对值随每个入射光子而依次增加。当残余电压的绝对值超出V1时(参见图21中的虚线矩形)，控制器启动时间延迟TD2并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果在TD2期间在二极管或电阻器上没有其他X射线光子入射，控制器在TD2结束时在复位时期RST期间使电极连接到电接地，由此使残余电压重定。残余电压从而未促使计数器320记录的数目增加。
尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。
【符号说明】
100 检测器
110 X射线吸收层
111 第一掺杂区
112 本征区
113 第二掺杂区
114 离散区
119A 电触点
119B 电触点
120 电子层
121 电子系统
123 暴露表面
125 电触点
126 通孔
150 像素
311 传输线
312 传输线
313 金属
320 通孔
321 孔
330 焊料凸点
399 板
400 晶片
410 扇出线
300 二极管
301 第一电压比较器
302 第二电压比较器
305 开关
306 电压表
309 电容器模组
310 控制器
320 计数器
1201 X射线源
1202 物体
1301 X射线源
1302 物体
1401 X射线源
1402 物体
1501 X射线源
1502 行李
1601 X射线源
1602 人
1701 X射线源
RST 复位期
t0、t1、t2、te、th、ts 时间
TD1 时间延迟
TD2 时间延迟
V1 第一阈值
V2 第二阈值
VR 残余电压

Claims (21)

1.一种适合于检测x射线的装置，其包括：
X射线吸收层，其配置成从所述X射线吸收层上入射的X射线光子生成电信号；
电子层，其包括电子系统，所述电子系统配置成处理或解释电信号；
其中所述X射线吸收层和所述电子层中的至少一个嵌入电绝缘材料的板中；
其中所述X射线吸收层包括电极和传输线；其中所述电子系统包括：
第一电压比较器，其配置成将所述电极的电压与第一阈值比较；
第二电压比较器，其配置成将所述电压与第二阈值比较；
计数器，其配置成记录到达所述X射线吸收层的X射线光子的数目；
控制器；
其中所述控制器配置成从所述第一电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间启动时间延迟；
其中所述控制器配置成在所述时间延迟期间启动所述第二电压比较器；
其中所述控制器配置成如果所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超出所述第二阈值的绝对值则促使所述计数器记录的数目增加一。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电绝缘材料是树脂、玻璃纤维、塑胶或陶瓷。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述板是柔性的。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述电子层嵌入所述板中。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述板包括电连接到所述电子系统的通孔。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述X射线吸收层包括电触点；其中所述X射线吸收层接合到所述板使得所述电触点电连接到所述通孔并且通过所述通孔电连接到所述电子系统。
7.如权利要求5所述的装置，其中所述板包括第一传输线，其电连接所述通孔中的至少两个。
8.如权利要求5所述的装置，其中所述板包括第二传输线，其电连接到所述通孔中的至少一个。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述X射线吸收层嵌入所述板中。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述X射线吸收层包括电触点；其中所述板包括电连接到所述电触点的通孔。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述电子层接合到所述板使得所述电子系统电连接到所述通孔并且通过所述通孔电连接到所述电触点。
12.如权利要求10所述的装置，其中所述板包括第一传输线，其电连接所述通孔中的至少两个。
13.如权利要求10所述的装置，其中所述板包括第二传输线，其电连接到所述通孔中的至少一个。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述电子系统进一步包括电容器模组，其电连接到所述电极，其中所述电容器模组配置成从所述电极收集载流子。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器配置成在所述时间延迟开始或终止时启动所述第二电压比较器。
16.如权利要求1所述的装置，其中所述电子系统进一步包括电压表，其中所述控制器配置成在所述时间延迟终止时促使所述电压表测量所述电压。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述控制器配置成基于在所述时间延迟终止时测量的电压值确定X射线光子能量。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器配置成使所述电极连接到电接地。
19.如权利要求1所述的装置，其中所述电压的变化率在所述时间延迟终止时大致为零。
20.如权利要求1所述的装置，其中所述电压的变化率在所述时间延迟终止时大致为非零。
21.如权利要求1所述的装置，其中所述X射线吸收层包括二极管。
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