CN112752040A - 具有对接在一起的基本传感器的光敏传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有对接在一起的基本传感器的光敏传感器，光敏传感器包括对接在一起的多个基本传感器(32)，各个基本传感器包括组织成行的像素矩阵(Q1、Q2)，各行像素连接到多种类型的导体(Col、Sel、Vdd、VRst、Rst)，其中的列导体(Col)连接到传感器的读取电路(L)。传感器还包括与所考虑的导体分开的，与各个列导体(Col)连接的一组组件(40)，该组组件(40)构成所考虑的导体的匹配阻抗。在各个基本传感器(32)中的阻抗具有相同的值，并且用于不同基本传感器的阻抗具有不同阻抗值，以平衡各读取电路(L)与用于各基本传感器的对应列导体(Col)之间的链路阻抗。

Description

具有对接在一起的基本传感器的光敏传感器

技术领域

本发明涉及光敏器件，其包括光敏像素矩阵，该光敏像素矩阵特别为通过半导体材料淀积技术生产的类型。可以实现本发明以用于电离辐射，尤其是用于在医学领域中检测放射线图像的X射线成像或在工业或安全领域中进行无损测试的X射线成像。

背景技术

电子光敏传感器是以平板形式生产的。其包括基本电子电路的矩阵，即部件的矩阵。基本电子电路排成行，更准确地说排成行和列，来形成矩阵。基本电子电路在图像传感器中也称为像素。像素例如由基于其接收的光子流来提供电荷流的光敏区域和用于处理该电荷流的电子电路构成。光敏区域包括光电检测器，例如诸如光电二极管、光敏电阻或光电晶体管。除了光敏元件外，像素还包括位于像素内的电子电路，该电子电路的功能是电荷收集器、控制或处理的功能。该电路通常由半导体组件(例如二极管或晶体管)制成，允许提供诸如开路或闭合电路、复位光电检测器、放大等功能。

光敏传感器此外还包括连接像素的导体。这些导体可以成行排列以逐行连接像素，也可以成列排列以逐列连接像素。行导体和/或列导体为由各个像素检测到的信息提供必要的极化、控制和输出通道。实际上，措辞行或列纯粹是任意的。这些措辞当然可以互换。

光敏传感器通常是通过半导体材料在基于玻璃或硅的衬底上的薄膜淀积技术来生产的。在实现电离辐射并且尤其是X射线的成像中，由于这种类型的辐射难以会聚导致了生产大尺寸的光敏传感器。传感器的尺寸通常超过衬底的常规尺寸。例如，通常发现直径为200mm或300mm的衬底。相比之下，光敏传感器通常为矩形，其最大尺寸会超过400毫米。为了生产这些具有大尺寸的传感器，已知的做法是将多个衬底对接在一起。例如，在本申请人的专利申请WO2008/142135A1中描述了一种生产这种对接的传感器的方法，其中，闪烁体允许将传感器接收到的X光子的波长转换为光电检测器敏感的波长。该专利描述了各基本传感器的物理对准，各个基本传感器是在自己的衬底上生产的。该专利没有涉及到各基本传感器之间可能出现的电差异。在另一专利申请WO02/41621A2中，申请人关注各基本传感器的像素的极化的单独调整。该调整允许在像素饱和时限制相邻像素的输出电平的差异。这是因为从一个基本传感器到另一个基本传感器，各像素的输出电平会不同。专利申请 WO02/41621A2还描述了应用偏移和增益校正，其允许调整各像素的响应曲线，特别是当它们属于不同基本传感器时。这些各类调整在各个像素的输出的级别并且当以低速读取像素矩阵时工作良好。然而，行导体的长度会破坏像素矩阵的驱动和读取。当矩阵的驱动和读取速度增加时，其更加具有惩罚性。内部测试表明，导体的阻抗会相差很大，尤其是当导体属于对接在一起的单独基本传感器时。对导体的阻抗规定严格公差是可以的。这些严格公差往往会增加生产传感器的总成本。

发明内容

本发明旨在通过添加与各个导体并联或串联设置的特定组件以平衡相邻导体的从矩阵外部看的整体阻抗，从而放松对导体本身的阻抗值的公差。

为此，本发明的主题是一种光敏传感器，其包括对接在一起的多个基本传感器，各个基本传感器包括组织成行的像素矩阵，各行的像素与多种类型的导体连接，其中的列导体与传感器的读取电路连接。光敏传感器此外还包括与各个列导体连接的、与所考虑的导体分开的一组组件，该组组件构成所考虑的导体的匹配阻抗。在各个基本传感器中的阻抗具有相同的值，并且用于不同基本传感器的阻抗具有不同的阻抗值，以平衡各读取电路与用于各基本传感器的对应列导体之间的链路阻抗。

此外，各个行中的像素连接到电源导体类型的导体，电源导体类型的导体与用于向传感器供电的电路连接。有利地，光敏传感器包括与各个电源导体连接的、与所考虑的导体分开的一组组件，该组组件构成所考虑的导体的匹配阻抗。在各个基本传感器中的阻抗具有相同的值，并且在不同基本传感器中的阻抗具有不同阻抗值，以平衡各电源电路与用于各基本传感器的对应电源导体之间的链路阻抗。

此外，各个行中的像素连接到控制导体类型的导体，控制导体类型的导体与用于控制传感器的电路连接。有利地，光敏传感器包括与各个控制导体连接的、与所考虑的导体分开的一组组件，该组组件构成所考虑的导体的匹配阻抗。在各个基本传感器中的阻抗具有相同的值，并且在不同基本传感器中的阻抗具有不同阻抗值，以平衡各控制电路与用于各基本传感器的对应控制导体之间的链路阻抗。

对于两个单独的基本传感器，至少一种类型的导体可以具有不同的长度，并且在这种情况下，与该至少一种类型的导体相关联的多组组件的阻抗值基于导体各自的长度而匹配。

多组件组有利地包括串联连接于所考虑的导体的电阻器和在所考虑的导体与器件的地之间连接的电容器。

各组组件有利地设置在位于像素矩阵和与关联的导体连接的电路之间的相应基本传感器的衬底上。

基本传感器有利地分别形成在独立的衬底上。

附图说明

通过阅读以示例方式提供的一个方式的详细描述，将较好地理解本发明，并且进一步的优点将变得明显，该描述通过附图例示，其中：

图1示意性地示出了可以在根据本发明的传感器中实现的示例性像素矩阵1T；

图2示意性地示出了可以在根据本发明的传感器中实现的示例性像素矩阵3T；

图3示意性地示出了由多个基本传感器对接在一起而生产的示例性传感器；

图4较详细地示出了基本传感器中的一个的一部分。

为了清楚起见，在各个附图中，相同的元件将具有相同的附图标记。

具体实施方式

下面的描述是参考由称为像素的多个基本电子电路构成的矩阵阵列检测器提供的，各个基本电子电路包括对物理量敏感的元件。在所描述的示例中，基本电子电路是对光辐射敏感的像素。显然，可以针对对任何形式的物理量敏感从而允许例如产生压力或温度图的其他检测器实施本发明。

图1示意性地示出了两行两列的矩阵10，以便于理解。形成四个像素P，每个像素P在一行和一列的交叉处。当然，实际的矩阵阵列通常要大得多，并且具有大量的行和列。矩阵10属于允许产生数字化图像的矩阵阵列检测器。

各个像素P包括光敏区域，在此由光电二极管D表示，以及电子处理电路，该电子处理电路在图1的示例中由单个晶体管T形成。组件的附图标记D和T后面跟着两个坐标(i,j)，能够将行号取为i并且将列号取为j。该像素具有一个晶体管，因此也称为1T像素，其功能将在下文描述。

以一般的方式，已知的实践是生产包括实现了由缩写CMOS表示的互补晶体硅半导体的晶体管的像素矩阵，其中CMOS代表“互补金属氧化物半导体”。本发明不限于这种类型的晶体管，例如，可以针对包括由TFT表示的薄膜场效应晶体管的矩阵来实现本发明，其中TFT代表“薄膜晶体管”。TFT可以基于金属氧化物，诸如例如基于非晶或晶体的铟、镓和氧化锌(其缩写为IGZO)的晶体管。可以实现其他系列的TFT型晶体管，例如有机TFT，非晶硅TFT或多晶硅TFT。

同一列的像素P与列导体Col连接。该导体允许收集来自与其连接的像素的信息。同一行的像素P连接到行导体Sel，该行导体Sel承载允许控制各个行像素的信号。

在图像捕捉阶段，由各个光电二极管D接收的照明会降低其阴极的电势，电荷根据所接收的照明而累积。该图像捕捉阶段之后是读取阶段，在读取阶段，读取光电二极管D的电势。为此，借助于由导体Sel承载并施加到晶体管的栅极的行选择控制，将晶体管T导通，并因此用作开关。依次读取各行像素。当在各列中的像素的信息被选择时，所述列导体Col用于依次从在各列中的像素收集信息。读取阶段消耗了光电二极管D的电荷，并允许其在新的图像捕捉阶段之前被复位。

还可以在其中像素较简单的检测器中实施本发明，特别是通过用简单的二极管代替晶体管T，该简单的二极管借助于行选择信号而导通。

图2示意性地示出了被标记为Q的像素矩阵20的另一示例，该像素矩阵20也能够被设置在根据本发明的图像检测器中。在各个像素Q中，有光电二极管D，以及在这种情况下由三个晶体管T1、T2和T3形成的电子处理电路。如前所述，光电二极管D和三个晶体管的附图标记后面跟着两个坐标(i,j)，能够将行号取为i并且将列号取为j。实际上，这种类型的像素可以包括其他组件，特别是其他晶体管。由于该像素具有至少三个晶体管，因而被称为3T像素。

在同一列中的像素Q共享位于列导体Col端部的晶体管T5。在同一行中的像素 Q与4个行导体：Sel(i)、Vdd、VRst和Rst(i)连接，允许控制各行像素。

晶体管T1允许将光电二极管D的阴极上的电压复位为导体VRst所承载的电压。首先，该电压保持固定，并且在图像捕捉和读取阶段不变化。在复位操作期间，将电压VRst施加到二极管D的阴极，在此期间，由导体Rst承载的控制信号有效。

如同对于像素P，在复位操作之后发生的图像捕捉阶段中，由像素Q的光电二极管D接收的照明降低了其阴极的电势。在该图像捕捉阶段之后是读取阶段，在该读取阶段中，读取光电二极管D的电势。为此，借助于施加到所述晶体管的栅极并由导体Sel承载的像素选择控制，将晶体管T3导通，并因此用作开关。3T像素的晶体管T3执行与参照图1描述的1T像素的晶体管T相同的功能。

晶体管T2用作跟随器，并由导体Vdd所承载的电压供电。晶体管T5用作电流源。晶体管T2和T5然后形成电压跟随器级，当晶体管T3导通时，该电压跟随器级复制存在于光电二极管D的阴极上的电压并且在列导体Col上在偏移量内再现该电压。为了产生其副本，晶体管T2需要流过其漏极和源极的极化电流。该电流由由晶体管T5形成的电流生成器来施加，该电流生成器对于多个像素可以是共用的或可以不是共用的。在所示示例中，晶体管T5对于列像素是共用的。对于整个矩阵，也可以使用仅单个晶体管T5作为电流源，前提是随着读取这些列而将其持续切换到各个列。列导体Col用于使晶体管T2极化以及当借助于信号Sel选择了相应列中的像素时从该像素收集信息。另选地，可以分开列导体Col以分开其两个功能。

本发明可以针对具有不同操作的像素来实现。作为示例，本发明可以针对4T像素实现。除了晶体管T1、T2和T3外，4T像素还包括设置在光电二极管D的阴极与形成该像素的节点的晶体管T2的栅极之间的附加晶体管。该附加晶体管允许光电二极管D中累积的电荷在选定的时刻转移到像素的节点。

在图1的示例中的一个行导体以及在图2的示例中的多个行导体连接到同一行中的各像素P或Q。在图1和图2中未示出的控制电路通常为移位寄存器，与对应的行导体连接，并且当被实现时，其生成由导体Sel(i)和导体Rst(i)承载的控制信号。在图2的变型中，同样未被示出的电源电路与相应的行导体连接，并且生成由导体 Vdd和Vrst承载的电压。由导体Vdd和Vrst承载的信号的电压是恒定的并且可以是相同的，为此目的，可以使用一种类型的行导体来承载这两个信号，并且通过同一种方式向该类型的导体供电。和相同的电源电路。然后，将这种类型的共用导体与各个像素Q的晶体管T1和T2连接。导体Vdd和Vrst由于其被施加的电压的恒定性，也被称为电源导体。控制电路和电源电路(如果需要)设置在行端部。此外，读取电路设置在各个列导体Col的端部。

措辞行和列纯粹是任意的，可以交换。实际上，控制电路和电源电路可以设置在矩阵的一侧，并且读取电路可以设置在矩阵的与控制电路和电源电路所在的一侧垂直的一侧。为了简化各电路的连接，还可以将所有电路(控制、电源和读取)设置在矩阵的同一侧。

例如，与列导体Col相关联的读取电路允许对在列导体上收集的信号进行数字化。各读取电路可以包括复用器，该复用器允许对来自一整行像素的信号进行组装。在读取电路读取了行时，可以选择新行来重复读取操作。

图3示意性地示出了包括四个基本传感器32、34、36和38的传感器30的示例，各个基本传感器各自形成在独立的衬底32b、34b、36b和38b上。基本传感器以及因此相应的衬底具有相同的形状。在所示的示例中，基本传感器32、34、36和38具有矩形形状并且沿着一侧对接在一起。矩形形状非常适合于其中行和列相对于彼此垂直延伸的像素矩阵。可以将本发明用于基本传感器的其他多边形形状。可以与基本传感器的数量无关地实现本发明。各个基本传感器32、34、36和38包括如图1或图2 所示的像素矩阵。这四个基本传感器32、34、36和38被对接在一起以形成传感器 30。各个传感器分别包括区域32a、34a、36a和38a，其中设置有读取电路和晶体管 T5。域32a、34a、36a和38a不包含任何像素。区域32a、34a、36a和38a位于列的自由端部的，也就是说，该端部不与另一基本传感器接触。在基本传感器被对接在一起的情况下，像素尽可能地靠近。为了避免在基本传感器对接在一起的位置处图像发生任何断开，不同基本传感器的像素之间的间隔与同一个传感器的两个相邻像素分开的跨距相同。在将基本传感器对接在一起的位置，各基本传感器的导体不相互连接。换句话说，在将基本传感器对接在一起的位置，没有导体将一个基本传感器连接到另一个基本传感器。在各个基本传感器32、34、36和38中，行导体在各行的像素间延伸通过矩阵。更具体地，导体Sel、Vdd、VRst和Rst在像素行间延伸通过它们各自的基本传感器，并且导体Col仍在它们各自的基本传感器之中在像素列间延伸。各个基本传感器32、34、36和38包括控制电路，该控制电路允许生成由其自身的导体 Sel和Rst承载的信号。各个基本传感器32、34、36和38还包括电源电路，该电源电路允许生成由其自身的导体Vdd和VRst承载的信号。控制电路和电源电路可以设置在行的自由端部。另选地，其可以设置在区域32a、34a、36a和38a中。然后，导体Sel、Vdd、VRst和Rst像导体Col一样成列排列。列导体也是如此，以允许读取像素。各个基本传感器包括其自己的读取电路。各基本传感器的列导体Col彼此不连接，即使它们接力延伸。随后将不区分导体的取向，无论该取向如何都能够实施本发明。另一方面，将区分各种类型的导体。

图4较详细地示出了基本传感器中的一个基本传感器的一部分，并且较精确地说示出了基本传感器32及其区域32a。此细节适用于所有基本传感器。在所示的部分中出现了与同一列导体Col连接的两个像素Q1和Q2。对于实现1T像素P的传感器，很容易转换图4所示的图。在区域32a中，有由晶体管T5表示的电流源和读取电路 L，读取电路L包括例如模数转换器ADC，该ADC允许在像素矩阵Q的各行的各读取操作期间将导体Col上存在的电压数字化。

在图4中出现与列导体Col连接的一组组件40，该组组件40与导体Col分开并且形成导体Col的匹配阻抗。传感器30，针对其各个列导体Col，包括构成所考虑导体的匹配阻抗的一组组件。

在同一个基本传感器32、34、36或38内，与各列导体Col连接的阻抗具有相同的值。从一个基本传感器到下一基本传感器，该阻抗具有不同值，以平衡各读取电路与用于各基本传感器的对应列导体Col之间的链路阻抗。

在图4中，该组组件40包括电阻器42和电容器44。电阻器42串联在读取电路 L和最接近该读取电路L的像素Q2之间。电容器44连接在电阻器42的端子之一和传感器30的地46之间。该RC电路是作为示例提供的。该组件可以仅包含电阻而没有电容器。换句话说，部件组40可以仅包括单一部件。依赖于阻抗匹配的需要，也可以向组40添加电感器。

组件类型及其尺寸的选择允许补偿各基本传感器32、34、36和38间导体长度差异的影响。电阻器42允许补偿导体的电阻的差异。电容器44以及可能的相关联的电感器允许补偿在像素的晶体管T3导通的时刻与读取电路L接收到信号的时刻之间的、在读取阶段期间该信号的建立时间中可能出现的差异。

在区域32a的第一部分48中，组40中的组件可以直接在其关联的基本传感器的衬底上生产。读取电路L也是如此，其也可以在区域32a的第二部分50中生产。在读取电路L的下游，基本传感器可以包括区域32a的第三部分52，以允许传感器30 与其周围装置的连接。传感器30可以包括围绕部分52的密封接头54，该密封接头确保在衬底彼此对接之后存在于衬底上的所有组件都是防漏的。在未示出的入口窗与基本传感器32至38的各衬底之间生产密封接头54。光敏元件可以直接对传感器30 所敏感的辐射敏感。在X射线领域中，通常在入口窗与基本传感器32至38之间设置闪烁体。闪烁体接收X光子并在光敏元件所敏感的波长带中重新发射具有较低能量的光子。闪烁体覆盖像素所在的区域。部分48和50可以用作闪烁体的定位公差区域。

独立于与列导体Col相关联的该组组件40，传感器30可以分别包括与电源导体Vdd和/或与电源导体VRst相关联的另一组组件56和58。如同该组组件40，该组组件56和58是和其关联的导体Vdd或VRst分开的，并且构成相应电源导体的匹配阻抗。在图4所示的示例中，该组组件56包括电阻器60和电容器62。该组组件58包括电阻器64和电容器68。以与该组组件40与列导体Col连接的方式相同，该组组件56和58与其各自的导体Vdd与VRst连接。

关于电源导体VRst，当通过由控制导体Rst承载的控制使像素复位时，各像素的光电二极管D将通过导体VRst放电，从而在该导体上产生电压降。这些导体的长度的差异依赖于所述导体所位于的基本传感器，该差异而导致了不同的电压降。因此，各光电二极管D的放电将不相同，从而导致各像素间的偏移差异。通过基于相关联的导体VRst所位于的基本传感器来调整各电阻器64的值，可以校正这些差异。此外，像素的复位在导体VRst上产生浪涌电流，从而导致瞬态电压降，该瞬态电压降的时间长度依赖于导体VRst的长度。在此浪涌电流之后，导体恢复平衡。达到恢复平衡的时间长度也依赖于导体VRst的长度。通过调整电容器66以及可能的相关联的电感器的值，可以平衡这些时间长度。

关于向各像素的晶体管T2供电的电源导体Vdd，为了尽可能忠实地复制存在于光电二极管D的阴极上的电压，有必要基于各基本传感器来尽可能好的平衡存在于此导体上的电压。导体Vdd上的电压差在各基本传感器对接在一起的位置附近会具有最显著的影响，这会为属于不同基本传感器的相邻像素带来图像上的可见差异。为了限制基本传感器对接在一起的位置处的阈值影响而对各导体Vdd的电压进行的平衡可以是针对电压均值而借助于电阻器60或针对这些电压的建立时间而借助于电容器62以及可能的相关联的电容器62来实现的。

还可以预期控制导体Sel和Rst的阻抗的平衡。如前所述，这些阻抗的平衡是通过与对应导体连接并设置在像素矩阵与相关联的控制电路之间的组件的组来实现的。为了不使图4负担过重，没有示出这些组件组。它们也可以设置在各个基本传感器的部分48中。

组40、56和50的各组件可以通过在所讨论的基本传感器的衬底上淀积金属层来生产。其他制造方法使得可以获得特定的电阻器，诸如例如使用与衬底的掺杂相反的掺杂的区域。这种方法导致了生产在英国文献中名称为“阱电阻器”的电阻器。可以将电容器作为漏极和源极短接的晶体管来生产。

Claims (7)

1.一种光敏传感器，所述光敏传感器包括对接在一起的多个基本传感器(32、34、36、38)，各个基本传感器包括组织成行的像素矩阵(P、Q)，各行像素与多种类型的导体(Col、Sel、Vdd、VRst、Rst)连接，其中的列导体(Col)与所述传感器的读取电路(L)连接，其特征在于，所述光敏传感器包括与各个列导体(Col)连接的、与所考虑的导体分开的一组组件(40)，该组组件(40)构成所考虑的导体(Col)的匹配阻抗，在各个基本传感器(32、34、36、38)中的阻抗具有相同的值，并且用于不同基本传感器的阻抗具有不同阻抗值，以平衡各读取电路(L)与用于各基本传感器的对应列导体(Col)之间的链路阻抗。

2.根据权利要求1所述的光敏传感器，其特征在于，各个行的像素(P、Q)与电源导体类型的导体(VRst、Vdd)连接，所述电源导体类型的导体与用于向所述传感器供电的电路连接，其特征在于所述光敏传感器包括与各个电源导体连接的、与所考虑的导体分开的一组组件(56、58)，该组组件构成所考虑的导体的匹配阻抗，在各个基本传感器中的阻抗具有相同的值，并且在不同基本传感器中的阻抗具有不同阻抗值，以平衡各电源电路与用于各基本传感器的相应电源导体之间的链路阻抗。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的光敏传感器，其特征在于，各个行的像素(P、Q)与控制导体类型的导体(Sel、Rst)连接，所述控制导体类型的导体与用于控制所述传感器的电路连接，其特征在于所述光敏传感器包括与各个控制导体连接的、与所考虑的导体(Sel、Rst)分开的一组组件，该组组件构成所考虑的导体的匹配阻抗，在各个基本传感器(32、34、36、38)中的阻抗具有相同的值，并且在不同基本传感器中的阻抗具有不同阻抗值，以平衡各控制电路与用于各基本传感器的对应控制导体之间的链路阻抗。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光敏传感器，其特征在于，对于两个单独的基本传感器(32、34、36、38)，至少一种类型的导体(Col、Sel、Vdd、VRst、Rst)具有不同长度，并且与所述至少一种类型的导体相关联的多组组件(40、56、58)的阻抗值基于导体各自的长度而匹配。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的光敏传感器，其特征在于，所述多组组件(40、56、58)包括串联连接于在所考虑的导体(Col、Sel、Vdd、VRst，Rst)的电阻器(42、60、64)和在所考虑的导体与所述器件(46)的地之间连接的电容器(44、62、66)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的光敏传感器，其特征在于，各组组件(40、56、58)在位于所述像素矩阵和与相关联的导体(Col、Sel、Vdd、VRst、Rst)连接的电路之间设置在对应基本传感器(32、34、36、38)的衬底上。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的光敏传感器，其特征在于，所述基本传感器(32、34、36、38)分别形成在独立的衬底(32b、34b、36b、38b)上。

Images