CN1404681A - 一种图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器，包括行、列像素。每个像素由一个图像传感元件(26)和一个开关装置(32，34)构成。该开关装置(32，34)能将图像传感元件(26)的信号传送到相关联的列导体(30)。所述的开关装置有两个输入—由行导体(22)规定的第一输入，以及第二输入。相邻的两列像素与一列导体(30)相关联，相邻导体之间的两列像素(P1，P2；P3，P4；P5，P6)和各自的、提供第二输入的共用控制线(CS0；CS1；CS2；CS3)相关联。带两个输入的开关电路能将单个像素分离出来。每两列像素之间的控制线的共用，意味着每个像素与其在只有单一控制输入的常规阵列中时，所需的连接数量相同。

Description

一种图像传感器

本发明涉及一种图像传感器，特别是这种图像传感器的像素设计。具体来说，但并非特指，本发明涉及一种基于薄膜晶体管(TFT)-光电二极管技术的图像传感器阵列。

光学图像传感器通常包括一个由行、列组成的像素阵列，其中，行驱动电路和列读取电路用来对像素阵列寻址。通常，组成像素阵列的行电路和列电路置于分离的衬底上，因此每一行和行驱动电路之间，以及每一列和列读取电路之间，必然会产生互连。现有技术中，则在像素的衬底上设置多路复用电路来减少互连。

现有技术中，早有使用TFT-光电二极管像素电路的传感器。使其发展、并推动它们继续发展的动力在于这种传感器在医疗诊断成像上的应用。最近，人们对基于光学技术产生的指纹传感器的兴趣大大提高了。一开始是对二极管-二极管传感器阵列进行改进，但现在人们的注意力转向了TFT/光电二极管技术，因为这种技术耗能更低，读取更快，并且多路复用比率更高。

图1示出了与TFT/光电二极管图像传感器阵列20连接的列多路复用电路10的典型结构。为简便起见，阵列20只画出一行，与行导体22相关联。该行的每个像素都包括一个TFT24和一个光电二极管26，它们串联在公共极28和各自的列导体30之间。行导体22上的信号使每个像素的TFT24导通，因此光电二极管26产生光电流，流到各自的列导体30中，由电荷敏感放大器40读取。

每列导体30和电荷敏感放大器40之间都有TFT形式的多路复用开关31，其按组排列，一组中的每个开关31都由控制线A、B、C、D单独控制。从A到D的四条控制线定义了从A到D的四个多路复用通道。每一组开关都带有相应的电荷测量装置40，但不同的组会共用控制线。图中所示的装置提供了4∶1的多路复用功能，并需要从A到D的四条附加控制线。

阵列被光照射后，光电二极管的电容中存储了信号电荷。此时，把一正脉冲加到相关联的行导体上，依次寻址每一行，就可读出阵列。在没有列多路复用的阵列中，每一列连接到其自身的电荷敏感放大器上。当TFT24导通时，每个像素的信号电荷就沿列导体30的方向，向下流动到各自的电荷敏感放大器中。

然而，在设置列多路复用的阵列中，情况就更为复杂，因为要考虑到与多路复用通道A连接的各列被读取时的情况。这只能通过使与控制线A连接的多路复用的TFT导通，并确保所有其他多路复用的TFT截止的办法来解决。如此，当施加一行脉冲时，与多路复用通道A相关联的各列中，像素的信号电荷就会沿列向向下流动，经多路复用开关31到达各自的电荷敏感放大器40中。但同时，其他像素的TFT24也会导通，它们光电二极管中的信号电荷即被转移到列电容中去。因此，读取多路复用通道A的动作会使其他像素的信号电荷消失在列电容中。

如果所记录的为静态图像，如指纹，则可以通过分次曝光，重新产生已经丢失的电荷。在这种模式中，多路复用开关A导通，阵列中所有行被顺序寻址，因此可从与多路复用通道A相关联各列连接的所有像素中读取电荷。读完后，阵列再次曝光，与通道B相关联的列多路复用开关31导通。行再次被顺序寻址，因此与通道B相关联的像素的电荷也被读出。多路复用通道C和D也是如此。但是，当该方法用于解决电荷丢失的问题时，还存在两方面的不足。首先，分次曝光和读取导致图像捕获过程加长，特别是指纹传感器，这是人们不期望的；而且采用分次曝光也不适于非静态图像，如医学诊断成像领域。其次，阵列的数据按列的序列出现。原则上这不成其为问题，但实践中则需要发展预定的图像捕获和处理软件。

为避免必须多次成像，则可以通过转移列电容中的电荷来恢复丢失的像素电荷。当使多路复用通道B、C、D各自的多路复用开关31导通，并读取这些通道时，列电容就能连接到电荷敏感放大器。配合这样的读取方案，还需设计许多定时方案，但所有的定时方案都会遇到如下障碍，即电荷要在列电容中储存一段时间，而且对每个多路复用通道而言，这段时间都不相同。涉及该读取方案类型的主要问题是来自每一列中所有像素的漏电流的影响。

还可进一步选择另一个方案，即采用一完整的模拟行存储器(采样保持电路)作为列多路复用电路部分。由于设置了这个电路，当对特定行寻址时，该行像素的信号电荷就能转移到行存储器中。这个过程完成后，电荷经设置了最适合应用的定时方案的列多路复用开关，转移到电荷敏感放大器中。此外，还有几种可能的实现方法，这些方法基本上可分成两类。第一类采用一简单的开关/电容器作为取样--保持(S/H)电路，第二类以高增益的缓冲放大器作为S/H电路部分。这两类改进都有不足之处：第一类中，光电二极管电容器和列寄生电容之间存在共用寄生电荷；第二类中，除电路更为复杂之外，问题还在于采用与像素的TFT相同的技术---如n通道非晶硅技术---来实现高增益缓冲的难度。

还有一种可选方案，实现起来简单，允许列多路复用与单曝图像传感器一起使用。采用与图像传感器像素装置相同技术的多路复用电路---如n通道非晶硅装置---也要求易实现。

美国5 134 489专利公开了一种图像传感器，包括行、列图像传感像素，每行像素与各自的行导体相关联，每列像素与各自的列导体相关联。每个像素包括一图像传感元件和一开关装置，其中，该开关装置能将图像传感元件的信号传送给各自的列导体，它由两个输入控制，即由行导体定义的第一输入，以及第二输入。

用两个输入来控制开关装置，可以寻址一行中的单个像素，或者其中的一组像素。换言之，行地址脉冲不会使该行所有像素的图像传感元件转移电荷。第二输入实际上与列像素相关联，因此两个开关输入就能确定阵列的唯一像素。美国5 134 489专利提出了一种更为复杂的，用两个串联的TFT来实现的开关装置。但这种方法也增加了每个像素控制线的个数，反过来减少了像素中图像传感元件的可用范围，因此降低了图像传感装置的灵敏度。

根据本发明，相邻的两列像素和一列导体相关联，它们位于列导体的两侧，因此列导体之间的间距是列像素间距的两倍。两列像素，位于相邻列导体之间，与各自的、定义为第二输入的控制线相关联。

通过这种方式，一列导体由两列像素共用，给开关提供第二输入的附加控制线也同样由两列像素共用，这意味着每个像素与其在由行导体规定单个开关控制线的常规阵列中时，所需的连接数量相同。但是，共用的列导体和共用控制线交错，因此虽然一条控制线可寻址两列像素，但因为这些控制线与不同的列导体相关联，所以信号可以被分别读取。

因此，最好是给每一列导体提供一可选择操作的路径选择装置，其发送列导体的信号到第一或第二信号测量装置。两个测量装置使来自于和每条控制线相关联的两列导体的信号能同时被读取。

共用控制线给与其相关联的两列的两个路径选择装置提供控制信号。该控制信号，使其中一个路径选择装置选定到第一信号测量装置的路径，另一个路径选择装置选定到第二信号测量装置的路径。如此，给像素的控制输入也被用于控制给两个测量装置提供信号。

每个路径选择装置包括第一和第二晶体管，第一晶体管连接在列导体和第一信号测量装置之间，第二晶体管连接在列导体和第二信号测量装置之间。所述的晶体管最好包括非晶硅薄膜晶体管，每个像素的开关装置也包括一个或一个以上这样的晶体管，因此路径选择装置能容易地一体化于像素阵列中。

每个像素可以包括两个串联的晶体管(构成开关装置)和图像传感元件，连接在列导体和一公共极之间。

像素中两个串联的晶体管，其中之一，也可构成同一列中、其相邻像素两个串联的晶体管中的一个。因此，所需的附加像素电路的个数就减少了。

现在参考说明书附图，详细描述本发明的实施例，其中：

图1所示为已知的带有多路复用电路的像素结构；

图2所示为改进后的可实现多路复用功能的像素设计；

图3所示为采用了图2的像素设计而成的像素结构和多路复用设计；

图4所示为本发明采用了图2的像素设计而成的像素结构和多路复用设计；

图5详细地显示了图4的设计；

图6所示为本发明像素结构以及多路复用设计的第二实施例。

如上文所述，本发明提出了这样一种像素结构，其内的像素开关有两个输入，使每个像素能被唯一寻址。本发明所需的像素设计，参考图2，将做详细的说明。

图1中的单个TFT24改由两个串联的TFT32，34代替(虽然也可选用一个带两个栅极的TFT)。第一个栅极与在标准的TFT/光电二极管像素中时一样，连接至行电极22。第二个栅极，即所谓的列选输入，是像素进一步的控制输入，决定像素能否被读取。该控制输入CS与列像素相关联，因此两个栅极信号能一起独立地选择每个像素。由于TFT32，34串联，只有在它们都导通时，像素才能被读取，也就是说，当行选、列选输入均为正电荷时才可以读取像素。图2也给出了像素布局图P的图示，该图示会在下面用到。

图3示出了改进后的像素电路是怎样与简单的列多路复用电路一起使用的，它们提供了多路复用功能，只要求每帧一次曝光即可。为简便起见，图3只示出阵列中的两行22a和22b，每一行包括与4∶1列多路复用块连接的四个为一组的像素。在完整的阵列中，有许多这样的像素组，每组设置一个相关联的电荷敏感放大器40。每一列底部的TFT31现为选择性元件，因为多路复用功能可按像素极实现。从A到D的控制线定义了从A到D的多路复用通道，它们也定义了从CS0到CS3的列选信号。

曝光之后，像素电荷即刻被存储在光电二极管的电容中，阵列处于待读状态。如果没有列多路复用，阵列就是一行接一行寻址的。寻址并读取特定行的信号电荷，这个过程分成四个阶段进行(对一个4∶1的列多路复用而言)。首先，读取和A列连接的像素，随后是和B列连接的像素，以次类推。读取和A列连接的像素，是通过驱动A输入为正，并将一个正脉冲加到相应的行电极上来实现的。驱动A输入为正，使多路复用TFT31导通，并提供正的列选信号CS0使该列像素的第二晶体管34导通，这样，所选行的A像素的像素电荷就转移到各自的电荷敏感放大器40中。但其他电荷没有移动，因为对所选行的其他像素而言，列选输入CS1到CS3不是正信号，这就阻止了电荷从光电二极管的电容中转移。这个过程在B列、C列和D列中也是如此，因此为了读取一行中的全部像素，就需要给行电极提供四个正脉冲(每个多路复用通道一个)。

如上文所述，开关31可以从电路中省略掉。但是，电荷敏感放大器40的输入中，容性负载包括了所有四列当中的全部寄生电容。在一些应用中，特别是在那些对低噪音要求很高的应用中，容性负载应保持在最小值(因为这一点的容抗会有效地放大电荷敏感放大器输入晶体管的噪音)。如果TFT31并入在电路中，则未被接入的列电容与放大器的输入是隔离的，在4∶1的多路复用的例子中，输入电容就会降低4倍。

图3所示电路的主要缺陷在于，阵列中每个像素所需要的连接数量。每个像素要有4个连接：行电极22，列电极30，公共极28和列选电极CS。理想情况下，这种用于光电二极管的像素，应该最大程度地提供最大可能信号，而增加电极的个数就会降低每个像素的区域范围。

图4示出了本发明的实施例。图中，每个像素P由示意性的方框表示，即图2中所用的标示。阵列部分包括从P0到P7的8个像素，多路复用连接到两个电荷敏感放大器40a和40b上，多路复用比率如前所述为4∶1。

在所述的装置中，两个相邻的列像素和每一列导体相关联。因此，包括像素P0和P1在内的列相关联于列导体30a，包括像素P2和P3在内的列相关联于列导体30b，等等，以次类推。每种情况中，两个相邻列都位于列导体30的两侧。这就意味着列导体30的间距是列像素间距的两倍，两列像素共用一列导体30。

相似地，在一对相邻列之间列选控制线CS也是共用的，特别是相邻列导体之间的两列像素，就是与各自的共用列选控制线CS相关联的。因此，包括像素P1和P2在内的列位于列导体30a和30b之间，共用控制线CS0。包括像素P3和P4在内的列位于列导体30b和30c之间，共用控制线CS1。

虽然列选控制线CS不能寻址单个像素，但由一条控制线CS寻址的两列像素与不同的列导体30相关联，这意味着有两个像素会被同时寻址，提供给不同的列导体30的信号会由放大器40a和40b同时读取。

为实现上述功能，每一列导体带有一路径选择装置50，该路径选择装置50能使各自的列导体30上的信号传送到两个放大器40a和40b中的一个或另外一个。以路径选择装置50a为例，该装置包括两个晶体管52、54。第一晶体管52连接在列导体30a和放大器40b中的一个之间，第二晶体管54连接在列导体30a和相关联的另一个放大器40a之间。

这样设计电路，因而列选控制线CS也能为路径选择装置50提供开关信号。因此，当一列选控制信号为高电平时，就能确保相关列的两路径选择装置50选定到不同的电荷敏感放大器的路径。例如，假设列选控制信号CS0是高电平，这使得列导体30a上的信号传送到电荷敏感放大器40a，并且列导体30b上的信号传送到电荷敏感放大器40b。此时，列选信号CS3和CS1均为低电平，因此路径选择装置50a的晶体管52截止，路径选择装置50b的晶体管54也截止。

如图4底部列出的表所示，在一行脉冲加到行导体22上的期间里，列选控制信号线顺序输入脉冲，每条列选控制信号线使该行的两个像素传送信号到两个放大器40a、40b。

路径选择装置50的晶体管可采用与像素晶体管相同的技术来实现。特别是，阵列中所有的晶体管都可以采用薄膜非晶硅晶体管。

列导体和列选控制线的共用，意味着每个像素实际上有与之在非多路复用的阵列中相同的电极数。这样，平均下来，每行像素与一行导体22相关联，每列像素与一列导体30或CS相关联，并且每个像素与公共极(图4中未示出)连接。

图5详细地显示了图4所示的电路元件布局图。

本发明采用了具有单次曝光传感器阵列的列多路复用电路，但没有较大地增加像素的复杂程度，也没有增加每个像素所需的连接。

但是，如上文所述的像素结构，每个像素都需要一个附加晶体管。图6示出了本发明的第二实施例，在该实施例中，除了共用控制线和列导体，第二像素34也在同一列中相邻的像素之间共用。图6中示出了两行像素22a，22b，其中，每个像素的第二晶体管34被两行共用。为实现该布局，每行的布局都是相邻行布局的镜象。对每两行22a、22b而言，行导体22将置于所述两行的上、下表面。

图6采用与图4、图5同样的方式，对所示的布局寻址。尽管共用了晶体管34，来自唯一的图像传感元件的信号在任何时间被传送到各自的列导体30中，因为任意时间点上，晶体管32中只能有一个被行地址脉冲导通。

如上文所述，本发明可以用于医学诊断成像。这种情况下，图像传感器用来作X射线图像探测器。为了这个目的，像素阵列上方增加一射线转换层，该射线转换层可通过光电二极管阵列将入射的X射线信号转换成用于探测的可见光。

对阵列而言，专有名词“列”和“行”是随意的，对行和列这种术语的使用应被理解为仅仅表示图像传感元件的二维空间阵列。

有关制造图像传感器的过程对本领域熟练的技术人员而言是已知的，特别是，本发明可用标准的光刻技术来实现，例如制造图1中的常规装置所用的技术。

各种改进对本领域熟练的技术人员来说都将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括行、列图像传感像素，每行像素与各自的行导体相关联，每列像素与一列导体相关联，每个像素包括一个图像传感元件和一个开关装置，所述的开关装置能将图像传感元件的信号传送到相关联的列导体，其中，该开关装置由两个输入控制，即由行导体规定的第一输入，以及第二输入，其特征在于：

相邻的两列像素与每列导体相关联，位于列导体的两侧，从而列导体之间的间距是列像素间距的两倍；相邻列导体之间的两列像素，与各自的、提供第二输入的共用控制线相关联。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：每一列导体设置有一可选择性操作的路径选择装置，将来自列导体的信号传送到第一或第二信号测量装置。

3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于：所述的共用控制线给与其相关联的两列的两个路径选择装置提供控制信号，该控制信号能使其中一个路径选择装置选定到第一信号测量装置的路径，使另一个选定到第二信号测量装置的路径。

4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于：路径选择装置包括第一和第二晶体管，第一晶体管连接在列导体和第一信号测量装置之间，第二晶体管连接在列导体和第二信号测量装置之间。

5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于：第一晶体管和第二晶体管由非晶硅薄膜晶体管组成；每个像素的开关装置也由一个或一个以上非晶硅薄膜晶体管组成。

6.如权利要求2至5任一项所述的图像传感器，其特征在于：信号测量装置包括一个电荷敏感放大器。

7.如上述的权利要求中任一项所述的图像传感器，其特征在于：连接在列导体和公共极之间的每个像素，由构成开关装置的两个串联的晶体管，以及图像传感元件构成。

8.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于：开关装置的两个输入与两个晶体管的栅极连接。

9.如权利要求7或8所述的图像传感器，其特征在于：像素中两个串联的晶体管的其中一个，也构成了同一列中相邻像素的两个串联晶体管中的一个。

10.如上述的权利要求中任一项所述的图像传感器，其特征在于：图像传感元件包括一光电二极管。

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