CZ33721U1

CZ33721U1 - Device for collecting and processing signals from a large silicon sensor

Info

Publication number: CZ33721U1
Application number: CZ2019-36984U
Authority: CZ
Inventors: Gordon Neue; Tomáš Benka; Josef Gečnuk; Miroslav HAVRÁNEK; Zdenko Janoška; Vladimír Kafka; Mária Marčišovská; Michal Marčišovský; Lukáš Tomášek; Pavel Vančura; Václav Vrba; Milan Semmler
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze; UJP PRAHA a.s.
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-02-11

Description

Zařízení pro sběr a zpracování signálu z velkoplošného křemíkového senzoruEquipment for signal acquisition and processing from a large-area silicon sensor

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká detektoru pro radiační zobrazování a dozimetrii, obsahující elektronický vyčítací čip pro detektory kontinuálních i pulzních vysokoenergetických fotonových svazků.The technical solution relates to a detector for radiation imaging and dosimetry, containing an electronic reading chip for detectors of continuous and pulsed high-energy photon beams.

Dosavadní stav technikyPrior art

Detektorem pro radiační zobrazování a dozimetrii (dále jen detektorem) se rozumí zařízení detekující pronikavé, neviditelné ionizující záření. Jeho výstupní signál zobrazuje tvar a vnitřní strukturu ozařovaného předmětu. Takové detektory nacházejí uplatnění v medicíně, např. v radiační terapii, v zobrazovacích technologiích CT či PET apod., v bezpečnostních skenerech, případně v defektoskopii. Detektory jsou tvořeny polem citlivých pixelů, jejichž počet se liší v závislosti na konkrétní aplikaci.Detector for radiation imaging and dosimetry (hereinafter referred to as detector) means a device that detects penetrating, invisible ionizing radiation. Its output signal shows the shape and internal structure of the irradiated object. Such detectors are used in medicine, eg in radiation therapy, in CT or PET imaging technologies, etc., in security scanners, or in defectoscopy. The detectors consist of an array of sensitive pixels, the number of which varies depending on the specific application.

Typickou technologií používanou v radiačním zobrazování jsou takzvané flat-panely. Ty detekují rentgenové záření buď přímým převodem záření na náboj za použití polovodičového materiálu, anebo nepřímo, přes převod neviditelného záření na viditelné světlo. Technologie přímého převodu záření je reprezentována flat-panel detektorem (FPD) typu CMOS kombinovaným se scintilačním materiálem, např. patent US 2006/0192087 AI, nepřímá detekce, např. patent US 2014/0145085 AI je založena na scintilačním materiálu, například Csl, umožňujícím převod neviditelného rentgenového záření na světelný signál, který je pak zaznamenán polem světlocitlivých diod na amorfním křemíku.Typical technologies used in radiation imaging are so-called flat panels. These detect X-rays either by directly converting the radiation to charge using a semiconductor material, or indirectly, by converting invisible radiation into visible light. Direct radiation transfer technology is represented by a flat-panel detector (FPD) of the CMOS type combined with scintillation material, e.g. patent US 2006/0192087 A1, indirect detection, e.g. patent US 2014/0145085 A1 is based on scintillation material, e.g. Cs1, allowing converting invisible X-rays into a light signal, which is then recorded by an array of light-sensitive diodes on amorphous silicon.

Detekční účinnost i prostorové rozlišení obou zmíněných technologií jsou velmi dobré, přičemž FPD typu CMOS mají oproti nepřímým detektorům výhodu v rychlejší snímkové frekvenci vyčítání dat i v lepších šumových vlastnostech, protože technologie Thin Film Transistor (TFT) využívaná ve vyčítací elektronice FPD s nepřímou detekcí záření neumožňuje zpracování analogového signálu uvnitř pixelové matice v místech, kde vznikl, ale často až několik centimetrů od příslušného pixelu.The detection efficiency and spatial resolution of both mentioned technologies are very good, while CMOS FPDs have an advantage over indirect detectors in faster frame rate of data reading and better noise characteristics, because Thin Film Transistor (TFT) technology used in FPD reading electronics with indirect radiation detection does not allow processing of the analog signal inside the pixel matrix in the places where it originated, but often up to a few centimeters from the pixel.

Problémem obou řešení je rychlé poškození fotosenzitivních součástí při vysokých dávkách záření počínaje jednotkami kGy. To je činí nevhodnými k použití například v radioterapii. S tímto problémem si umí poradit hybridní detektory s přímou detekcí záření běžně pracující při dávkách přesahujících 100 kGy. Takovými jsou například detektory Eiger a Pilatus i detektory využívající čipy Medipix a Timepix.The problem of both solutions is the rapid damage of photosensitive components at high doses of radiation starting with kGy units. This makes them unsuitable for use in radiotherapy, for example. Hybrid detectors with direct radiation detection normally operating at doses exceeding 100 kGy can cope with this problem. Such are, for example, Eiger and Pilatus detectors as well as detectors using Medipix and Timepix chips.

Senzory, tedy citlivé části hybridních detektorů umožňují interakci rentgenového záření, jeho převod na elektrický náboj a následné zpracování, tj. zesílení, tvarování a diskriminace, eventuálně počítání částic a měření amplitudy signálu, v měřicím kanálu vyčítacího čipu, jenž je k nim připojen přímo přes DC vazbu, s nutností potlačovat svodové proudy senzoru, anebo nepřímo přes oddělovací kondenzátor - AC vazba, který však vyžaduje zapojení napájecího rezistoru a kondenzátoru přímo do čipu. Propojení bývá realizováno nejčastěji technologicky náročným a nákladným bump-bondingem, který využívá kuliček pájky o rozměrech několika desítek mikrometrů. Počet poskytovatelů této technologie je ve světe velmi omezen.Sensors, ie sensitive parts of hybrid detectors, enable the interaction of X-rays, their conversion into electric charge and subsequent processing, ie amplification, shaping and discrimination, possibly particle counting and signal amplitude measurement, in the measuring channel of the read chip connected directly to them. DC coupling, with the need to suppress the leakage currents of the sensor, or indirectly via an isolating capacitor - AC coupling, which, however, requires the connection of the supply resistor and capacitor directly to the chip. The connection is most often realized by technologically demanding and expensive bump-bonding, which uses solder balls with dimensions of several tens of micrometers. The number of providers of this technology in the world is very limited.

Velikost senzoru tvořeného polem diod je limitována velikostí desky, tzv. waferu, vyrobené z křemíku či jiných materiálů, například CdTe, GaAs; obvyklý průměr je 6 nebo 8 palců. Napájení vysokým napětím nabývá různých hodnot v závislosti na typu senzoru, nejčastěji se však pohybuje kolem 100 V. Technologie bump-bondingu používaná u hybridních detektorů s sebou navíc nese tu nevýhodu, že citlivá plocha detektoru musí být vykrytá plochou senzoru a stejně velkou plochou vy čítačích čipů.The size of the sensor formed by an array of diodes is limited by the size of a plate, so-called wafer, made of silicon or other materials, for example CdTe, GaAs; the usual diameter is 6 or 8 inches. The high voltage supply takes on different values depending on the sensor type, but is most often around 100 V. In addition, the bump-bonding technology used in hybrid detectors has the disadvantage that the sensitive surface of the detector must be covered by the sensor surface and the same counter area. chips.

- 1 CZ 33721 U1- 1 CZ 33721 U1

Vyčítací čipy jsou komplexní integrované obvody obsahující tisíce identických měřicích kanálů, přičemž každý pixel senzoru bývá připojen k vlastnímu měřicímu kanálu, a dále periferní elektronické bloky, jako jsou A/D aD/A převodníky, stabilizátory napětí a proudu napěťové a proudové reference nebo budiče sběmic a další součásti.Reading chips are complex integrated circuits containing thousands of identical measuring channels, each pixel of the sensor being connected to its own measuring channel, as well as peripheral electronic blocks such as A / D and D / A converters, voltage and current stabilizers, voltage and current references or bus drivers. and other components.

Nevýhodou vyčítacích čipů vyráběných v hluboce sub-mikrometrových CMOS technologiích je limitace velikostí fotolitografické masky, která omezuje maximální rozměry čipu na 21x21 mm². Větší detektory jsou tak sestavovány z jednotlivých detekčních modulů a na styčných plochách těchto subjednotek obsahují necitlivé oblasti. Výhodou je naopak vysoká radiační odolnost i v dávkách přesahujících 1 MGy.The disadvantage of reading chips manufactured in deeply sub-micrometer CMOS technologies is the limitation of the size of the photolithographic mask, which limits the maximum dimensions of the chip to 21x21 mm ² . Larger detectors are thus assembled from individual detection modules and contain insensitive areas on the interfaces of these subunits. On the contrary, the advantage is high radiation resistance even in doses exceeding 1 MGy.

Popsané nevýhody v současnosti vyráběných detektorů do určité míry překonává vyčítací čip pro sběr signálu z velkoplošných pixelových polí popsaný v CZ 30092 Ul, jehož funkce předkládaný vzor dále rozšiřuje.The described disadvantages of the currently manufactured detectors are to some extent overcome by the read chip for collecting signals from large-area pixel arrays described in CZ 30092 U1, the function of which further extends the presented pattern.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Navržené technické řešení je určeno především pro pixelový zobrazovací detektor pro gamma záření používaný při radiační terapii, kde má zajistit správnou polohu pacienta při radiační léčbě rakoviny, měření prostorové distribuce dávky záření, a zpětnou vazbu pro pozastavení terapie, pokud distribuce záření neodpovídá plánu zákroku. Oproti výše uvedeným technologiím umožňuje dosažení vysoké snímkovací frekvence díky zpracování signálu ze senzoru do několika milimetrů od pixelu. Dále umožňuje vysokou radiační odolnost díky využití vysoce submikrometrových CMOS technologií. Další výhodou je pokrytí libovolně velké plochy bez mrtvých oblastí díky integraci vyčítacího čipu do zlomku celkové plochy pixelového senzoru, a to při příznivých výrobních nákladech daných využitím křemíkových senzorů a nahrazením náročnějšího bump-bondingu dostupnějším wire-bondingem. Zahrnutí analogového obvodu pro měření hodnoty stejnosměrného temného proudu senzorových diod navíc umožňuje měření i za podmínek vysokých fotonových toků, které znemožňují počítání fotonů.The proposed technical solution is intended primarily for a pixel imaging detector for gamma radiation used in radiation therapy, where it is to ensure the correct position of the patient in radiation treatment of cancer, measuring the spatial distribution of radiation dose, and feedback to suspend therapy if the radiation distribution does not match the procedure. In contrast to the above technologies, it allows to achieve a high frame rate thanks to the signal processing from the sensor up to a few millimeters from the pixel. It also enables high radiation resistance thanks to the use of highly submicrometer CMOS technologies. Another advantage is the coverage of an arbitrarily large area without dead areas thanks to the integration of the read chip into a fraction of the total area of the pixel sensor, at favorable production costs due to the use of silicon sensors and replacing more demanding bump-bonding with more available wire-bonding. In addition, the inclusion of an analog circuit for measuring the DC dark current value of the sensor diodes allows measurement even under conditions of high photon fluxes, which make it impossible to count photons.

Zařízení se ve výhodném provedení skládá z alespoň jednoho vyčítacího čipu s CMOS obvody s vrstvou hradlového oxidu o tloušťce 1 až 4 nm a s délkou hradla tranzistoru menší než 350 nm. Tento čip je připojen k velkoplošnému pixelovému senzoru prostřednictvím zlatých nebo hliníkových drátků nahrazujících technologicky náročnější a nákladnější bump-bonding. Střední část vyčítacího čipu zabírá pole 16 až 256 měřících kanálů. Vyčítací čipy zabírají méně než % celkové plochy velkoplošného pixelového senzoru.The device preferably consists of at least one read chip with CMOS circuits with a gate oxide layer with a thickness of 1 to 4 nm and a transistor gate length of less than 350 nm. This chip is connected to a large-area pixel sensor via gold or aluminum wires, replacing more technologically demanding and expensive bump-bonding. The middle part of the read chip occupies an array of 16 to 256 measuring channels. The read chips occupy less than% of the total area of the large pixel sensor.

Vyčítací čip je ve výhodném provedení navržen pro kombinaci primárně s křemíkovými senzory, ato s ohledem na využití v radioterapii. Při té je kvůli vysokým energiím fotonů dominantním interakčním mechanismem Comptonův rozptyl znevýhodňující, na rozdíl od nízkoenergetických rentgenových detektorů, využití polovodičových materiálů s vysokým Z. Křemík (Z = 14) v tomto případě představuje dobrou variantu s nejnižší cenou při přepočtu na jednotku hmoty senzoru.In a preferred embodiment, the reading chip is designed for combination primarily with silicon sensors, with a view to use in radiotherapy. Due to high photon energies, the dominant interaction mechanism is Compton scattering, in contrast to low-energy X-ray detectors, the use of semiconductor materials with high Z. Silicon (Z = 14) in this case is a good variant with the lowest price per unit mass of the sensor.

Velkoplošný pixelový senzor je tak ve výhodném provedení tvořený polem diod vytvořených na vysokorezistivním křemíku s rezistivitou vyšší než 100 Ω cm.The large-area pixel sensor is thus, in a preferred embodiment, formed by an array of diodes formed on highly resistive silicon with a resistivity higher than 100 Ω cm.

Ve výhodném provedení obklopují vyčítací čip kontaktovací plošky pro připojení velkoplošného pixelového senzoru na delších rovnoběžných stranách a kontaktovací plošky pro přenos dat a napájení vyčítacího čipu na kratších rovnoběžných stranách. Tento layout umožňuje při dalším výhodném provedení využití více vyčítacích čipů, přičemž komunikace mezi těmito vyčítacími čipy je zřetězena pro sériové nebo sério-paralelní vyčítání dat z celého pixelového senzoru.In a preferred embodiment, the read chip is surrounded by contact pads for connecting a large area pixel sensor on the longer parallel sides and contact pads for data transmission and power supply to the read chip on the shorter parallel sides. In another preferred embodiment, this layout allows the use of multiple read chips, the communication between these read chips being concatenated for serial or serial-parallel reading of data from the entire pixel sensor.

-2 CZ 33721 U1-2 CZ 33721 U1

Výhodné provedení obsahuje v každém kanálu druhý analogový front-endový obvod měřící hodnotu stejnosměrného temného proudu senzorové diody. Tento způsob měření je výhodný kvůli své linearitě v podmínkách vysokých fotonových toků, tedy právě v radiační terapii. Výhodné provedení umožňuje konfiguraci buď v módu čítače fotonů, anebo v módu integrace proudu.A preferred embodiment comprises in each channel a second analog front-end circuit measuring the value of the DC dark current of the sensor diode. This method of measurement is advantageous due to its linearity in conditions of high photon fluxes, ie in radiation therapy. The preferred embodiment allows configuration either in photon counter mode or in current integration mode.

Mimo zařazení tohoto analogového obvodu je zapojení měřicích kanálů variabilní, a výhodná provedení mohou zahrnovat například obvody pro kalibraci vyčítacího čipu, D/A převodník DAC pro přesné nastavení detekčního diskriminátorů pro jednotlivé pixely. Každý měřicí kanál může obsahovat nábojový zesilovač a/nebo alespoň jeden čítač pro počítání částic a/nebo alespoň jeden diskriminátor pro oddělení šumu. Výhodné je provedení, v němž některé měřicí kanály obsahují více čítačů pro počítání částic v různých energetických oknech.In addition to the inclusion of this analog circuit, the connection of the measurement channels is variable, and preferred embodiments may include, for example, circuits for calibrating the read chip, a DAC A / D converter for accurately setting the detection discriminators for each pixel. Each measuring channel may comprise a charge amplifier and / or at least one particle counting counter and / or at least one discriminator for noise separation. An embodiment is preferred in which some measuring channels contain multiple counters for counting particles in different energy windows.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Obr. 1 schematicky ukazuje layout čipu pro sběr signálu z křemíkového detektoru. Obr. 2 ukazuje schéma modulu se šesti vyčítacími čipy. Obr. 3 ukazuje diagram analogového front-end obvodu pro integraci náboje. Obr. 4 schematicky ukazuje možnost využití módu čítače fotonů a módu integrace proudu.Giant. 1 schematically shows the layout of a chip for collecting a signal from a silicon detector. Giant. 2 shows a diagram of a module with six read chips. Giant. 3 shows a diagram of an analog front-end circuit for charge integration. Giant. 4 schematically shows the possibility of using the photon counter mode and the current integration mode.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Uvedený příklad řešení ilustruje možnou implementaci vyčítacího čipu 1 pro sběr signálu z křemíkového detektoru, avšak nevymezuje rozsah parametrů vyčítacího čipu 1 ani velkoplošného křemíkového senzoru 5.The above example illustrates a possible implementation of a read chip 1 for collecting a signal from a silicon detector, but does not define the range of parameters of the read chip 1 or a large-area silicon sensor 5.

Technologicky realizovatelné příkladné řešení s použitím současných technologií je možné uskutečnit s elektronickým vyčítacím čipem ]_ o rozměrech 4x1 mm² se 32 měřicími kanály s analogovým vstupem, které mohou být napojeny na 32 citlivých křemíkových pixelů technologií wire-bonding.A technologically feasible exemplary solution using current technologies can be implemented with a 4x1 mm ² electronic readout chip with 32 measurement channels with analog input, which can be connected to 32 sensitive silicon pixels by wire-bonding technology.

Výhodné provedení vyčítacího čipu 1 je zobrazeno na obr. 1. Počet kontaktních plošek čipu v navrženém technologickém řešení je 48, přičemž na kratších stranách se nacházejí další kontaktní plošky 2 pro napájení a přenos dat, a na delších stranách se nacházejí především kontaktní plošky 4 pro připojení křemíkových pixelů a analogových výstupů CSA a DAC. Měřicí kanály 3 jsou umístěny ve střední části čipu. Návrh čipu pracuje s pixely o velikosti 1 mm².A preferred embodiment of the read chip 1 is shown in Fig. 1. The number of contact pads of the chip in the proposed technological solution is 48, while on the shorter sides there are further contact pads 2 for power supply and data transmission, and on the longer sides there are mainly contact pads 4 for connection of silicon pixels and analog outputs CSA and DAC. The measuring channels 3 are located in the middle part of the chip. The chip design works with 1 mm ² pixels.

Vyčítací čipy ASIC (Application Specific Integrated Circuit) mají velikost pouhé 4 mm² a jejich poměr vzhledem k ploše křemíkového senzoru je 1 : 8, čehož bylo dosaženo nahrazením bumpbondingových spojů hliníkovými (wedge-bonding) nebo zlatými (ball-bonding) drátky o průměru několika desítek mikrometrů. Ty jsou ke kontaktním ploškám čipu a senzoru přikontaktovány pomocí ultrazvuku a rozměry čipu i rozmístění kontaktovacích plošek jsou voleny tak, aby se kontaktovací drátky nekřížily a minimalizovalo se riziko zkratu. Rozmístění kontaktovacích plošek pro přenos dat a napájení čipu je voleno i s ohledem na snadné zřetězení toku dat se sousedními čipy.The ASIC (Application Specific Integrated Circuit) read-out chips are only 4 mm ^{2 in} size and their ratio to the area of the silicon sensor is 1: 8, which was achieved by replacing the bump-bonding connections with aluminum (wedge-bonding) or gold (ball-bonding) wires with a diameter of several tens of micrometers. These are contacted to the contact surfaces of the chip and the sensor by means of ultrasound, and the dimensions of the chip as well as the placement of the contact surfaces are chosen so that the contact wires do not cross and the risk of short circuit is minimized. The placement of contact pads for data transmission and chip power supply is chosen also with regard to easy concatenation of the data flow with neighboring chips.

Navrhovaný čip komunikuje s okolním světem prostřednictvím čtyřdrátového komunikačního rozhraní a prezentuje se jako ólóbitový posuvný registr. Vyrobený je 180 nm CMOS technologií, která umožňuje vysokou snímkovací frekvenci a zároveň vysokou radiační odolnost, což navržené řešení zvýhodňuje oproti běžně používaným přímým i nepřímým flat-panel detektorům. Výhodou oproti běžným hybridním detektorům je potom možnost sběru a zpracování signálu z velkoplošného pixelového senzoru 5 o libovolné velikosti bez mrtvých oblastí vzniklých při spojování jednotlivých detektorových modulů.The proposed chip communicates with the outside world via a four-wire communication interface and presents itself as an aluminum-bit shift register. It is manufactured with 180 nm CMOS technology, which enables a high frame rate and at the same time high radiation resistance, which advantages the proposed solution over commonly used direct and indirect flat-panel detectors. The advantage over conventional hybrid detectors is then the possibility of collecting and processing the signal from a large-area pixel sensor 5 of any size without dead areas created during the connection of individual detector modules.

-3 CZ 33721 Ul-3 CZ 33721 Ul

Výhodné řešení čipu může pracovat v módu počítání částic a v módu analogové integrace temných proudů. Digitální obvod obsahuje 13bitový Fibonacci LFSR (Linear-feedback shift register) čítač. Pracuje-li kanál v módu počítání částic, tento čítač počítá eventy, pokud výstup CSA přesahuje prahovou hodnotu. V analogovém integračním módu je proud ze senzoru, tzv. temný nebo signálový, použit pro opětovné nabíjení referenčního kapacitoru na referenční napěťovou úroveň, čímž je proud rozdělen do měrných nábojových jednotek, které jsou následně počítány LSFR čítačem.The preferred chip solution can operate in particle counting mode and in analog dark current integration mode. The digital circuit contains a 13-bit Fibonacci LFSR (Linear-feedback shift register) counter. If the channel is operating in particle counting mode, this counter counts events if the CSA output exceeds the threshold. In the analog integration mode, the current from the sensor, so-called dark or signal, is used to recharge the reference capacitor to the reference voltage level, whereby the current is divided into specific charge units, which are then counted by an LSFR counter.

V základním provedení počítače fotonů vstupuje signál z pixelu do nábojového zesilovače CSA, dále vstupuje do diskriminátoru, jehož napěťové pulzy zvyšují stav 13bitového čítače. Kvůli nutnosti pokrytí velkého dynamického rozsahu přijímaného signálu, nábojový zesilovač může pracovat ve dvou módech: HGM (High Gain Mode) pro obvyklé rentgenové a beta záření, a LGM (Low Gain Mode) pro detekci alfa částic a dalších iontů.In the basic embodiment of the photon computer, the signal from the pixel enters the charge amplifier CSA, then enters the discriminator, whose voltage pulses increase the state of the 13-bit counter. Due to the need to cover a large dynamic range of the received signal, the charge amplifier can operate in two modes: HGM (High Gain Mode) for conventional X-rays and beta radiation, and LGM (Low Gain Mode) for the detection of alpha particles and other ions.

V integračním módu schematicky zobrazeném na obr. 3 vstupuje signál ze senzoru 7 do vstupních přizpůsobovacích obvodů 8, které zabraňují vzájemnému rušení sousedících pixelů. Signál dále přechází do programovatelného děliče 9 proudu, který následován hlavním zásobním kondenzátorem 11. umožňuje přizpůsobit dynamický rozsah na očekávanou úroveň přicházejícího náboje. Tok náboje do následných zřetězených obvodů je zpomalen pomocí programovatelného rezistoru 10. Následuje programovatelná sada referenčních kondenzátorů 12, volba jejichž velikosti umožňuje stanovit množství náboje reprezentovaného jedním LSB (Least Significat Bit) digitalizované hodnoty a diskriminátor 13 určující, zda byl senzorový kondenzátor nabit na referenční hodnotu. Digitální výstupní pulsy diskriminátoru pohánějí stavový automat ovládající spínače obsluhující měrné kondenzátory. Obvod stavového automatu 14 generuje sled hodinových vzájemně se nepřekrývajících pulzů, které řídí jak hlavní spínače, tak i inverzní pseudospínače potlačující injekci parazitních nábojů z hodinových pulzů. Poslední částí celého obvodu jev tomto výhodném řešení čítač 15 pulsů, kterým je původní čítač fotonů využitý v módu počítání částic.In the integration mode schematically shown in Fig. 3, the signal from the sensor 7 enters the input matching circuits 8, which prevent mutual interference of adjacent pixels. The signal then passes to a programmable current divider 9, which is followed by a main storage capacitor 11, allowing the dynamic range to be adjusted to the expected level of the incoming charge. The charge flow to subsequent concatenated circuits is slowed by a programmable resistor 10. This is followed by a programmable set of reference capacitors 12, the size of which allows to determine the amount of charge represented by one LSB (Least Significat Bit) digitized value and a discriminator 13 to determine if the sensor capacitor has been charged to the reference value. . The digital output pulses of the discriminator are driven by a state machine controlling the switches operating the specific capacitors. The state machine circuit 14 generates a sequence of non-overlapping clock pulses which control both the main switches and the inverse pseudo-switches suppressing the injection of parasitic charges from the clock pulses. The last part of the whole circuit in this preferred solution is the 15 pulse counter, which is the original photon counter used in the particle counting mode.

Výhodné řešení integračního analogového front-endu může obsahovat ještě obvod 16 pro injekci testovacího náboje sloužící ke kalibraci přístroje.A preferred solution of an integrated analog front-end may further include a test charge injection circuit 16 for calibrating the instrument.

Kromě základního řešení může v dalších výhodných řešeních měřicí kanál obsahovat navíc obvod pro potlačení nežádoucích svodových proudů, D/A převodník DAC pro nastavení detekčního prahu diskriminátoru individuálně pro každý pixel pro zlepšení uniformity detekčního prahu v mnohokanálovém detektoru, obvody pro injekci náboje z generátoru náhodných pulzů pro kalibraci pixelů detektoru, kombinaci vícenásobného diskriminátoru, vícenásobného čítače a vícenásobného převodníku pro současné počítání částic v různých energetických oknech při jedné expozici. Komunikace s vyčítacím čipem může v jiných výhodných provedeních probíhat přes rozhraní SPI (Seriál Peripheral Interface) či LVDS datových linek.In addition to the basic solution, in other preferred solutions the measuring channel may additionally comprise circuitry for suppressing undesired leakage currents, DAC converter DAC for setting the discriminator detection threshold individually for each pixel to improve the detection threshold uniformity in the multi-channel detector, charge injection circuits from a random pulse generator for calibration of detector pixels, combination of multiple discriminator, multiple counter and multiple converter for simultaneous counting of particles in different energy windows at one exposure. Communication with the read chip may in other preferred embodiments take place via the SPI (Serial Peripheral Interface) or LVDS data lines.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Technické řešení vyčítacího čipu lze využít při konstrukci radiačně odolných detektorů pro radiační zobrazování. Předpokládané využití jev radioterapeutických zařízeních, pro něž dosud neexistuje dostatečně radiačně odolná technologie schopná zajistit správnou polohu pacienta, zjistit prostorovou distribuci dávky záření a zajistit zpětnou vazbu v případě, že profil výstupní dávky neodpovídá plánu zákroku a je třeba zajistit jeho nouzové přerušení.The technical solution of the reading chip can be used in the construction of radiation-resistant detectors for radiation imaging. Intended use of radiotherapy devices, for which there is not yet sufficient radiation-resistant technology capable of ensuring the correct position of the patient, determine the spatial distribution of the radiation dose and provide feedback if the output dose profile does not match the plan and its emergency interruption.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

Device for collecting and processing a signal from a large-area silicon sensor (5) composed of large-area pixel arrays comprising at least one read chip (1) of less than% of the area of the large-area pixel sensor (5) to which it is connected by gold and / or aluminum contact wires (6), the length of which is at least three times larger than their diameter, wherein the read chip (1) comprises an array of measuring channels (3), the number of which in the array contained on the read chip (1) is in the range 16 to 256 in that it comprises in each measuring channel (3) a second analog front-end circuit for measuring the DC dark current values of the sensor diode, the second analog front-end circuit consisting of an input matching circuit (8) to which a programmable divider is connected. (9) a current provided with a main storage capacitor (11) and a programmable rust a resistor (10) to which a programmable set of capacitor sensors (12), a discriminator (13) and a state machine (14) are connected.

Device according to claim 1, characterized in that a circuit (16) for injecting a test charge for calibrating the device is connected to the input matching circuit (8).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the arrays of measuring channels (3) located in the central part of the reading chip (1) are surrounded on the longer sides by contact pads (4) for connecting a large pixel sensor (5), and to on the shorter sides by further contact pads (2) for powering the read chip (1) and data transfer.

Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that it comprises a plurality of read-out chips (1), the communication between these read-out chips being concatenated for serial or serial-readable readings of data from the entire large-area sensor (5).

Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that each measuring channel (3) comprises a charge amplifier.

Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that each measuring channel (3) comprises at least one counter for counting particles or charge packets.

Device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that each measuring channel (3) comprises at least one discriminator.

Device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least some of its measuring channels (3) comprise a plurality of counters for counting particles or charge packets in different energy windows.

Device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the large-area pixel sensor (5) is realized by an array of diodes formed on highly resistive silicon with a resistivity higher than 100 Ω cm.