JPH1187681A

JPH1187681A - フラット・パネル形センサ

Info

Publication number: JPH1187681A
Application number: JP9239765A
Authority: JP
Inventors: Shiro Oikawa; 四郎及川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】良質の画像信号を得ることができ、しかも構
造・製造工程が比較的簡単なフラット・パネル形センサ
の提供を目的とする。【解決手段】半導体層１の一面に信号読み出し層２を
形成し、その反対の面に、アナログスイッチ３０が行ご
とに並ぶ走査スイッチ層３を形成して、アナログスイッ
チ３０と信号読み出しライン２１との間に半導体層１が
介在する構造として、スイッチングノイズが信号読み出
しラインに乗ることを防止するとともに、半導体層１の
表裏に列電極（読み出しライン）２１と行電極（ゲート
ライン）３２を振り分けることで、画素間のクロストー
クを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、食品やプ
リント基板等の非破壊検査装置、医用Ｘ線撮像装置等に
用いられる２次元Ｘ線センサ、あるいは文書、画像等の
読み取り装置（イメージスキャナ）等に用いられる２次
元光センサ等の、薄型・高感度のフラット・パネル形セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】医療Ｘ線診断システムにおいて、Ｘ線像
をリアルタイムで収集する装置としてはＸ線像増強管
（Ｉ．Ｉ）が長期にわたって使用されてきた。

【０００３】最近、これを平板型の２次元センサ（以
下、フラット・パネル形センサと称する）に置き換える
ための研究開発が進められてきている。その具体的な例
が、液晶表示パネルの構成要素である薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）の２次元アレイを電子スイッチ素子としてフ
ラット・パネル形Ｘ線センサを構成する方法である。

【０００４】このようなフラット・パネル形Ｘ線センサ
の具体的な構成は、下記の文献・公報に記載されてい
る。

【０００５】文献１：MTF MEASUREMENTS WIHT HIGH RES
OLUTION a-Si:H IMAGING ARRAYS SPIE Vol.2432 p260 公報１：特開平４−２１２４５６号公報これら文献・公報に記載されたフラット・パネル形Ｘ線
センサは、光の入射により電子・正孔対を生成する半導
体層（具体的にはフォトダイオード）を用いたもので、
単体で光強度分布の２次元光センサとして、また、フォ
トダイオードの前面側に蛍光体（シンチレータシート
等）を層状に重ねた構造の２次元Ｘ線センサとして利用
される。この蛍光体とフォトダイオードを組み合わせた
Ｘ線センサは間接変換方式として分類される。

【０００６】また、特開平４−２１２４５６号公報に
は、間接変換方式のＸ線センサとして、フォトダイオー
ドの前面側に共通のバイアス電極が形成され、その後面
側に、各画素の１個づつに配置された電子スイッチ素子
（ＦＥＴ：電界効果トランジスタ）と行電極線（ゲート
ライン）及び列電極線（読み出しライン）からなる走査
スイッチ層が形成された構造の２次元Ｘ線センサが開示
されている。

【０００７】一方、直接変換方式の２次元Ｘ線センサと
しては、特開平４−２１２４５８号公報に、Ｘ線の入射
により電子・正孔対を生成する半導体層（例えばドープ
トＳｅ）を用いた構造のものが開示されている。この公
報に記載のＸ線センサも同様に、半導体層の前面側に共
通のバイアス電極が形成され、その後面側に電子スイッ
チ素子と電極線等からなる走査スイッチ層が形成されて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな電子スイッチ（ＴＦＴ）方式のフラット・パネル形
センサでは、以下のような問題が残されている。

【０００９】（１）薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の２次
元アレイを形成するためのＩＣ製造プロセスが必要とな
るので成膜工程が多くなり、また製造設備に厳しいクリ
ーン度が要求されることから、コスト高となる。

【００１０】（２）行電極線（ゲートライン）と列電極
線（信号読み出しライン）が、半導体層の同一サイド
（後面側）に極めて近接し、かつ交差した状態で配置さ
れるため、スイッチングノイズが読み出し信号電流に重
畳し、また画素間におけるクロストークが大きくなるこ
とから画質が劣化する。

【００１１】（３）半導体層やＴＦＴ部との重複（干
渉）を避ける必要があるため、行電極線や列電極線を太
くすることができず、各電極線の配線抵抗が大きくな
る。

【００１２】本発明はそのような実情に鑑みてなされた
もので、質の高い画像信号を得ることができるととも
に、行・列電極の抵抗値が小さくて信号収集応答速度が
速く、しかも構造・製造工程が比較的簡単なフラット・
パネル形センサの提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、２次元画像をマトリクス状の画素で分解
して撮影する際に用いるフラット・パネル形センサであ
って、図１に例示するように、半導体層１の一面に、画
素の列に対応して設けられた複数の列電極２１・・２１か
らなる信号読み出し層２が形成され、その反対側の面に
は、画素の行に対応して設けられた行電極３１・・３１，
３２・・３２を有するアナログスイッチ３０・・３０が行ご
とに配置された走査スイッチ層３が形成されていること
によって特徴づけられる。

【００１４】以上の構造の本発明のフラット・パネル形
センサによれば、図２の等価回路図に示すように、アナ
ログスイッチ３０と信号読み出しライン（列電極２１）
との間に、半導体層１が介在することになるので、その
両者間に距離があること、及び半導体層１に容量がある
ことに起因して、スイッチングノイズが信号読み出しラ
インに乗り難くなり、また信号読み出しラインとゲート
ライン（行電極３１）との間のクロストークが減少す
る。従ってＳ／Ｎ比の優れた画像信号を得ることでき、
画質を向上させることができる。

【００１５】さらに、半導体層の表裏に行電極（ゲート
ライン）と列電極（信号読み出しライン）を振り分けて
いるので、電極線の幅を広くすることができて、列・行
電極の抵抗値を低くすることが可能となる。

【００１６】ここで、本発明のフラット・パネル形セン
サにおいて、半導体層を、例えばａ−Ｓｅ、Ａｓ₂Ｓｅ
₃、ＴｌＢｒあるいはＣｄ（Ｚｎ）Ｔｅなど、放射線
（Ｘ線）の入射により電子・正孔対を生成する半導体で
構成すれば、直接変換方式の２次元Ｘ線センサを構成す
ることができる。

【００１７】また、半導体層として、フォトダイオード
等の光の入射により電子・正孔対を生成する半導体を用
いれば、単体で光強度分布を検出する２次元光センサを
構成することができ、さらにこの場合、蛍光体（シンチ
レータシート等）を組み合わせることで間接変換方式の
２次元Ｘ線センサを構成することができる。なお、蛍光
体としては、ＣｓＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ（Ｎａ）あるいは
蛍光スクリーン等が挙げられる。

【００１８】ここで、本発明で言う「アナログスイッ
チ」とは、従来方式の電子スイッチ（ＴＦＴ）とはメカ
ニズムが基本的に異なるもので、例えば図３に示すよう
なプラズマスイッチ、あるいは図７に示すような電子ビ
ームスイッチのことを指す。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、以下、図
面に基づいて説明する。

【００２０】この実施の形態のフラット・パネル形セン
サは、Ｘ線像をマトリクス状の画素で分解して撮影する
際に用いる直接変換方式の２次元Ｘ線センサで、図１に
示すように、Ｘ線による像を電荷の画像に変換する半導
体層１、この半導体層１の前面側に設けられた信号読み
出し層２、半導体層１の後面側に設けられた走査スイッ
チ層３によって主に構成されている。

【００２１】信号読み出し層２は、マトリクス状の画素
の列に対応して分割されたストライプ状パターンの複数
の列電極２１・・２１によって構成されており、この各列
電極２１には信号読み出し回路５（図２参照）が接続さ
れている。

【００２２】走査スイッチ層３は、マトリクス状の画素
の行に対応して設けられた行電極（走査線）３１及び行
電極（バイアス線）３２を有するプラズマスイッチ３０
・・３０が画素の行ごとに配置されている。また、行電極
（バイアス線）３２にはバイアス電源６によって、半導
体層１への電圧設定のためのバイアス電圧Ｖｂが印加さ
れる。（図２参照）なお、以上の構造において、半導体層１と信号読み出し
層２は、ガラス等の保持基板４１上に金属材料を成膜
し、これをストライプ状にエッチングして列電極２１・・
２１を形成した後、ａ−Ｓｅ等の半導体材料を、蒸着ま
たはＣＶＤ等により成膜する、という方法で作製するこ
とができる。

【００２３】次に、本発明の実施の形態の動作を説明す
る。半導体層１にＸ線が入射すると、その入射位置・入
射エネルギに応じた電荷が半導体層１表面に発生する。
この半導体層１の表面上の電荷を、行ごとのプラズマス
イッチ３０をオンとすることにより、各画素ごとに読み
出すわけであるが、本実施の形態においては、画素信号
電流が、信号読み出し層２の列電極２１の各々を介して
取り出されて、図２に示すチャージセンシティブプレア
ンプ５１の積分コンデンサ５２に蓄えられ、積分電圧信
号として出力されて、積分スイッチ５３がオンになるま
でのホールド期間にＡ／Ｄ変換される。

【００２４】図２は本実施の形態における１画素分の等
価回路図で、この図を参照しつつ信号読み出し動作を更
に詳しく説明する。

【００２５】いま、（ｉ，ｊ）画素がスイッチオフ（ｉ
行のプラズマスイッチ３０がオフ）になった直後から考
えると、Ｘ線が半導体層１に入射する以前は、Ｖｂボル
トのバイアス電圧が（ｉ，ｊ）画素の半導体層１の両端
に印加され続ける。

【００２６】半導体層１にＸ線が入射すると、半導体層
１内で入射量に比例する電子・正孔対が生成され、互い
に反対方向にドリフトし入射終了時には生成した電子・
正孔対数（Ｑ）に比例する電圧降下（ΔＶ）が（ｉ，
ｊ）画素の半導体層１の両端に発生し、以後保持され
る。

【００２７】ここで、電圧降下量（ΔＶ）と、生成した
電子・正孔対数（Ｑ）との関係は、Ｑ＝Ｃ・ΔＶ・・・・（１）のように半導体層の画素容量（Ｃ）によって決定され
る。この電荷情報（Ｑ）は１フレーム時間後、再びｉ行
目のプラズマスイッチ３０がオンしている期間中に
（ｉ，ｊ）画素の半導体層１の両端がＶｂボルトに回復
する過程で読み出し回路５に流れる電流として取り出さ
れる。

【００２８】次に、プラズマスイッチ３０を、以下、図
面に基づいて説明する。まず、フラット・パネル形表示
装置にプラズマスイッチを用いることは、文献２「T.S.
Buzak,Digest of Technical Papers SID'90 p420(199
0)」に示されており、ＰＡＬＣ(Plasma Addressed Liqu
id Crystal) 方式と呼ばれている。また、文献２による
と、プラズマスイッチのオン／オフ比は１０¹⁰であり、
ＴＦＴよりも良い点が示されている。

【００２９】さて、本実施の形態に適用するプラズマス
イッチ３０は、図３に示すように、ガラス等の支持基板
４２上に形成された絶縁隔壁３３と、行電極（走査線＝
カソード）３１及び行電極（バイアス線＝アノード）３
２によって構成されており、図中破線で示す部分で半導
体層１（図１参照）の表面に接している。

【００３０】絶縁隔壁３３は、プラズマ放電の範囲を区
切り、陰圧での膜保持の役割をするもので、この絶縁隔
壁３３に囲われる領域は、走査スイッチ層３の周縁部で
の密閉構造により密閉されており、真空ベーキング処理
後、ヘリウムやネオンなどの希ガスを４０ｍｂ程度の陰
圧で封入されている。なお、絶縁隔壁３３の具体的な形
成方法としては圧膜印刷技術などが考えられる。

【００３１】行電極（カソード）３１及び行電極（アノ
ード）３２はそれぞれ行方向に延びる単純な構造であ
る。なお、行電極（アノード）３２は、全画素の共通の
アノード電位に保持されるので、図４に示すように、絶
縁隔壁３３のベース部分に形成しておいてもよい。

【００３２】そして、以上の構造において、図５に示す
ように、アノード電位に対して１００Ｖ程度の大きさの
負極性パルス（走査用カソードパルス電圧）を、行電極
（カソード）３１に与えることにより、図６（Ａ）に示
すようなプラズマが生成される。ここでプラズマの性質
としてアノードを含む大部分の領域はアノードと同電位
になるので、図６（Ｂ）に示すように、スイッチオン期
間中は半導体層１の表面と行電極３２が導通した状態と
なる。

【００３３】なお、以上の構造のプラズマスイッチ３０
では、印加パルス電圧が高いという点が懸念されるが、
本発明において、プラズマスイッチ３０は列電極２１と
は距離的に離れているので、信号への影響は少なくて済
む。

【００３４】次に、走査スイッチ層３のアナログスイッ
チとして用いる他の方法として、電子ビームスイッチに
ついて説明する。

【００３５】まず、電子ビームスイッチは、真空マイク
ロエレクトロニクス技術である電界放出冷陰極を用いる
方式であり、フラット・パネル形表示装置の分野でフィ
ールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）と呼ばれ、
研究開発が活発である。

【００３６】本実施の形態で用いる電子ビームスイッチ
１３０は、図７に示すように、ガラス等の支持基板１４
２上に形成された絶縁隔壁１３３と、行電極（走査線＝
ゲート電極）１３１及び行電極（バイアス線＝冷陰極）
１３２によって構成されており、図中破線で示す部分で
半導体層１（図１参照）の表面に接している。

【００３７】絶縁隔壁１３３は、画素の行間に対応して
形成されており、この絶縁隔壁１３３に囲われる領域
は、走査スイッチ層１０３の周縁部での密閉構造により
密閉され、真空状態が維持されている。

【００３８】行電極（バイアス線＝冷陰極）１３２は全
画素に共通の電極で、絶縁隔壁１３３と１３３との間の
中間位置となる部分に冷陰極Δ部（エミッタ）１３２ａ
が形成されている。

【００３９】そして、以上の構造において、図８に示す
ように、全画素の共通の冷陰極電位に対して１００Ｖ
（ＶG ）程度の大きさの走査用ゲートパルス電圧を、行
方向に連続の行電極（走査線＝ゲート電極）１３１に与
えることによって、冷陰極Δ部（エミッタ）１３２ａの
強電界部位から半導体層１の表面に向けて電子ビームｅ
が放出され、スイッチオンの状態となる。このとき、電
子流は半導体層表面を、冷陰極とほぼ同電位にするまで
帯電し、それ以上は行電極（走査線＝ゲート電極）１３
１にリターンする。

【００４０】なお、この種の電子ビームスイッチとして
は、図９に示すように、冷陰極Δ部１３２ａを一方向
（行方向）に一様に形成した屋根型（Ａ）、あるいは各
画素ごとに冷陰極Δ部２３２ａを形成し、その頂部をゲ
ート電極孔２３１ａに臨かせたスピント型（Ｂ）が挙げ
られる。

【００４１】ここで、図１に示す直接変換方式の２次元
Ｘ線センサにおいて、図１０に示すように、半導体層１
の後面側（走査スイッチ層側）の表面上に、マトリクス
状の画素に対応して画素電極３４・・３４を形成しておけ
ば、画素間におけるクロストークを更に低減することが
できる。

【００４２】図１１は、本発明の他の実施の形態の構造
を模式的に示す要部縦断面図である。

【００４３】図１１に示すフラット・パネル形センサ
は、間接変換方式の２次元Ｘ線センサで、ガラス等の支
持基板１４１上に蒸着等により形成された蛍光体（例え
ばＣｓＩ）１１０と、この蛍光体１１０に絶縁膜１１１
を挟んで形成されたフォトダイオード（半導体層）１０
１を備え、そのフォトダイオード１０１の前面側に、光
学的に透明な列電極（例えばＩＴＯ）１２１・・１２１が
形成され、また、フォトダイオード１０１の後面側に
は、先の実施の形態で述べたものと同様な構造の走査ス
イッチ層１０３が形成されている。

【００４４】そして、図１１に示す２次元Ｘ線センサに
おいては、Ｘ線による画像を蛍光体１１０によって光の
画像に変換し、その光の画像をフォトダイオード１０１
によって電荷の画像に変換する構造となっており、その
フォトダイオード１０１上の電荷を、走査スイッチ層１
０３の行ごとのプラズマスイッチ（または電子ビームス
イッチ）をオンとすることにより、透明の列電極１２１
から各画素ごとに取り出すように構成されている。

【００４５】ここで、図１１に示す間接変換方式の２次
元Ｘ線センサにおいて、図１２に示すように、フォトダ
イオード層１０１の後面側（走査スイッチ層側）の表面
上に、マトリクス状の画素に対応して画素電極（ｐ層ま
たはｎ層）１３４・・１３４を形成しておけば、画素間に
おけるクロストークを更に低減することができる。

【００４６】なお、以上の実施の形態では、走査スイッ
チ層３の行電極（バイアス線）にバイアス電源を接続し
て各画素のバイアス電圧を印加する構造としているが、
このほか、図１３の等価回路図に示すように、信号読み
出し回路５側にバイアス電源６を接続するという形態を
採ることもできる。

【００４７】また、各画素にバイアス電圧を印加する他
の方法として、半導体層による画素容量に対して並列と
なる蓄積容量を付加し、その蓄積容量により半導体層の
表面側を、画素ごとに特定電位に接続するという方法も
考えられる。この場合、先の式（１）の容量は画素容量
と蓄積容量の和となる。

【００４８】以上の実施の形態において、信号読み出し
層２の列電極２１・・２１をパネル中心線（列電極２１と
直交する線）で２分割しておけば、１本の列電極２１が
受け持つ画素列数を略半分とすることができ、これによ
り各データにおけるライン容量が半減する結果、ノイズ
を更に低減化できるという効果を達成できる。なお、こ
のような分割は、走査スイッチング層３についても同様
なことが言える。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のフラット
・パネル形センサによれば、半導体層の一面に信号読み
出し層を形成し、その反対側の面に、アナログスイッチ
が行ごとに並ぶ走査スイッチ層を形成して、アナログス
イッチと信号読み出しラインとの間に半導体層が介在す
る構造としたから、スイッチングノイズを拾わずに信号
電流のＳ／Ｎ比が向上する。しかも半導体層の表裏に行
電極（ゲートライン）と列電極（信号読み出しライン）
を振り分けているので、行電極と列電極との交差距離が
従来に比して１００倍以上となりクロストークが減少す
るとともに、行電極の低抵抗化と、列電極の低抵抗化・
低容量化を実現できる結果、質の高いＸ線画像信号を得
ることができる。

【００５０】さらに、ＴＦＴの製作ためのＩＣ製造プロ
セスが不要で、比較的簡単な工程で製造できるので、上
記した特徴をもつフラット・パネル形センサを安価で提
供できるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構造を模式的に示す図

【図２】本発明の実施の形態の１画素分の等価回路図

【図３】本発明の実施の形態に適用するプラズマスイッ
チの構造を模式的に示す図

【図４】プラズマスイッチの他の構造例を模式的に示す
図

【図５】図３に示すプラズマスイッチの動作を示すタイ
ムチャート

【図６】図３に示すプラズマスイッチの動作を示す模式
図

【図７】本発明の実施の形態に適用する電子ビームスイ
ッチの構造を模式的に示す図

【図８】図７に示す電子ビームスイッチの動作を示すタ
イムチャート

【図９】電子ビームスイッチの構造例を模式的に示す要
部斜視図

【図１０】図１に示す実施の形態の変形例の模式図

【図１１】本発明の他の実施の形態の構造を模式的に示
す要部縦断面図

【図１２】図１１に示す実施の形態の変形例の模式図

【図１３】本発明の更に別の実施の形態の１画素分の等
価回路図

【符号の説明】

１半導体層２信号読み出し層２１列電極３走査スイッチ層３０プラズマスイッチ３１行電極（走査線）３２行電極（バイアス線）３３隔壁１３０電子ビームスイッチ１３１行電極（走査線）１３２行電極（バイアス線）１３３絶縁隔壁５信号読み出し回路５１チャージセンシティブプレアンプ５２積分コンデンサ１０１フォトダイオード１２１列電極１０３走査スイッチ層１１０蛍光体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元画像をマトリクス状の画素で分解
して撮影するのに用いられるフラット・パネル形センサ
において、半導体層の一面に、画素の列に対応して設けられた複数
の列電極からなる信号読み出し層が形成され、その反対
側の面には、画素の行に対応して設けられた行電極を有
するアナログスイッチが行ごとに配置された走査スイッ
チ層が形成されていることを特徴とするフラット・パネ
ル形センサ。
【請求項２】上記半導体層が、Ｘ線の入射により電子
・正孔対を生成する半導体によって構成されていること
を特徴とする、請求項１に記載のフラット・パネル形セ
ンサ。
【請求項３】上記半導体層が、光の入射により電子・
正孔対を生成する半導体によって構成されていることを
特徴とする、請求項１に記載のフラット・パネル形セン
サ。
【請求項４】上記走査スイッチ層のアナログスイッチ
が、プラズマスイッチであることを特徴とする、請求項
１、２または３に記載のフラット・パネル形センサ。
【請求項５】上記走査スイッチ層のアナログスイッチ
が、電子ビームスイッチであることを特徴とする、請求
項１、２または３に記載のフラット・パネル形センサ。