NL8801342A

NL8801342A - Stralingsopnemer.

Info

Publication number: NL8801342A
Application number: NL8801342A
Authority: NL
Original assignee: Imec Inter Uni Micro Electr
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1989-12-18
Also published as: ES2075034T3; CA1325730C; US5010245A; EP0349027A1; EP0349027B1; DE68923664T2; GR3017378T3; ATE125993T1; DE68923664D1

Description

% a

H AL/CP/7 IMEC

-1-

STRALINGSOPNEMER

Uit de stand van de techniek bekende stralings-opnemers maken veelal gebruik van schuifregisters en/of zogeheten Charged Coupled Devices (CCD's). Het gaat hierbij bijv. om het opnemen van videobeelden, waarbij met constante 5 herhalingsfreguentie een nieuwe afbeelding van het door de stralingsopnemer afgetaste beeld wordt geleverd.

Indien een beeldveld wordt afgetast waarin veelal slechts op een of enkele locaties straling gedetecteerd behoeft te worden en/of de opnemer met grote herhalingsfreguen-10 tie dient te worden bedreven, zijn deze bekende beeldopnemers onpraktisch, daar een enorme hoeveelheid signalen wordt verschaft, waarvan de informatie-inhoud geen waarde heeft. De verwerking hiervan is tijdrovend en indien de verwerking "real time1* moet plaatsvinden is een hoge herhalingsfrequen-15 tie derhalve niet mogelijk.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding bovengenoemde nadelen te vermijden, en voorts een nieuwe stralingsopnemer te verschaffen.

Ondermeer daartoe verschaft de onderhavige uitvin-20 ding een stralingsopnemer volgens conclusie 1.

Toepassingsgebieden betreffen de snel opeenvolgende registratie van elementaire deeltjes bij botsingsexperimenten in hoge-energie-opslagringen, zoals die van het CERN, alsmede het voortdurend registreren van terreinomgevingen, bijv. voor 25 het detecteren van eventueel boven dit terrein optredende bliksemschichten.

Verdere voordelen, kenmerken en details zullen duidelijk worden aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm van de stralingsopnemer volgens de onderhavige uitvinding, 30 die beschreven zal worden aan de hand van een tekening, waarin tonen: fig. 1 een schema van een voorkeursuitvoeringsvorm van een stralingsopnemer volgens de onderhavige uitvinding; ,8801342 4 -2- 'k fig. 2 een schema van een uitvoeringsvoorbeeld van een stralingsgevoelig element uit het schema van fig. 1; fig. 3 een schema van een uitvoeringsvoorbeeld van een comparatorelement uit fig. 1; 5 fig. 4 een schema van de aansluiting van de source- volgers uit fig. 2; en fig. 5 een schema van een uitvoeringsvoorbeeld van de codeerelementen uit.fig. 1.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een stralingsopne-10 mer 1 (fig. l) omvat een matrix 2 uit een reeks stralingsgevoelige (pixel-)elementen, waarbij zowel voor de liggende (X-) als staande (y—) richting op elke rij van pixelelemen-ten, die onderling parallel - op analoge wijze als in fig. 4 is getoond - zijn geschakeld, een comparatorelement, zoals 15 schematisch met blokken 3 resp. 4 aangegeven, is aangesloten. Op de comparatorblokken 3, resp. 4, zijn codeerblokken 5 resp. 6 aangesloten, waaruit de uitgangen xqi, xo2> x03' x04 resp. yoiA yo2' Y03' Y04 beschikbaar zijn, zoals hieronder nader zal worden duidelijk gemaakt. Direkt van de uitgangen 20 van de matrix of pixelelementen zijn de uitgangen xao resp. yao beschikbaar.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een pixelelement 7 (fig. 2) voor de matrix 2 omvat een stralingsgevoelig element in de vorm van een fotogevoelige diode 8 waarop stra-25 ling R valt, die via een inverterende versterker 9 met als sourcevolgers geschakelde FET's 10, 11 resp. voor levering van een signaal aan de comparatorblokken 3, resp. 4, is aangesloten. Over de inverterende versterker 9 heen zijn een condensator 30 en een elektronische "reset"-schakelaar 31 30 aangesloten.

De uitgangen xa en ya leveren (op niet getoonde wijze, die analoog is aan de hand van de in fig. 4 aangegeven wijze) per kolom resp. rij een uitgangssignaal xac, resp. yar, resp. vormend een gemeenschappelijk uitgangssignaal voor 35 elke kolom resp. rij van de matrix 2. Ter verkrijging van een dergelijk gemeenschappelijk uitgangssignaal zijn de sourcevolgers 10, 10', 10'' etc., resp. de sourcevolgers 11, 11', . 8801342 -3- 11'' etc., van elk pixelelement per kolom resp. rij parallel geschakeld.

Op de uitgang xac (en yar) van elke rij (en kolom) van de pixelmatrix is een comparatorelement, bijv. een NOR-5 flipflop 12 aangesloten. Een drempelwaarde voor omslag van de op een fotogevoelige diode 8 vallende hoeveelheid straling wordt bepaald door het gelijkspanningsinstelniveau van de ingang xac ten opzichte van de negatieve voedingsspanning.

Dit gelijkspanningsinstelniveau kan bijv. met behulp van de 10 instelling van de inverterende versterkers 9 worden ingesteld. De ingang 15 van de NOR-flipflop 12 vormt een "reset"-aansluiting, die dient ter initialisering van een nieuwe beeldopname. De uitgang 16 heeft een logische "O"- of "1"-waarde, afhankelijk van het feit of op de desbetreffende 15 kolom (of rij) van de matrix vallende hoeveelheid straling groter is dan een vooraf bepaalde (en vooraf ingestelde) waarde.

De (analoge) uitgang xao (fig. 4) (en op overeenkomstige wijze yao) wordt gevormd, doordat sourcevolgers 32, 20 32', 32’1 etc. onderling parallel zijn aangesloten en in serie met een belasting of meetelement 21 zijn aangesloten. Indien op meer dan één rij of kolom van de stralingselemen-ten 8 straling valt, wordt de spanning over de belasting 21 bepaald door de grootste hoeveelheid op een getroffen element 25 vallende straling, die de grootte van de spanning over de belasting 21 bepaalt. De belasting 21 is veelal een weerstand, maar kan ook een schakelbare condensator zijn.

De codeerblokken 5 en 6, die bij voorkeur van gelijke opbouw kunnen zijn, kunnen gerealiseerd worden door 30 middel van een multiplexer. Bijv. kan voor een 100 x 100 beeldopnemer van derhalve 10.000 pixelelementen van bv.

100 x 100 ^un)2 elk, die bijv. met een frequentie van 10 MHz wordt bedreven, zodoende een datareductie van 10.000 tot 100 data per beeldperiode worden verkregen. De beeldperiode kan 35 hierbij afnemen van 1 msec tot 10/xsec, of de dissipatie kan dienovereenkomstig met een factor 100 afnemen. Voorts is het aantal klokorganen en voedingen ter besturing van de beeldop- .8801342 * -4- nemer volgens de uitvinding ten opzichte van de bekende CCD-opnemer beperkt.

Bij voorkeur wordt echter een combinatorische logicaschakeling, waarvan éen uitvoeringsvorm (voor de een-5 voud slechts voor acht bits) in fig. 5 is getoond, als codeerblok 5 resp. 6, gebezigd; met behulp hiervan kan de beeldperiode tot bijv. 100 nsec worden teruggebracht, of de dissipatie tot minder dan 1 mW worden teruggebracht. De schakeling uit fig. 5 omvat NOR-schakelingen 21, invertors 22 10 en OR-poorten 23. De schakeling kan opgebouwd gedacht worden uit basisblokken A en B. Het getoonde uitvoeringsvoorbeeld verzorgt de codering voor acht ingangen (Iq - I7) die zijn aangesloten op de uitgangen 16 van de comparatorelementen.

Met behulp van de blokken A en B kan op eenvoudige wijze een 15 schakeling voor een groter aantal ingangen dan acht worden opgebouwd.

De uitgangen van de in fig. 5 getoonde schakeling leveren achtereenvolgens van boven naar beneden het volgende: - Y/N: de aanwezigheid of afwezigheid van een hoeveelheid 20 straling boven een vooraf ingestelde drempelwaarde op de stralingsopnemer; - MSB: hoogste bit-waarde van de rij of kolom met het hoogste rangnummer van het pixelelement waarop straling is gevallen; 25 - 2SB; de middelste bit-waarde van een rij of kolom met het hoogste rangnummer waarop straling is gevallen; en - LSB: de laagste bitwaarde van een rij of kolom met het hoogste rangnummer van een pixelelement waarop straling is gevallen.

30 Indien twee codeerschakeling volgens fig. 5, bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de stralingsopnemer (aan zowel x- als y-zijde) worden opgenomen, terwijl de ingangen Iq “ I7 precies in omgekeerde volgorde aan de tweede codeerschakeling worden toegevoegd, kan uit een vergelijking van de 35 bit-waarden aan de uitgangen het volgende worden bepaald, daar derhalve de ene codeerschakeling de laagste en de andere de hoogste geactiveerde rij(- kolom)-waarde detecteert: „8801342 Ύ -5- - bij gelijke uitkomst, dat slechts pixelelementen uit één rij, resp. kolom door straling is geactiveerd; of - bij ongelijke uitkomst de grenzen van een gebied waarin tenminste twee rijen (of kolommen) van pixelelementen 5 zijn geactiveerd.

Bij voorkeur bevatten de uitgangen van de codeer-blokken 5, 6 resp. de volgende informatie: - xqi (y0i): een bit dat de aan- of afwezigheid van activatie van een pixelelement in een kolom (rij) aangeeft (Y/N uit 10 fig. 5); - xq2 (yo2); een binair getal dat het hoogste kolomnummer (rijnummer) van een kolom (rij) van een pixelelement waarop straling is gevallen, aangeeft; - 103 (yo3)5 een binair getal, dat het laagste kolomnummer 15 (rijnummer) van een kolom (rij) van een pixelelement waarop straling is gevallen, aangeeft; en - X04 (yo4): een bit-waarde die aangeeft op het hoogste en het laagste kolomnummer (rijnummer) gelijk of ongelijk is; deze bit-waarde xq4 (yo4) wordt op eenvoudige wijze verkregen 20 via een combinatorische logische schakeling, die de uitgangen van de twee logische schakelingen volgens fig. 5 vergelijkt.

Een eerste in de praktijk te realiseren stralings-opnemer wordt geheel monolitisch geïntegreerd in een halfge-leidersubstraat vervaardigd en beslaat 32 x 32 pixelelemen-25 ten, waarbij wordt verwacht dat een 50% vullingsgraad van het oppervlak voor de stralingsgevoelige elementen mogelijk zal zijn.

Andere uitvoeringsmogelijkheden zijn de zogeheten flipchip-structuur, waarbij een afzonderlijke diodechip op 30 een afzonderlijke chip voor de randelektronica wordtaangeslo-ten, en de zogeheten SOI-techniek, waarbij de elektronica zich aan de achterzijde ten opzichte van de invallende straling, gescheiden door siliciumoxide van de stralingsgevoelige elementen, bevindt.

.8801342 1 1

Claims

1. Opnemer voor het opnemen van straling, omvattende een reeks stralingsgevoelige elementen, op een deelreeks van die elementen aangesloten comparatorelementen voor het met een vooraf bepaalde drempelwaarde vergelijken van de hoe- 5 veelheid op een stralingsgevoelig element gevallen straling, een op het comparatorelement aangesloten codeerelement voor afgifte van een digitale representatie van het element waarop de straling is gevallen en een voor de stralingselementen gemeenschappelijk meetelement voor bepaling van de hoeveel-10 heid van de op het desbetreffende element gevallen straling gedurende een voorafbepaalde tijdsperiode,

2. Stralingsopnemer, waarbij de reeks stralingsgevoelige elementen een matrix, van bijv. 100 bij 100 of 32 bij 32, elementen is.

3. Stralingsopnemer volgens conclusie 2, waarbij de stralingsgevoelige elementen uit een rij of kolom gemeenschappelijk op een comparatorelement zijn aangesloten, ter bepaling van het rij- of kolomnummer.

4. Stralingsopnemer volgens conclusie 3, waarbij 20 twee of meer signalen van twee of meer rijen of kolommen stralingsgevoelige elementen aan een gemeenschappelijke belasting worden toegevoerd, ter bepaling van het maximum van die signalen.

5. Stralingsopnemer volgens een van de voorgaande 25 conclusies, waarbij een codeerelement als combinatorische logische schakeling is uitgevoerd.

6. Stralingsopnemer volgens conclusie 5, waarbij twee combinatorische codeerelementen op de uitgangen van de comparatorelementen zijn aangesloten. .8801342