成象装置

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时间:2019-11-26本站浏览次数:111

       

成象装置

利用产生电子-空穴的辐射(2)生成图象的一种成象装置。电子-空穴对产生于由一种光电导材料构成的辐射吸收层(10)中。这层(10)材料覆盖着形成在一个晶体半导体衬底(7)中和之上的金属氧化物半导体象素电路。每个象素电路包括一个电荷收集象素电极、与该电极相连以存储电荷的一个电容器和一个电荷测量晶体管电路。一个电压源(16)在象素电极与覆盖辐射吸收层(10)的可透过辐射的表面电极(8)之间施加一个电场。一个数据采集系统(20)采集并存储从电荷测量获得的数据,在一个优选实施例中利用一台计算机(23)根据数据计算出图象。图象可以显示在一个监视器(22)上或者从一个打印机打印出来。优选实施例提供利用X-射线、紫外线和可见光获得的图象。

本发明的读出电路可以利用一个鉴别器电路构成以进一步减小累积暗噪声。当每个X-射线光子产生一个电流脉冲时,一个比较器电路将该脉冲高度与一个基准电压进行比较。如果一个脉冲超过阈值电压,则该脉冲启动触发器,一个单程触发器(单稳态多谐振荡器)向累积电容器输送固定量电荷。每个象素上的脉冲成形电路累加每个X-射线光子的固定量电荷。这种电路结构用于滤掉暗电流和提供量子化X-射线计数。另一个实施例包括两个鉴别器电路的结构,从而可以将高低能量的X-射线光子分开,以便进行双能量图象分析。

尽管我们在设计上采取了一些对策,但是缺陷的影响仍然是一个问题:缺陷造成某些行或列中所有象素功能的丧失,甚至成对地破坏相邻行或列的象素,而剩余的象素仍然正常工作。通过利用计算机23将相邻象素值之间的内插值指定为发生故障象素的值可以校正发生故障的个别象素以及发生故障的行或列象素,只丢失非常少的诊断值。处理有缺陷象素的一种更为准确的方法是连续辐照两次,使由10到20个象素构成的整个传感器190在两次辐照之间沿对角线产生小位移。然后计算机23将两次的辐照结合在一幅图象中,这样的图象只有非常少的丢失象素。如果要更加准确,可以将该方法扩展为三次连续辐照,使传感器190在每次辐照之间沿对角线位移。

本发明可以用于对电路板进行成象。在这种应用中优选的辐射为60-70keV能量的X射线光子,并且需要1000微米的硒吸收大部分的X-射线光子。该优选实施例具有由25平方微米的象素构成的3平方厘米成象面积。

装置介绍图1中所示的本发明的一个优选实施例包括一个X-射线源和一个数字X-射线图象传感器。图15A和图15B所示的优选的数字X-射线图象传感器包括66微米象素的一个832×1024象素CMOS读出阵列12。读出阵列12覆盖有300微米厚的无定形硒层和导电电极8。优选的X-射线源4为钨阳极X-射线管,其X-射线输出能量在30keV-60keV范围内。X-射线源4和图象传感器1设置在一个衬铅箱中,X-射线源5与传感器之间的距离为100厘米。在接近X-射线源4的X-射线路径中设置有一个铅变迹器以阻挡不直接入射到传感器1中的X-射线。可以通过衬铅箱中的一个开口将手或前臂放入X-射线路径中。用数据采集电路系统20采集数字数据,并将这些数据存储在计算机23中以用于分析这些图象数据。

图26为用我们制造的一个832×1024象素图象传感器获得的一只老鼠的X-射线图象的数字打印输出图。

然后利用蒸气沉积方法在原型传感器上覆盖一层导电银电极8。250埃厚的银层可以透过99.9%的能量为17KeV至28KeV范围的入射X-光子,并且对于在其表面上形成适合的导电性来说是足够的。每一被覆盖的阵列的导电电极都与芯片载体电连接。

图19为表示利用一条图象传感器连续地对一个物体的不同区域成象的一种方法的示意图。

也可以使用除硒和氧化铅之外的其它光电导体材料作为X-射线辐射吸收层。可取的是这层材料足够厚以吸收大部分的辐射。其它适合的材料包括无定形硅、硫化铅、氧化锌、硫化锌、碲化镉、硒化镉、碲化锌、硫化镉、碘化铅、三硫化锑和金刚石薄膜。此外,还可以使用各种气体包括氙气和氪气作为光电导体。

图象可以显示在显示器上或从打印机上打印出来。优选实施例从X-射线、紫外光和可见光获得图象。还可以利用粒子辐射获得图象。本发明相对于现有技术TFT所具有的优点来自我们对于金属氧化物半导体技术的众多益处的开发。这些优点包括非常好的电路特性,以及设计的灵活性,这使得我们,在一个优选实施例中,能够很容易地将象素阵列和读出电路系统一起形成在一个硅晶片上。

图21中所示的单个象素电路245的电路示意图与图5所示的象素电路11相似。象素电路245包括一个收集电极247、收集电容器246、源极输出缓存器248、选择晶体管260、和复位晶体管250。象素电路245与象素电路11之间的主要差别是极性相反。象素电路245使用p-沟道晶体管作为选择晶体管248和复位晶体管250,使用n-沟道晶体管作为源极输出晶体管248。输出端COL(out)255的电压反比于所收集的正电荷Q(in)。象素电路245对应于节点262的正电压Vcc(一般为6至10伏),而象素电路11对应于地电位27。象素电路245适于配合较大的200×200微米的象素面积。象素电路245能够在复位阶段在电容器246上设置使用者选定的电压VRST。电压VRST通过线路255施加,该线路还在不同的时间用于读出象素电容器246上的电压COL(out)。

为了获得更加精确的图象,可以将前述方法扩展到如下所述的三次成象:连续获得三幅乳房196的原始图象。用胶片/屏幕乳腺X-射线照相术中所用X-射线剂量的三分之一的剂量获得第一幅图象。这个图象中包含传感器192之间的多个间隙186和189,被X-射线格栅201遮挡的象素列和象素行,和每个传感器190中的失效象素。由全幅传感器194和X-射线格栅201构成的整个组件220移动到第二位置,这个位置偏离第一位置的距离为沿正x-方向20个象素和沿正y-方向20个象素。利用位于第二位置的传感器/格栅组件220使用与获得第一幅图象相同的X-射线剂量获得第二幅图象。将整个组件220移动到第三位置,这个位置相对于第二位置的位置是沿正x-方向20个象素和沿正y-方向20个象素。利用位于第三位置的传感器/格栅组件220使用与获得第一幅图象相同的X-射线剂量获得第三幅图象。将这三幅图象存储在计算机23中。还获得一幅具有与所说三幅图象中每一幅相同积分时间的一幅暗场图象(没有X-射线时的图象),并存储起来以便在后面处理时减去电子噪声。

832×1024象素图象传感器图15A和图15B所示的本发明第二实施例提供了由象素电路11的832×1024象素阵列183和读出电路133构成的一种电子读出阵列190。这个实施例已经由本发明人和工人制造并加以测试。每个象素电路11的尺寸为66微米×66微米,从而图幅尺寸为5.5厘米×6.75厘米。图15表示了如我们的原型中的读出阵列190的轮廓图。行选移位寄存器186占据大约100微米的宽度(小于两个象素)和沿象素阵列183的一个边缘整个长度延伸。电子读出电路190的三个侧边具有非常窄(小于250微米)的边缘189。读出电路133需要相对较小的面积,大约0.1厘米×6.75厘米,在这条边缘上设置有连线焊片185以实现控制、输出、和电源连接。

图16所示的复位电路与小型原型阵列中的复位电路相似,不同之处在于图5所示的复位缓存器50用多晶硅电阻器51代替。这种改变使得能够用反向的门极-源极电压(在本实施例中为-2伏)使复位晶体管26截止,以避免电荷从复位晶体管26中泄漏。

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