專利名稱：輻射探測器及其成像裝置和電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用 新型涉及輻射探測器及其成像裝置和電極結(jié)構(gòu)，具體地涉及例如X射線數(shù) 字影像平板探測器及成像裝置。
背景技術(shù)：
在過去，人們利用對輻射敏感的閃爍層將射線轉(zhuǎn)換成光信號，用電視攝像機(jī)接收 光信號，并經(jīng)顯示屏顯示出來，從而實現(xiàn)射線輻射透視時的實時成像。隨著技術(shù)的發(fā)展，CCD 的出現(xiàn)使得這一實時成像方式更加優(yōu)化。CCD在穩(wěn)定性、集成度、一致性以及高速采集上有 著非常優(yōu)越的性能。但是由于CCD本身的耐輻射損傷問題，這一實時成像方式有著一個不 可避免的缺點，那便是需要足夠厚度的輻射敏感薄膜或者傳輸光路的裝置，常用的轉(zhuǎn)換、傳 輸裝置有影像增強(qiáng)器、透鏡、光纖等，這些轉(zhuǎn)換、傳輸裝置在工作流程中位于CXD前面，所引 入的不一致、噪聲等因素使得CCD的諸多優(yōu)勢無法充分的顯現(xiàn)出來，同時也增加了成像系 統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)的可靠性。從20世紀(jì)九十年代開始，從事輻射成像領(lǐng)域的技術(shù)人員開始著眼于研究如何在 輻射成像探測器上將高速、高圖像質(zhì)量、高集成度、高可靠性、大面積以及操作的簡易性等 優(yōu)點結(jié)合起來，由此發(fā)展出了大面積的數(shù)字影像平板探測器。目前數(shù)字影像平板探測器的產(chǎn)品可以實現(xiàn)上千平方厘米級的大面積，幾十微米級 的空間分辨以及每秒上百幀的讀取速度。數(shù)字影像平板探測器的第一種已知技術(shù)是采用非晶硅二極管與TFT結(jié)合。非晶硅 二極管吸收射線，產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下某種極性的帶電粒子漂移到TFT像素陣 列上，通過TFT的開關(guān)掃描依次讀取各像素信號。非晶硅的電離能很低(約5eV)，在射線照射下能夠產(chǎn)生大量的電子空穴對，能夠 在低劑量下仍然得到很好的信噪比。然而，硅的原子序數(shù)很小(Z = 14)，對射線的阻擋能力非常弱，需要很厚的硅層才 能將射線有效阻擋，這使得該方法在工藝上不易實現(xiàn)，且成本很高。數(shù)字影像平板探測器的第二種已知技術(shù)是用非晶硒薄膜與TFT結(jié)合。非晶硒吸 收射線，產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下某種極性的帶電粒子漂移到TFT像素陣列上，通過 TFT的開關(guān)掃描依次讀取各像素信號。硒的原子序數(shù)為34，非晶硒對射線的阻擋能力相對非晶硅較強(qiáng)，但仍然只適應(yīng)于 探測50KeV以內(nèi)的射線，這限制了非晶硒平板探測器的主要應(yīng)用領(lǐng)域為低能量領(lǐng)域(如乳 腺成像)。非晶硒的電離能隨所加場強(qiáng)以及入射的射線能量變化而改變，在醫(yī)學(xué)診斷常用的 場強(qiáng)以及射線能量區(qū)域，其電離能約為50eV，由此限制了射線的最低劑量以及輸出的信號幅度。另外，非晶硒溫度穩(wěn)定性差，易潮解和晶化，使用壽命不如其他結(jié)構(gòu)的平板探測
O[0012]數(shù)字影像平板探測器的第三種已知技術(shù)是采用閃爍體與光電二極管以及TFT結(jié) 合。閃爍體將射線轉(zhuǎn)換成光信號，光電二極管接收光信號，轉(zhuǎn)換為電信號，再通過TFT的開 關(guān)掃描依次讀取各像素信號。閃爍體可 以吸收射線能量并發(fā)射出一定波長范圍的可見光子，發(fā)射出的光子數(shù)與 吸收的能量成正比。閃爍體材料的原子序數(shù)一般比較高，對射線吸收能力較強(qiáng)。閃爍體可 以是熒光薄膜材料(比如某些稀土材料)或者是閃爍晶體(比如碘化銫、鎢酸鎘等)。碘化銫晶體的原子序數(shù)比非晶硅和非晶硒都大，對射線有很好的阻擋、吸收能力； 同時摻雜鉈的碘化銫晶體發(fā)射光譜峰位為565nm，與非晶硅光電二極管的吸收光譜峰位基 本吻合，兩者的結(jié)合在同種類型產(chǎn)品中具有最高的量子效率。這些優(yōu)點使得目前數(shù)字影像 平板探測器中最常見的都是由碘化銫晶體與硅光電二極管以及TFT結(jié)合的結(jié)構(gòu)。當(dāng)閃爍體為均勻薄膜材料時，為了增大可探測的能量范圍以及探測效率，需要增 加薄膜的厚度，而隨著薄膜厚度的增加，可見光子的散射對探測器空間分辨率的影響會增 大。當(dāng)閃爍體為碘化銫晶體時，可以通過將晶體生長為高密度針狀陣列(10-20μπι尺寸的 針管)，以抑制光子的散射。然而，隨著碘化銫薄膜厚度的增加，針管深寬比增大，管內(nèi)光子的收集效率會大大 降低，從而降低了探測器的量子效率。同時由于針管與光電二極管之間的尺寸配合問題，這 種類型的探測器死區(qū)所占的比例會偏大。閃爍體內(nèi)每產(chǎn)生一個可見光子需要約20_50eV的能量，再考慮光電二極管對可見 光波段的量子效率，這種結(jié)構(gòu)的探測器每產(chǎn)生一對電子空穴對需要約IOOeV甚至更多的能 量，這個性能決定了采用閃爍體作為輻射敏感薄膜會得到較差的信噪比。數(shù)字影像平板探測器的第四種已知技術(shù)是采用閃爍體與CMOS結(jié)合?？梢詫㈤W爍 體直接覆蓋在CMOS上，也可以通過兩端直徑不一樣的光纖將大面積的閃爍體與小面積的 CMOS結(jié)合。采用CMOS工藝取代傳統(tǒng)的硅工藝，能夠更大程度的提高系統(tǒng)的集成度，探測器的 空間分辨率、占空比、采集速度等都有很大的提高，每個像素單元都集成了獨立的電荷-電 壓轉(zhuǎn)化電路和放大電路，能夠獲得更好的信噪比。然而，受到CMOS工藝的限制，這種類型的平板探測器不易在較低的成本下得到大的靈敏面積，但在小面積探測領(lǐng)域，比如牙科CT、小動物CT等，其 優(yōu)勢是非常明顯的。綜上所述，在現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器中，考慮動態(tài)范圍(可探測的能量 范圍)、探測效率、信噪比、空間分辨等因素，主要的射線轉(zhuǎn)換方式是使用高密度針狀的碘化 銫閃爍體，將射線先轉(zhuǎn)換為可見光子，再通過光電二極管將可見光子轉(zhuǎn)換為電信號。電信號的讀取主要采用TFT讀取或者CMOS讀取，根據(jù)實際需要的面積、空間分辨 率、采集速度、集成度、成本等因素進(jìn)行選擇TFT和CMOS之一。

實用新型內(nèi)容本實用新型提出一種結(jié)構(gòu)簡單、高量子效率的數(shù)字影像平板探測器及成像裝置， 其中不必使用閃爍體和光電轉(zhuǎn)換器件。根據(jù)本實用新型的一方面，提供一種輻射探測器，包括輻射敏感薄膜、位于輻射敏感薄膜上的頂部電極、以及與輻射敏感薄膜電耦合的像素單元的陣列，其中每一個像素單 元包括；像素電極，用于收集輻射敏感薄膜的一個像素區(qū)域中的電荷信號；儲存電容，與像 素電極連接，用于儲存像素電極所收集的電荷信號；復(fù)位晶體管，與像素電極連接，用于清 空儲存電容中的電荷；緩沖晶體管，與像素電極連接，用于將像素電極上的電荷信號轉(zhuǎn)換成 電壓信號并傳送到信號線上；列選通晶體管，用于選擇預(yù)定列的像素電極；以及行選通晶 體管，用于選擇預(yù)定行的像素電極，其中，列選通晶體管和行選通晶體管串聯(lián)連接在緩沖晶 體管和信號線之間，并響應(yīng)列選通信號和行選通信號傳送相應(yīng)的像素單元的電壓信號。優(yōu)選地，在輻射探測器中，輻射敏感薄膜是圖案化的，包括與每一個像素電極相對 應(yīng)的像素區(qū)域，并且像素區(qū)域彼此電絕緣。優(yōu)選地，在輻射探測器中，復(fù)位晶體管響應(yīng)復(fù)位信號而將像素電極連接到固定的 初始電平上。優(yōu)選地，在輻射探測器中，緩沖晶體管的柵極與像素電極連接，漏極與固定的 偏置 電平連接，以及源極與列選通晶體管連接。優(yōu)選地，在輻射探測器中，輻射探測器由集成有輻射敏感薄膜的單片CMOS集成電 路構(gòu)成。優(yōu)選地，在輻射探測器中，輻射探測器由集成有輻射敏感薄膜的單片TFT集成電 路構(gòu)成。優(yōu)選地，在輻射探測器中，輻射敏感薄膜和像素電極位于電路板的一面上，儲存電 容、復(fù)位晶體管、緩沖晶體管、列選通晶體管和行選通晶體管的至少一部分集成在集成電路 中，并且集成電路安裝在電路板的另一面上。優(yōu)選地，輻射探測器還包括圍繞至少一個像素電極的網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極，其中像 素電極與導(dǎo)向電極彼此電絕緣。根據(jù)本實用新型的又一方面，提供一種數(shù)字成像裝置，包括輻射源，產(chǎn)生輻射； 前述的輻射探測器，檢測穿過被測物體后的輻射劑量；數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，將輻射探測器輸出的 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；圖像處理器，將數(shù)字信號處理成圖像。優(yōu)選地，數(shù)字成像裝置還包括準(zhǔn)直器，其中輻射源、準(zhǔn)直器和探測器相對于被測物 體移動，從而對被測物體進(jìn)行線性掃描。優(yōu)選地，在數(shù)字成像裝置中，所述輻射源、準(zhǔn)直器和探測器沿掃描方向同步地移 動。根據(jù)本實用新型的又一方面，提供一種用于輻射探測器的電極結(jié)構(gòu)，包括像素電 極；以及網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極，圍繞至少一個像素電極，并且像素電極與導(dǎo)向電極彼此電絕 緣。優(yōu)選地，電極結(jié)構(gòu)位于集成電路內(nèi)或電路板的一面上。優(yōu)選地，在電極結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向電極的電位與像素電極的電位相同。優(yōu)選地，在電極結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向電極的電位與像素電極的電位不同。優(yōu)選地，在電極結(jié)構(gòu)中，在像素區(qū)域中產(chǎn)生的電荷信號由空穴產(chǎn)生時，導(dǎo)向電極的 電位低于像素電極。優(yōu)選地，在電極結(jié)構(gòu)中，在像素區(qū)域中產(chǎn)生的電荷信號由空穴產(chǎn)生時，導(dǎo)向電極的 電位高于像素電極。本實用新型提出的探測器及其成像裝置一方面在保證探測效率、探測能量范圍、信噪比以及空間分辨率的前提下，利用輻射敏感薄膜(如碘化汞薄膜)直接將射線轉(zhuǎn)換為 電信號，去掉了把射線轉(zhuǎn)換為可見光子再由可見光子轉(zhuǎn)化為電信號的步驟，簡化了探測器 的結(jié)構(gòu)，減少了中間過程有效信號的損失，提高了探測器的量子效率。而且，沒有閃爍體的 余暉問題，探測器對輻照劑量的變化會更加敏感，掃描速度可以進(jìn)一步提高。 另一方面，通過包含四個晶體管(4T)的像素單元，實現(xiàn)電信號的采集、輸出和數(shù) 據(jù)處理，并可以實現(xiàn)為TFT像素陣列、CMOS像素陣列、電路板和信號處理IC。這提高了系統(tǒng) 的集成度，使之在性能指標(biāo)上更加優(yōu)越，與實際應(yīng)用領(lǐng)域更加適應(yīng)。由于4T像素單元直接輸出電壓信號，可以減少外電路對模擬信號的干擾，提高系 統(tǒng)的信噪比，同時降低后繼ASIC設(shè)計的復(fù)雜程度，提高設(shè)備的可靠性。利用包含4T像素單元的CMOS像素陣列或TFT像素陣列，提高系統(tǒng)的集成度，以滿 足小區(qū)域內(nèi)更高空間分辨的要求。利用包含4T像素單元的信號處理IC，與電路板一起形成像素陣列，將某一區(qū)域的 像素電極引至一個信號處理IC收集電信號并進(jìn)行處理，可以減小信號處理IC的設(shè)計規(guī)模， 最大程度地降低成本。在像素之間或者像素區(qū)域之間以及像素陣列外圍設(shè)置一定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格狀的導(dǎo)向 電極，可以收集探測器表面漏電流，降低探測器的噪聲。同時，使得導(dǎo)向電極電位與像素電 極電位略有不同(收集電子時導(dǎo)向電極電位略低于像素電極，收集空穴時導(dǎo)向電極電位略 高于像素電極)，導(dǎo)向電極與像素電極之間存在弱電場，可以有效的防止電荷堆積，提高電 荷收集率，減少探測器的死區(qū)，減輕探測器的極化效應(yīng)。進(jìn)一步優(yōu)化了探測器的性能。

圖Ia至Ic分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的三種數(shù)字影像平板探測器的示意性結(jié)構(gòu)。圖2a至2b分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的兩種數(shù)字成像裝置的示意性結(jié)構(gòu)。圖3a至3b示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器的TFT像素陣列。圖5示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器的像素陣列。圖6示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的俯視圖。圖7示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的俯視圖。圖8a和8b分別示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的截 面圖。圖9a和9b分別示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的 截面圖。
具體實施方式
以下參照附圖，更加詳細(xì)地描述本實用新型，附圖中示出了本實用新型的實施例。 但是本實用新型可以采用多種不同的形式具體實現(xiàn)，而不應(yīng)該認(rèn)為本實用新型僅限于在此 提出的實施例。圖Ia至Ic分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的三種數(shù)字影像平板探測器。碘化汞(HgI2) 薄膜1是連續(xù)的薄膜或者圖案化成與像素電極相對應(yīng)的分立像素區(qū)域，分別利用CMOS像素陣列2、TFT像素陣列3和電路板(PCB) 6的電極陣列提供數(shù)字影像的像素單元。通過探測器獲得的像素信號經(jīng)由電纜8傳送至圖像處理器9 (例如計算機(jī))，形成數(shù)字影像，并在顯示 器上進(jìn)行顯示。如圖Ia所示，碘化汞薄膜1位于CMOS像素陣列2上方，例如通過蒸鍍直接在CMOS 像素陣列2的頂部形成，作為集成電路的一部分。利用CMOS像素陣列2實現(xiàn)對碘化汞薄膜 1中的每一個像素區(qū)域的訪問。如圖Ib所示，碘化汞薄膜1位于TFT像素陣列3上方，例如通過蒸鍍直接在TFT 像素陣列3的頂部形成，作為集成電路的一部分。經(jīng)由電極4和5實現(xiàn)對碘化汞薄膜1中 的每一個像素區(qū)域的訪問。如圖Ic所示，碘化汞薄膜1位于電路板6的一面，在電路板的另一面提供信號處 理IC 7，經(jīng)由電路板上的布線和過孔連接碘化汞薄膜1和信號處理IC 7。進(jìn)一步地，信號 處理IC 7連接至圖像處理器9。利用電路板上形成的電極陣列(未示出)實現(xiàn)對碘化汞薄 膜1中的每一個像素區(qū)域的訪問。碘化汞的原子序數(shù)比碘化銫要高，密度比碘化銫大，對射線的阻擋能力更強(qiáng)，用來 作為射線的輻射敏感薄膜可以得到更高的探測效率。同樣的輻射敏感薄膜厚度下，碘化汞 探測器能探測到的射線能量也更高(動態(tài)范圍上限)。同時由于其原子序數(shù)高，500KeV范 圍內(nèi)的光子與碘化汞的相互作用主要為光電效應(yīng)，發(fā)生康普頓散射的比例很小，在一定電 場作用下，這么短的遷移距離里，載流子的橫向偏移可以忽略不計，射線與物質(zhì)相互作用的 位置信息可以得到更精確的測量。由于碘化汞是半導(dǎo)體材料，其電離能與非晶硅在同一數(shù)量級(< 10eV)，其得到 一個電子空穴對所需的射線能量遠(yuǎn)小于碘化銫或者非晶硒，在同樣能量/劑量的射線照射 下，產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)量與非晶硅在同一數(shù)量級，遠(yuǎn)多于碘化銫或者非晶硒。碘化汞禁帶 寬度約為硅的2倍，同時電阻率可達(dá)IO14 Ω . cm,因此其室溫下的漏電流非常小，噪聲性能遠(yuǎn) 優(yōu)于硅光二極管，因此采用碘化汞作為輻射敏感薄膜可以得到更好的信噪比，能夠測量到 更低能量的射線(動態(tài)范圍下限)。本發(fā)明人認(rèn)識到，在相同的輻照劑量下，采用碘化汞作為輻射敏感薄膜可以得到 更優(yōu)的圖像質(zhì)量?？梢圆捎谜婵瘴锢須庀喑练e、濺射、噴涂、熱壓、絲印等方法，在像素陣列上覆蓋碘
化汞薄膜。然而，根據(jù)實際應(yīng)用領(lǐng)域(例如射線能量、探測效率、工藝要求等)，可以用碘化鉛 (PbI2)、碲鋅鎘(CdZnTe)、碲化鎘(CdTe)、砷化鎵(GaAs)、溴化鉈(TlBr)、磷化銦(InP)、硒 化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、砷化銦(InAs)、硫化鉛(PbS)、銻化銦(InSb)、碲化鉛(PbTe)、 硒化汞(HgSe)等其他半導(dǎo)體材料來代替碘化汞。此外，正如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，根據(jù)實際需要的面積、空間分辨率、采集速 度、集成度、成本等因素選擇TFT和CMOS之一。例如，在小面積成像領(lǐng)域(牙科)，CMOS是 最優(yōu)選的。此外，在對空間分辨率的要求不高的情形下，甚至可以用電路板(PCB)來代替TFT 陣列。在圖2a中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的平面成像的數(shù)字成像裝置的示意性結(jié)構(gòu)。來自輻射源200的輻射穿過被測物體300，然后到達(dá)探測器100。探測器100包括二維的像素陣 列，這可以是一個整體的二維的像素陣列，也可以由多個一維或二維的像素陣列拼接而成。 每一個像素信號與像素區(qū)域的輻射劑量相關(guān)，然后經(jīng)過后繼數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAQ) 400轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，傳送至圖像處理器900。 在圖2b中示出了利用線性掃描成像的數(shù)字成像裝置。來自點狀輻射源200的輻 射經(jīng)由準(zhǔn)直器201整形為線狀的輻射束，然后穿過被測物體300，到達(dá)探測器100，然后經(jīng)過 后繼數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAQ)400轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送至圖像處理器900。與圖2a所示的數(shù)字成像裝置不同，圖2b中的數(shù)字成像利用被測物體300相對于 輻射源200、準(zhǔn)直器201和探測器100的相對移動，對被測物體300進(jìn)行線性掃描，以形成在 掃描方向上擴(kuò)展的二維的數(shù)字圖像。例如輻射源200、準(zhǔn)直器201和探測器100沿掃描方向同步地移動，而被測物體 300固定。替代地，輻射源200、準(zhǔn)直器201和探測器100均固定，而僅僅被測物體300沿掃
描方向移動。結(jié)果，該數(shù)字成像裝置可以利用較小尺寸的探測器100對較大尺寸的被測物體 300進(jìn)行平面成像，從而降低了數(shù)字成像裝置的制造成本。參見圖3a，探測器100包括像素陣列110，位于像素陣列110上方的碘化汞薄膜 101、位于碘化汞薄膜101上的頂部電極111、包圍碘化汞薄膜101和頂部電極111的保護(hù)層 112、以及包圍保護(hù)層的外殼113。像素陣列110可以是TFT陣列、CMOS陣列或電路板。頂部電極111可以是金屬鈀(Pd)、氧化銦錫合金(ITO)、碳膜、氧化銦(In2O3)、氧 化錫(SnO2)、鎢鈦(TiW)，以及其它的不與碘化汞發(fā)生反應(yīng)的合適的導(dǎo)電材料。保護(hù)層112 是穩(wěn)定的防潮防靜電的絕緣材料，與碘化汞不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以是硅橡膠，樹脂材料，也 可以是其他的熱塑性材料(如聚對二甲苯)。外殼113是絕緣、遮光、防靜電材料。輻射可以穿過外殼113、保護(hù)層112和頂部電極111到達(dá)碘化汞薄膜101。輻射 與碘化汞薄膜的相互作用產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下分別向像素陣列110和頂部電極 111漂移，并直接由電極收集，由信號處理電路進(jìn)行處理。在圖3b所示的探測器100的變型中，進(jìn)一步包括位于碘化汞薄膜101和像素陣列 110之間的第一中間保護(hù)層114以及位于碘化汞薄膜101和頂部電極111之間的第二中間 保護(hù)層115，以實現(xiàn)探測器的長期穩(wěn)定性。第一中間保護(hù)層114、第二中間保護(hù)層115由電 介質(zhì)形成，可以與前述的保護(hù)層112的材料相同或不同。對于圖3a和圖3b所示的探測器100，優(yōu)選的，通過周期性地(例如在每幀或每多 幀信號之間)對像素區(qū)域施加反向電場，中和碘化汞薄膜101中的殘留電荷，使得探測器 100可以長期穩(wěn)定的工作。圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器中的傳感器部件的TFT像素陣 列。每個像素單元由一個像素電極311、一個晶體管QlO和一個儲存電容Cl組成。晶體管 QlO的漏極與像素電極311相連，像素電極311經(jīng)由儲存電容Cl接地。像素電極311與碘化汞薄膜的一個像素區(qū)域電連接，用于收集電荷信號。如上所 述，碘化汞薄膜作為輻射敏感薄膜，在經(jīng)受輻射時沉積射線能量，產(chǎn)生電荷信號，然后由像 素電極311收集。儲存電容Cl用于儲存電荷。當(dāng)晶體管QlO截止時，經(jīng)由像素電極311收集的電荷儲存在儲存電容Cl中。當(dāng)晶體管QlO導(dǎo)通時，可以讀取儲存電容Cl中的電荷信號Signal。晶體管Ql的柵極連接到外部的控制信號Veate,而源極連接到讀取電路(例如積分 放大電路)。控制信號Veate可由可編程邏輯芯片提供，按照以下的方式實現(xiàn)有關(guān)的邏輯控 制 a)在晶體管QlO截止時，像素電極311收集電荷信號，積累在儲存電容Cl上；b)達(dá)到預(yù)定的積分時間后，向第一列像素單元施加選通信號Veate,第一列晶體管 QlO導(dǎo)通，第一列各單元的儲存電容Cl放電，從而讀取電荷信號；c)重復(fù)步驟b)，針對其他列，逐列讀取像素電極上收集的電荷信號。d)所有列讀取完畢后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以獲得一幀圖像。通常由于第一幀圖像內(nèi)各列積分時間不一致，第一幀圖像數(shù)據(jù)舍棄，以后各幀圖 像均為有效數(shù)據(jù)。圖5示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的傳感器部件的像素陣列。 每個像素單元包括像素電極311、四個晶體管(Q21、Q22、Q23、Q24)和儲存電容Cl。像素電極311與碘化汞薄膜的一個像素區(qū)域電耦合，用于收集電荷信號。如上所 述，碘化汞薄膜作為輻射敏感薄膜，在經(jīng)受輻射時沉積射線能量，產(chǎn)生電荷信號，然后由像 素電極311收集。儲存電容Cl用于儲存電荷。當(dāng)電荷在儲存電容Cl上積累時，像素電極311的電 位會發(fā)生變化。電位的變化量與累計的電荷量成正比，即與像素區(qū)域中沉積的射線能量成 正比。晶體管Q21用于復(fù)位，其柵極與復(fù)位控制信號(VKeset)相連。當(dāng)晶體管Q21導(dǎo)通時， 儲存電容Cl上積累的電荷被清空，像素電極311恢復(fù)到固定的初始電平V1,探測器恢復(fù)初 始狀態(tài)。晶體管Q22用于緩沖，以驅(qū)動后繼的電路，其柵極與像素電極311相連。在漏極上 施加固定的偏置電平V2,使得晶體管Q22工作于跟隨狀態(tài)。由于Q22在工作過程中無狀態(tài) 變化，因此，固定的電平V2始終施加到晶體管Q22的漏極上。晶體管Q23用于列選通，其柵極與列選通信號(Vfol)相連，控制讀取的順序和每列 的積分時間以及讀取時間；晶體管Q24用于行選通，其柵極與行選通信號(Vkot)相連，用來 選擇需要輸出的行。晶體管Q23和24串聯(lián)連接。如果同時選通晶體管Q23和Q24時，則儲存電容中 儲存的電荷信號依次經(jīng)由像素電極311、緩沖晶體管Q21、列選通晶體管Q23、行選通晶體管 Q24傳送到信號線Signal上，使得可以讀取對應(yīng)的像素單元的像素電極311的電位。同一列像素單元的晶體管Q21的柵極連接到同一個復(fù)位信號(Vlteset)上；同一列像 素單元的晶體管Q23的柵極連接到同一個列選通信號(Vm)上；同一行像素單元的晶體管 Q24的柵極連接到同一個行選通信號(Vkot)上；同一行像素單元的晶體管Q24的源極連接到 同一路后繼電路(例如，多路開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換或者ADC)。通過測量復(fù)位前(傳感信號)和復(fù)位后(背景信號)像素電極311電位的變化量， 可以計算出在該像素區(qū)域內(nèi)沉積的射線的能量，從而得到該像素的圖像信息。該讀取方法輸出的是電壓值，與傳統(tǒng)的晶體管讀取方式相比，抗干擾能力會更強(qiáng)， 同時數(shù)據(jù)處理電路會更簡單。[0097]按照以下的方式實現(xiàn)有關(guān)的邏輯控制a)向各列像素單元施加復(fù)位信號Vltesrt，使得所有像素單元復(fù)位；b)所有像素單元的晶體管Q21、Q23、Q24截止，像素電極311收集電荷信號，積累 在儲存電容Cl上；C)達(dá)到預(yù)定的積分時間后，向第一列像素單元施加列選通信號Vajl，然后依次向 該列的相應(yīng)的像素單元施加行選通信號Vkot，使得相應(yīng)的像素單元的晶體管Q23、Q24導(dǎo)通， 從而逐個地讀取第一列像素單元的像素電極311的電位，作為傳感信號；d)第一列像素單元的晶體管Q23、Q24截止，并向第一列施加復(fù)位信號VKeset，使得 第一列像素單元的晶體管Q21導(dǎo)通，即第一列像素單元復(fù)位；e)第一列像素單元的晶體管Q21截止，向第一列像素單元施加列選通信號Vfol，然 后依次向該列的相應(yīng)的像素單元施加行選通信號Vkot，使得相應(yīng)的像素單元的晶體管Q23、 Q24導(dǎo)通，從而逐個地讀取第一列像素單元的像素電極311的電位，作為背景信號；f)重復(fù)步驟c)至e)，針對其他列，逐像素地讀取像素電極上收集的電荷信號。g)在所有像素讀取完畢后，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理(例如，從傳感信號中減去背景 信號)，可以獲得一幀圖像。通常由于第一幀圖像內(nèi)各列積分時間不一致，第一幀圖像數(shù)據(jù)舍棄，以后各幀圖 像均為有效數(shù)據(jù)。在步驟a)至g)期間，可以向輻射敏感薄膜上的頂部電極施加恒定的偏壓，使得輻 射探測器靈敏區(qū)內(nèi)形成足夠強(qiáng)度的收集電場。在像素區(qū)域中產(chǎn)生的電荷信號由電子產(chǎn)生 時，該偏壓為負(fù)偏壓。在像素區(qū)域中產(chǎn)生的電荷信號由空穴產(chǎn)生時，該偏壓為正偏壓。根據(jù)探測器的極化程度和殘留電荷量，在每幀或每數(shù)幀圖像之間，進(jìn)一步包括周 期性改變頂部電極的偏壓極性(反向偏壓)，在探測器靈敏區(qū)內(nèi)形成方向相反的電場，以消 除探測器在工作過程中的極化現(xiàn)象，中和殘留電荷。本實用新型的數(shù)字影像平板探測器的像素單元為4T結(jié)構(gòu)(S卩，包括四個晶體管)， 相對于圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器(其中，像素單元為IT結(jié)構(gòu))，本實用新 型的數(shù)字影像平板探測器既可以逐列讀取信號，也可以逐個像素讀取信號。而且，當(dāng)被測物體面積很小時，可以選擇性地僅對被測物體相對應(yīng)的像素區(qū)域讀 取信號，以減小探測器的有效成像面積，從而減小數(shù)據(jù)的冗余，提高數(shù)據(jù)處理的速度。在探測器出現(xiàn)壞點的時候，可以通過行選通和列選通功能屏蔽該壞點。特別是某 些情況下壞點會輸出較大電壓，對后繼的電路影響很大，通過行選通功能將壞點與后繼電 路斷開，既不影響后繼電路，也不影響周邊任何像素。圖5所示的像素陣列可以實現(xiàn)為圖Ia所示的CMOS像素陣列2、圖Ib所示的TFT 像素陣列3以及圖Ic所示的電路板6與信號處理IC 7的組合中的任一實例。進(jìn)一步地， 由此構(gòu)成的探測器可以用于圖2a所示的平面成像的數(shù)字成像裝置以及圖2b所示的線性掃 描的數(shù)字成像裝置中的任一實例。圖6示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的俯視圖。例如在 電路板210上形成像素電極311的陣列。每一個像素電極311作為圖5所示的一個像素單 元的一部分，并且電耦合至碘化汞薄膜的一個像素區(qū)域。各個像素電極311之間電絕緣。 圖7示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的俯視圖。與圖6所示的像素電極不同，圖7所示的電極結(jié)構(gòu)包括像素電極311和在每一個像素電極311周 圍的網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極314。各個像素電極311之間、以及像素電極311與導(dǎo)向電極314之 間電絕緣。圖8a示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的截面圖。在 襯底211上方面的有源層212中形成了 CMOS像素陣列或TFT像素陣列中的每一個像素單 元的晶體管。層間絕緣層213位于像素電極311、導(dǎo)向電極314和有源層212之間。像素電 極311和導(dǎo)向電極314經(jīng)由層間絕緣層213中的通道(via)(未示出)與有源層212中的 晶體管電連接。像素電極311和導(dǎo)向電極314可以由相同或不同的金屬層形成。通常，二者位于 同一平面上并由相同的金屬層形成。圖8b示出了上述像素電極的變型，其中網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極314的每個網(wǎng)格包括至 少兩個像素電極311。圖9a示出了根據(jù)本實用新型的數(shù)字影像平板探測器中的像素電極的截面圖。在 電路板214的一面上形成了像素電極311和導(dǎo)向電極314，在電路板的另一面提供信號處 理IC (未示出)，經(jīng)由電路板上的布線和過孔將像素電極311和導(dǎo)向電極314連接至信號處 理ICo信號處理IC包含像素單元中的晶體管Q21-24和儲存電容Cl。 像素電極311和導(dǎo)向電極314可以由相同或不同的金屬層形成。通常，二者位于 同一平面上并由相同的金屬層形成。圖9b示出了上述像素電極的變型，其中網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極314的每個網(wǎng)格狀包括 至少兩個像素電極311。應(yīng)當(dāng)注意，像素電極311的形狀不限于矩形，還可以是圓形、菱形、六邊形等。圖7至9所示的電極結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)為圖Ia所示的CMOS像素陣列2、圖Ib所示的 TFT像素陣列3以及圖Ic所示的電路板中任一實例中的像素電極。進(jìn)一步地，由此構(gòu)成的 探測器可以用于圖2a所示的平面成像的數(shù)字成像裝置以及圖2b所示的線性掃描的數(shù)字成 像裝置中的任一實例。已經(jīng)知道，大面積的平板探測器存在著嚴(yán)重的表面漏電流。在本實用新型的探測 器中，采用了包圍每一個像素電極311的網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極314，可以有效地收集探測器表 面的漏電流，減小漏電流對像素電極311的影響，降低探測器的噪聲。優(yōu)選地，導(dǎo)向電極314的電位與像素電極311的電位略有不同(收集電子時導(dǎo) 向電極314的電位略低于像素電極311，收集空穴時導(dǎo)向電極314的電位略高于像素電極 311)，從而在導(dǎo)向電極314與像素電極311之間存在弱電場。導(dǎo)向電極314能夠有效地防 止電荷在像素之間沒有電極的空白地帶堆積，并進(jìn)而防止堆積的電荷產(chǎn)生的電場削弱外加 的電荷收集電場強(qiáng)度，減少探測器的死區(qū)，以及減輕探測器的極化效應(yīng)。更優(yōu)選地，向?qū)螂姌O314施加的偏置電位為每一個像素區(qū)域提供了成形電場， 進(jìn)一步提高電荷的收集效率。通過改變像素電極和導(dǎo)向電極的形狀，可以獲得理想形狀的 成形電場。例如，像素電極的形狀可以選自圓形、橢圓形、多邊形中的任意一種。優(yōu)選地，像 素電極的形狀為方形。網(wǎng)格狀導(dǎo)電電極的網(wǎng)格形狀與像素電極的形狀大致相同。在上文中已描述了若干實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，在不偏離本實用新型的權(quán)利要求 的精神的情況下，可以使用各種不同的變型、替代的結(jié)構(gòu)以及等同物。因此， 上面的描述不應(yīng)用來限制本實用新型的范圍。
權(quán)利要求1.一種輻射探測器，其特征是所述輻射探測器包括輻射敏感薄膜、位于輻射敏感薄 膜上的頂部電極、以及與輻射敏感薄膜電耦合的像素單元的陣列，其中每一個像素單元包 括；像素電極，用于收集輻射敏感薄膜的一個像素區(qū)域中的電荷信號；儲存電容，與像素電極連接，用于儲存像素電極所收集的電荷信號；復(fù)位晶體管，與像素電極連接，用于清空儲存電容中的電荷；緩沖晶體管，與像素電極連接，用于將像素電極上的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并傳送 到信號線上；列選通晶體管，用于選擇預(yù)定列的像素電極；以及行選通晶體管，用于選擇預(yù)定行的像素電極，其中，列選通晶體管和行選通晶體管串聯(lián)連接在緩沖晶體管和信號線之間，并響應(yīng)列 選通信號和行選通信號傳送相應(yīng)的像素單元的電壓信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是所述輻射敏感薄膜由選自碘化汞、碘 化鉛、碲鋅鎘、碲化鎘、砷化鎵、溴化鉈、磷化銦、硒化鎘、硫化鎘、砷化銦、硫化鉛、銻化銦、碲 化鉛、硒化汞構(gòu)成的組中的一種材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是所述輻射敏感薄膜是圖案化的，包括 與每一個像素電極相對應(yīng)的像素區(qū)域，并且像素區(qū)域彼此電絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是所述復(fù)位晶體管響應(yīng)復(fù)位信號而將 像素電極連接到固定的初始電平上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是所述緩沖晶體管的柵極與像素電極 連接，漏極與固定的偏置電平連接，以及源極與列選通晶體管連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是輻射探測器由集成有輻射敏感薄膜 的單片CMOS集成電路構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是輻射探測器由集成有輻射敏感薄膜 的單片TFT集成電路構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是輻射敏感薄膜和像素電極位于電路 板的一面上，儲存電容、復(fù)位晶體管、緩沖晶體管、列選通晶體管和行選通晶體管的至少一 部分集成在集成電路中，并且所述集成電路安裝在電路板的另一面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是像素電極的形狀選自圓形、橢圓形、 多邊形中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的輻射探測器，其特征是所述輻射探測器還包 括圍繞至少一個像素電極的網(wǎng)格狀的導(dǎo)向電極，其中像素電極與導(dǎo)向電極彼此電絕緣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射探測器，其特征是網(wǎng)格狀導(dǎo)電電極的網(wǎng)格形狀與像 素電極的形狀相同。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是所述輻射探測器進(jìn)一步包括包圍輻 射敏感薄膜和頂部電極的保護(hù)層、以及包圍保護(hù)層的外殼。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的輻射探測器，其特征是所述輻射探測器進(jìn)一步包括位于 輻射敏感薄膜和像素單元的陣列之間的第一中間保護(hù)層以及位于輻射敏感薄膜和頂部電 極之間的第二中間保護(hù)層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器，其特征是采用真空物理氣相沉積、濺射、噴 涂、熱壓、絲印，在像素單元的陣列上覆蓋輻射敏感薄膜。
專利摘要本申請公開了一種輻射探測器及其成像裝置和電極結(jié)構(gòu)。該輻射探測器包括輻射敏感薄膜、位于輻射敏感薄膜上的頂部電極、以及與輻射敏感薄膜電耦合的像素單元的陣列，其中每一個像素單元包括；像素電極，用于收集輻射敏感薄膜的一個像素區(qū)域中的電荷信號；儲存電容，用于儲存像素電極所收集的電荷信號；復(fù)位晶體管，用于清空儲存電容中的電荷；緩沖晶體管，用于將像素電極上的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并傳送到信號線上；列選通晶體管以及行選通晶體管，其中，列選通晶體管和行選通晶體管串聯(lián)連接在緩沖晶體管和信號線之間，并響應(yīng)列選通信號和行選通信號傳送相應(yīng)的像素單元的電壓信號。該輻射探測器可用于例如X射線數(shù)字成像。
文檔編號A61B6/03GK201852941SQ20102053698
公開日2011年6月1日 申請日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者吳萬龍, 張嵐, 李元景, 趙自然, 鄧智, 鄭曉翠, 陳志強(qiáng) 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司