專利名稱：X射線探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在醫(yī)學儀器中使用的X射線探測器、一種包括探測器的X射線系統(tǒng)和一種用于使用探測器的方法。
背景技術：
基于CMOS的X射線成像系統(tǒng)常常基于有源像素傳感器的陣列。在醫(yī)學儀器中，要求利用施加到患者身上的所有X輻射。因而存在不忽略源自X輻射的任何信號的需求。因此，需要在每個像素單元內選擇各種增益設置的手段。

發(fā)明內容
從常規(guī)有源像素單元開始，可以例如通過向信號收集節(jié)點添加電容器來進行增益選擇。信號收集節(jié)點通常是用于間接轉換探測器的光電二極管或用于直接轉換探測器的電荷收集接觸器。在基于CMOS的X射線探測器中像素傳感器的關鍵問題是它們遭受激活的增益開關和傳輸門中的泄露的影響。本發(fā)明提出利用低占空比和高頻率脈沖串驅動增益開關或傳輸門。本發(fā)明創(chuàng)造性的驅動方案降低了激活(開啟)時間并且因此降低了開關的漏電流貢獻。開關的高頻激活仍然允許在最小的節(jié)點進入飽和狀態(tài)之前使電荷從最小的電容器傳輸至較大的電容器。通過這種方式，能夠同時獲得低泄露和高飽和電荷。保持低噪聲和高動態(tài)范圍。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于在醫(yī)學儀器中使用的X射線探測器，其中，該探測器包括轉換單元，用于將X射線輻射轉換為電荷，第一電容器，用于由電荷進行充電，其中，所述第一電容器電連接到所述轉換單元，第二電容器，用于由電荷進行充電，以及第一增益開關門，其中，如果所述第一增益開關門處于通態(tài)，所述第二電容器與所述轉換單元電連接，其中，所述探測器適于開啟所述第一增益開關門持續(xù)短時段。所述增益開關門，例如晶體管，在所述門被關閉的情況下沒有漏電流。僅在所述門被開啟的情況下存在漏電流。因此，本發(fā)明的一方面是要盡可能地降低通態(tài)期(phase)。例如可以在持續(xù)時間方面降低通態(tài)期或者可以將通態(tài)期分成導通脈沖而非通態(tài)的持續(xù)導通期。根據(jù)第二方面，提供了一種包括根據(jù)權利要求1到10中的一項所述的創(chuàng)造性探測器的X射線系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)適于增益選擇，其中，所述探測器適于開啟第一增益開關門持續(xù)短時段。根據(jù)第三方面，提供了一種用于使用根據(jù)權利要求1到10中的一項所述的創(chuàng)造性探測器的方法，其中，開啟所述第一增益開關門僅持續(xù)短時段，用于第一電容器和第二電容器之間重新分布電荷。在從屬權利要求中整合了其他實施例。根據(jù)示范性實施例，提供了一種探測器，其中，第一電容器是轉換單元的固有電容
ο通常，所述轉換單元是光電二極管。因為光電二極管的內部布置，因此這種光電二極管具有電容。借助于這種固有電容器，可以積聚由光電二極管生成的電荷。根據(jù)示范性實施例，提供了一種探測器，其中，轉換單元包括用于將X射線輻射轉換為電荷的光電二極管。根據(jù)另一示范性實施例，提供了一種探測器，其中，轉換單元包括用于將X射線輻射轉換為另一種輻射的閃射體、用于將所述另一種輻射轉換為電荷的光電二極管。 使用大面積的X射線轉換器和包括像素矩陣的電子探測系統(tǒng)構建平板X射線探測器。在所謂的間接轉換探測器中，閃爍體將入射的X輻射轉換為不同波長的輻射，其通常處在可見譜中或附近。然后，通過光電二極管將這一不同波長的信號轉換為電信號/電荷。讀出在矩陣的每個像素中收集到的電信號/電荷以形成圖像。在所謂的直接轉換探測器中，通過光電導體將入射的X輻射直接轉換為電子_空穴對。所得到的電荷通過電荷收集電極收集并形成電信號/電荷。讀出在矩陣的每個像素中收集到的電信號/電荷以形成圖像。根據(jù)另一示范性實施例，提供了一種探測器，其中，轉換單元包括用于將X射線輻射轉換為電荷的光電導體、以及用于收集電荷的電荷收集電極。根據(jù)示范性實施例，提供了一種探測器，其中，第一增益開關門是增益開關晶體管。通常，所述門是晶體管，例如NPN/PNP (雙極)晶體管或場效應晶體管(例如MOS場效應晶體管)。根據(jù)示范性實施例，提供了一種探測器，其中，所述探測器適于在第一電容器的電荷已經達到限定的閾值時開啟第一增益開關門?？梢葬槍﹄姾傻牧空{整對增益開關門的控制，所述電荷的量是由用于存儲所生成的電荷的電容器積聚的。在達到限定的閾值的情況下，可以開啟所述增益開關門?？梢躁P于達到電荷的(較低的)第二閾值切換所述增益開關門。根據(jù)另一示范性實施例，提供了一種探測器，其中，所述探測器適于在第一電容器飽和時開啟第一增益開關門。開啟增益開關門的最晚時間可以認為是電容器再也不能夠存儲其他電荷的時間點。在這種情況下，必須開啟增益開關門，以便避免過流以及電荷的損失。根據(jù)另一示范性實施例，提供了一種探測器，其中，所述探測器適于以短脈沖開啟
第一增益開關門。根據(jù)另一示范性實施例，提供了一種探測器，其中，所述探測器包括用于由電荷進行充電的至少第三電容器，以及至少第二增益開關門，其中，在至少第二增益開關門處于通態(tài)時，至少第三電容器經由第二電容器與所述轉換單元電連接。只要必要可以重復對用于積聚電荷的附加電容器和使附加電容器與光電二極管連接的對應的增益開關門的布置的原理?？梢詫⒈景l(fā)明的一方面視為通過在積分時間期間僅多次短時間激活增益開關晶體管或電荷傳輸門來降低收集到的漏電流的量。這樣，即使在低靈敏度設置時也可以維持像素的低散粒噪聲和高動態(tài)范圍。應當注意到，還可以對以上特征進行組合。雖然未詳細明確地描述，但以上特征的組合還可以導致協(xié)同效應。本發(fā)明的這些方面和其他方面將從下文描述的實施例變得明顯并參考這些實施例進行闡述。


下文將參考以下附圖描述本發(fā)明的示范性實施例。
圖1示出了像素傳感器陣列；
圖2示出了單個像素傳感器；
圖3示出了具有用于改變靈敏度的模塊的單個像素傳感器；
圖4描繪了不同的特征；
圖5描繪了不同的特征；
圖6描繪了不同的特征；
圖7描繪了不同的特征；
圖8示出了具有用于改變靈敏度的擴展模塊的單個像素傳感器。
附圖標記列表
101用于控制讀出開關的模塊；
102放大器；
103像素傳感器；
104像素傳感器陣列；
105讀出開關；
106放大器；
107用于控制讀出開關的模塊；
108光電二極管；
109放大器的輸入；
110控制線；
201像素傳感器；
202放大器的輸入；
203控制線；
204讀出開關；
205放大器；
206復位開關；
207光電二極管；
208電容器；
209控制線；
301像素傳感器；302放大器的輸入；303控制線；304控制線；305復位開關；306放大器；307讀出開關；308光電二極管；309電容器；310增益開關門；311電容器；312控制線；401復位信號；402曝光窗口 ；403光電二極管上電壓的特征；404讀出開關的通態(tài)的時間段的結束；405讀出開關的通態(tài)的時間段的結束；406增益開關門的通態(tài)的時間段；407讀出開關的控制電壓的特征；408脈沖的上升沿；501復位信號；502曝光窗口 ；503光電二極管上的電壓的特征；
504讀出開關的通態(tài)的時間段的結束；505讀出開關的通態(tài)的時間段的結束；506增益開關門的通態(tài)的時間段；507讀出開關的控制電壓的特征；508脈沖的上升沿；601復位信號；
602曝光窗口 ；603光電二極管上的電壓的特征；604讀出開關的通態(tài)的時間段的結束；605讀出開關的通態(tài)的時間段的結束；606增益開關門的通態(tài)的時間段；607讀出開關的控制電壓的特征；608脈沖的上述沿；701復位信號；702曝光窗口 ；703光電二極管上的電壓的特征；
704讀出開關的通態(tài)的時間段的結束
705讀出開關的通態(tài)的時間段的結束
706增益開關門的通態(tài)的時間段；
707讀出開關的控制電壓的特征；
708脈沖的上升沿；
801像素傳感器；
802放大器的輸入；
803控制線；
804控制線；
805控制線；
806復位開關；
807放大器；
808讀出開關；
809光電二極管；
810電容器；
811電容器；
812電容器；
813增益開關門；
814增益開關門；
815控制線。
具體實施例方式增益開關晶體管在被關斷時，即處于高靈敏度設置時，通常具有非常低的漏電流。 在這種情況下，電荷收集節(jié)點在積分時間期間僅具有輕微的下降。當開啟增益開關以設置較低的靈敏度時，電荷從激活的增益開關漏入地中。電荷收集節(jié)點由于漏電荷在積分時間期間展現(xiàn)出大的下降。這與光電二極管中的暗電流具有相同的有害效應，即由于收集到的電荷增大了噪聲并降低了動態(tài)范圍。特別是對于長的積分時間而言，來自所提及的漏電流的噪聲會變成像素中的主要噪聲原。如果晶體管被用作電荷傳輸門也存在同樣的問題。圖1描繪了像素傳感器陣列104。模塊101、107適于通過控制線110控制一排像素傳感器，以便讀取這些像素傳感器103的信號。所選擇的信號將通過線109被傳送到放大器102。像素傳感器包括光電二極管108、放大器106和讀出開關105。所述信號例如可以是電荷、電壓或電流。圖2詳細描繪了像素傳感器201，其中，光電二極管207由于X射線輻射的作用而生成電荷。這一電荷將由電容器208存儲。復位開關206適于針對電荷的量設置起始點。 放大器205放大所述信號用于讀出。讀出開關204提供引導信號到達放大器的輸入202的可能性，其中，讀出開關204借助控制線209進行控制。圖3描繪了具有用于改變靈敏度(增益選擇)的模塊的像素傳感器301，其中，光電二極管308將X射線輻射轉換為電荷，還經由電容器309使所述電荷成為電壓信號。這一電壓可以由放大器探測?？梢越柚糯笃?06和讀出開關307將所述信號傳送到與放大器的輸入302的連接處。復位晶體管305對于在曝光前使電容器309和光電二極管308復位成初始化條件而言是必要的。讀出開關307由控制線312控制。在存在讀出開關307的通態(tài)期的情況下，光電二極管308的電壓信號將從電容器309傳送至放大器的輸入302。在增益開關門310處于通態(tài)期的情況下，可以借助電容器309和電容器311積聚所生成的電荷。在這種狀況下的像素傳感器301比增益開關門310處于關態(tài)時具有更小的靈敏度。增益開關門310可以由控制線303控制。門305由控制線304控制。以下附圖4、5、6和7描繪了在參數(shù)時間期間的曲線。圖4示出了用于控制晶體管的控制線的電壓特征401，用于將電容器設置在起始水平。曲線402是曝光窗口的開啟特征(on-characteristic)。曲線403示出了由于電荷在電容器309上的電壓的發(fā)展，所述電荷由光電二極管生成并且由于漏電流而減少。由于僅有最小的泄露，直到時間點405電荷相對恒定。在直到405的第一時間段期間，增益開關門僅在復位時段開啟以使電容器309和311兩者復位(參見曲線406)。第二曝光和讀出被描繪為從控制線401上的第二脈沖的上升沿408開始。從這一時間點408直到404，所述增益開關門被開啟持續(xù)長時段(參見曲線406)。由于這一長的通態(tài)期，存在相當大程度上的漏電流(參見曲線403)。曲線407描繪了讀出開關的電壓的發(fā)展。圖5再次示出了圖3的復位開關305的電壓特征501。此外，其示出了曝光窗口 502的曲線。特征503描繪了由于來自光電二極管和漏電流的電荷在電容器309上的電壓的發(fā)展。在直到時間點505的第一期，因為圖3的增益開關門310僅在復位期期間開啟(參見曲線501、506)，并且因此漏電流低，所以電壓相對恒定。在這一第一時段，與圖4不存在不同。第二曝光和讀出被描繪為從控制線501上的第二脈沖的上升沿508開始。在從508 直到504的第二時間段期間，增益開關門電路將僅被開啟持續(xù)短的時間段(參見曲線506)。 在與第一時間段(直到505)的比較中，存在顯著的電荷損失，但與圖4中描繪的狀況的對應時間段(時間點408直到時間點404)相比較，由于僅短時段的漏電流，因此在電壓中存在明顯較小的下降。因此，通過控制增益開關門僅持續(xù)短時段，可以相當大程度地降低漏電流的影響。曲線507描繪了讀出開關的通態(tài)/關態(tài)期。在增益開關門的截止時段期間，不存在通態(tài)的泄露。僅在短時間內存在由于增益開關門造成的泄露電流。因此與常規(guī)操作模式相比，在完整的積分時段中漏電荷的量明顯降低。在增益開關門的關態(tài)期間，源自X射線照射的電荷僅由圖3的電容器309收集。 在增益開關門的通態(tài)期間，在圖3的電容器309和圖3的電容器311之間重新分布電荷。 因此，其本質是增益開關門常常在積分時段期間被充分激活以避免電容器309的過流(飽和)。在過流的情況下，將丟失電荷并將導致非線性。在恒定X射線信號的情況下，至少每當最大電容與最小電容的比率要求時，需要激活增益開關門。推薦更大數(shù)量的激活時段從而還覆蓋其中X輻射在積分時間期間變化的情況。電荷傳輸門的通態(tài)期也導致漏電流，這減少了電荷。圖6示出了對圖3的復位開關305的控制的電壓特征601。借助在參數(shù)時間期間的曲線602描繪了曝光窗口的特征。曲線603示出了由于光電二極管和增益開關門隨時間泄漏所生成的電荷在圖3的電容器309上的電壓變化。如果與圖4和5進行比較，直到時間點604不存在不同。第二曝光和讀出被描繪為從控制線601上的第二脈沖的上升沿608開始。從這一第二復位608到605的時間段期間，開啟圖3的增益開關門310，但增益開關門并不處于飽和期。由于這一原因泄漏非常顯著，這可以借助曲線603來識別這一情況。曲線607描繪了讀出開關的控制電壓的電壓的發(fā)展。圖7描繪了曲線701，其表示圖3的復位開關305的控制電壓。曲線702示出了曝光窗口。同樣地，特征703的第一期(直到704的時間段)與先前的圖4、5和6相同。在第二時間段期間，增益開關門的通態(tài)僅持續(xù)短時間段(706)。因此，在這一時間段期間的電荷損失與圖6的同一時間段相比較明顯小。曲線707示出了讀出開關的開啟/關態(tài)期。圖6示出了采集高靈敏度圖像和低靈敏度圖像的常規(guī)方式，圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的對電荷傳輸門的驅動。這兩幅附圖的前半部分示出了單個、高增益讀出，右半部分示出了直接緊隨低增益圖像的第一高增益圖像的雙讀出。圖8描繪了像素傳感器801，其中，將借助于電容器810存儲光電二極管809所生成的電荷。在增益開關門813處于通態(tài)的情況下，電荷存儲在電容器810和811中。在第三狀況下增益開關門813、814兩者都處于通態(tài)，在這種情況下，可以由三個電容器810、811、 812存儲所生成的電荷。只要必要，可以擴展這一原理性布置(附加的電容器，其可以利用附加的增益開關門連接到光電二極管)。在應用所有三個電容器810、811、812的情況下， 相對于晶體管814和/或晶體管813處于關態(tài)的狀況降低了像素傳感器的靈敏度。增益開關門813由控制線804控制，增益開關門814由控制線803控制?？刂凭€805控制復位開關806的開啟/關態(tài)，復位開關806使像素傳感器進入已知的初始狀態(tài)。晶體管807對于放大像素傳感器801的信號而言是必須的。讀出開關808由控制線815控制。本發(fā)明能夠擴展到覆蓋一個以上的增益設置。至少每當最大電容與最小電容的比率要求時，需要激活增益開關門或電荷傳輸門。對應于最大電容與下一電容的比率等，可以時常激活下一開關/門，或者可以應用降低的頻率。來自激活或去激活增益開關門的開關噪聲(kTC)將消除，因為在開關的關斷期間在電容器內沉積的噪聲電荷將在下一導通時段中被平均。因此，通過本發(fā)明信號與kTC噪聲的比率不受消極因素影響。本發(fā)明的原理可以與有源像素醫(yī)學X射線探測器、用于非破壞性測試的探測器和光學成像傳感器一起使用。本申請尤其應用于基于CMOS的用于心臟病學和乳房X射線照相術的X射線探測器。應當認識到，“包括” 一詞并不排除其他要素或步驟，而“一”或“一個”并不排除多個。還可以組合參考不同實施例所描述的各元件。應當認識到，權利要求中的附圖標記不應當解釋為限制權利要求的范圍。
權利要求
1.一種用于在醫(yī)學儀器中使用的X射線探測器，其中，所述探測器包括 轉換單元，用于將X射線輻射轉換為電荷，第一電容器(309)，用于由電荷進行充電，其中，所述第一電容器(309)電連接到所述轉換單元，第二電容器(311)，用于由電荷進行充電，以及第一增益開關門，其中，在所述第一增益開關門處于通態(tài)時，所述第二電容器(311)與所述轉換單元電連接，其中，所述探測器適于開啟所述第一增益開關門持續(xù)短時段。
2.如權利要求1所述的探測器，其中，所述第一電容器(309)是所述轉換單元的固有電容器。
3.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述轉換單元包括 光電二極管(308)，用于將X射線輻射轉換為電荷。
4.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述轉換單元包括 閃爍體，用于將X射線輻射轉換為另一種輻射，光電二極管，用于將所述另一種輻射轉換為電荷。
5.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述轉換單元包括 光電導體，用于將X射線輻射轉換為電荷，電荷收集電極，用于收集所述電荷。
6.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述第一增益開關門是增益開關晶體管(310)。
7.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述探測器適于在所述第一電容器(309)的電荷已經達到限定的閾值時開啟所述第一增益開關門。
8.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述探測器適于在所述第一電容器(309)飽和時開啟所述第一增益開關門。
9.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述探測器適于以短脈沖開啟所述第一增益開關門。
10.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述探測器包括 至少第三電容器(812)，用于由電荷進行充電，以及至少第二增益開關門，其中，在所述至少第二增益開關門處于通態(tài)時所述至少第三電容器(812)與所述轉換單元電連接。
11.一種X射線系統(tǒng)，包括根據(jù)前述權利要求中的一項所述的探測器，其中，所述系統(tǒng)適于增益選擇，其中，所述探測器適于開啟所述第一增益開關門持續(xù)短時段。
12.一種用于使用根據(jù)權利要求1到10中的一項所述的探測器的方法，其中，開啟所述第一增益開關門僅持續(xù)短時段，用于在所述第一電容器和所述第二電容器之間重新分布電荷。
全文摘要
本申請描述了一種用于在醫(yī)學儀器中使用的X射線探測器，其中，所述探測器包括轉換單元，用于將X射線輻射轉換為電荷；第一電容器，用于由電荷進行充電，其中，所述第一電容器電連接到所述轉換單元；第二電容器，用于由電荷進行充電；以及第一增益開關門，其中，在所述第一增益開關門處于通態(tài)時，所述第二電容器與所述轉換單元電連接，其中，所述探測器適于開啟所述第一增益開關門持續(xù)短時段。本申請還描述了一種X射線系統(tǒng)，其包括根據(jù)本發(fā)明的探測器，其中，所述系統(tǒng)適于增益選擇，其中，所述探測器適于開啟所述第一增益開關門持續(xù)短時段。此外，本申請描述了一種用于使用根據(jù)本發(fā)明創(chuàng)造性原理的探測器的方法，其中，所述第一增益開關門被開啟僅持續(xù)短時段，用于在所述第一電容器和所述第二電容器之間重新分布電荷。
文檔編號G01T1/24GK102224433SQ200980146695
公開日2011年10月19日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權日2008年11月24日
發(fā)明者O·維施胡森, R·基維特, W·呂騰 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司