一種用于直接探測x射線的大面積cmos圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，包括PCB板和若干圖像傳感器芯片；所述圖像傳感器芯片，包括P型半導(dǎo)體硅襯底，所述P型半導(dǎo)體硅襯底上設(shè)置有像元、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路；所述圖像傳感器芯片呈陣列的方式分布于PCB板上，且相鄰圖像傳感器芯片的邊緣處對應(yīng)位置的像元之間的間距為同一圖像傳感器芯片上相鄰兩像元間距的1倍或1.5倍。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，制作方便，能夠進行大面積的X射線探測。
【專利說明】一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]常規(guī)的高精度X射線數(shù)字化成像技術(shù)中，由于輻射損害、傳感器信號飽和，以及二極管的自身光譜響應(yīng)范圍問題，通常需要采用CsI (Tl)閃爍體或Gd2O2S增感屏將X射線轉(zhuǎn)換為可見綠光或藍光，然后通過光纖或者透鏡系統(tǒng)，經(jīng)普通的CCD或者CMOS圖像傳感器將該熒光信號變換為電信號。而入射的X射線經(jīng)過閃爍體或增感屏轉(zhuǎn)換后得到的光會產(chǎn)生擴散，由此限制了該種成像方式的空間分辨率；閃爍體或增感屏的不均勻以及閃爍體或增感屏與成像器件之間相互耦合的不均勻，也將影響輸出信號的質(zhì)量。另外有的閃爍體材料(比如CsI (Tl))本身是有毒性的，這也提高了加工和使用要求，限制了其使用場合。不需要中間轉(zhuǎn)換層而直接對X射線進行探測的探測器有非晶硒(a-Se)、薄膜半導(dǎo)體陣列TFT、PbO、多晶(MTe、PbI2等，但是這類探測器存在制作工藝特殊、造價相對聞、像兀中心距大等問題。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝單片集成式有源像素傳感器由于在像素級就將電荷信號轉(zhuǎn)換成了電壓/電流信號，相較于CCD具有更強的耐輻射能力，可以工作在相對高的輻射環(huán)境中；另外其工藝特點允許將信號處理電路(比如放大、校正、數(shù)字化等)集成在片上，彌補其電荷收集效率低的缺點。此外，CMOS工藝由于是商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝，具有成本低廉的優(yōu)勢。
[0004]但是受制作工藝限制，采用CMOS工藝制作的直接探測X射線(或其他射線，如Y射線)的圖像傳感器一般尺寸為數(shù)個厘米，即使利用整個晶圓片，也難以達到如胸透等應(yīng)用場合對大尺寸射線圖像傳感器的要求，而X射線又不能象可見光那樣利用透鏡會聚成像，因此需要對傳感器進行拼接以滿足對大尺寸物體(比如人體器官)高精度成像的需求。目前圖像傳感器的拼接可以利用硅通孔技術(shù)(TSV)或者將圖像傳感器固定至陶瓷基底的拼接方法。TSV技術(shù)用于3D立體工藝中，利用該技術(shù)可以將傳感器光敏元制作在最頂部，然后在光敏元芯片的下方連接讀出電路芯片，最后再將讀出電路芯片連至PCB板；但是TSV技術(shù)成本很高，在拼接過程中要求事先對芯片(或晶圓片)進行減薄，將芯片減薄到甚至幾十個微米厚度。將待拼接圖像傳感器芯片固定到一個基底的方法只能在芯片的三個邊上進行拼接(需留出一邊做壓焊)，做成2XN的拼接陣列，經(jīng)過陶瓷管座將圖像傳感器連至PCB板。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的就在于提供一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，制作方便，能夠進行大面積的X射線探測。[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的:一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，其特征在于:包括PCB板和若干圖像傳感器芯片；所述圖像傳感器芯片，包括P型半導(dǎo)體硅襯底，所述P型半導(dǎo)體硅襯底上設(shè)置有像元、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路；所述像元為若干，并呈陣列的方式均勻分布于P型半導(dǎo)體硅襯底上，其包括N阱和像元電路，所述像元電路、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路均為由N型MOS晶體管構(gòu)成的NMOS電路；在時序產(chǎn)生電路和緩沖輸出電路上加工有數(shù)個壓焊點，所述PCB板上集成有連接電路，在PCB板上的連接電路上也設(shè)置有若干壓焊點，所述圖像傳感器芯片上的壓焊點與PCB板上的壓焊點通過熱融合的方式連接在一起，并且圖像傳感器芯片通過PCB板上的連接電路進行供電、控制信號輸入、相互連接以及圖像信號傳輸；所述圖像傳感器芯片呈陣列的方式分布于PCB板上，且相鄰圖像傳感器芯片的邊緣處對應(yīng)位置的像元之間的間距為同一圖像傳感器芯片上相鄰兩像元間距的I倍或1.5倍。
[0008]進一步地，靠近P型半導(dǎo)體硅襯底邊緣的一圈像元包括多個N阱。
[0009]進一步地，所述時序產(chǎn)生電路、列信號處理電路和緩沖輸出電路布置于P型半導(dǎo)體硅襯底上像元陣列的中部。
[0010]進一步地，圖像傳感器芯片上的壓焊點采用真空淀積的方式淀積金，然后在金表面涂覆焊錫。
[0011]進一步地，圖像傳感器芯片的電源輸入端和時鐘信號輸入端分別通過PCB板上的連接電路直接連接在一起，使所有圖像傳感器芯片共用電源VDD和時鐘CLK ;圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS和尋址起始信號端S通過PCB板上的連接電路依次相連，其中，上一級圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS與下一級圖像傳感器芯片的尋址起始信號端S相連，第一級圖像傳感器芯片的尋址起始信號端S與PCB板上的尋址信號輸入端相連，最后一級圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS連至PCB板，作為拼接陣列掃描結(jié)束信號輸出以供觀測；所有圖像傳感器芯片的視頻線輸出端Vo通過多路開關(guān)相連接在一起以進行輸出。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:結(jié)構(gòu)簡單，采用該拼接的方式，圖像傳感器芯片可以進行四周擴散拼接，從而使圖像傳感器芯片形成MXN的陣列形式(M、N均大于等于2)，從而能夠進行大面積的X射線探測，并且采用該方式，制作方便，成本更加低廉。
[0013]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的剖視圖；
圖2為本發(fā)明的電學(xué)連接圖；
圖3為圖像傳感器芯片的像元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為全NMOS管移位寄存器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為大面積拼接電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖1、圖3中:I—PCB板，2—圖像傳感器芯片，3—焊錫，4一壓焊點，5—N阱，6—P型半導(dǎo)體硅襯底，7—柵氧，8—場氧。
[0016]圖2中:傳感器1、傳感器2......傳感器6為圖像傳感器芯片。[0017]圖5中:傳感器11、傳感器12......傳感器66為圖像傳感器芯片。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0020]實施例:參見圖1至圖5，一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，包括PCB板I和若干圖像傳感器芯片2 ;所述圖像傳感器芯片2，包括P型半導(dǎo)體硅襯底6，所述P型半導(dǎo)體硅襯底6上均勻設(shè)置有像元、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路；制作時，可以對P型半導(dǎo)體硅襯底6進行減薄處理以減小其對射線的吸收。所述像元為若干，并呈陣列(矩陣)的方式均勻分布于P型半導(dǎo)體硅6襯底上，其包括N阱5和像元電路，所述像元電路包括源隨管、復(fù)位開關(guān)管和行選開關(guān)管等。射線從圖像傳感器背面入射到傳感器上時，在硅襯底中沿射線穿過的軌跡將激發(fā)出電子-空穴對，對N阱施加正電壓，利用N阱收集被射線激發(fā)出來的電荷。X射線對N阱電荷收集結(jié)構(gòu)的輻射效應(yīng)主要體現(xiàn)為漏電流的增大，其漏電流增大的原因是對N阱進行隔離的場氧8較柵氧7具有更多的缺陷，更容易捕獲電荷從而導(dǎo)致電荷的堆積，因此在N阱的邊緣利用多晶硅層形成較薄的柵氧7，以減少捕獲的電荷。但是柵氧的引入，會在柵氧和場氧的交界處形成寄生的邊緣N型場效應(yīng)晶體管，該寄生場效應(yīng)晶體管在射線環(huán)境中同樣具有閾值電壓漂移特性，這樣在寄生晶體管的柵極電壓為OV的時候，也可能會有源漏電流，對此可以采用P+保護環(huán)加以克服。
[0021]所述像元電路、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路均為由N型MOS晶體管構(gòu)成的NMOS電路；在時序產(chǎn)生電路(輸入/輸出信號端)和緩沖輸出電路(輸出信號端)加工有數(shù)個壓焊點4，該壓焊點采用真空淀積的方式淀積金，然后在金表面涂覆焊錫3。所述PCB板I上集成有連接電路，在PCB板I上的連接電路上(相應(yīng)位置)也設(shè)置有若干壓焊點4，所述圖像傳感器芯片2上的壓焊點4與PCB板I上的壓焊點4通過熱融合的方式(如焊接)連接在一起，并由PCB板I及其壓焊點形成圖像傳感器芯片2的機械支撐，并且圖像傳感器芯片2通過PCB板I上的連接電路進行供電、控制信號輸入、相互連接以及圖像信號輸出。在PCB板上的焊點上也鍍上焊錫，以便于相互焊接；且具體實施時在PCB板上制作有定位孔或定位線以便圖像傳感器與之對準(zhǔn)。所述圖像傳感器芯片呈陣列(矩陣)的方式分布于PCB板上，圖像傳感器芯片形成MXN的陣列形式(M、N均大于等于2)。相鄰圖像傳感器芯片的邊緣處對應(yīng)位置的像元之間的間距為同一圖像傳感器芯片上相鄰兩像元間距的I倍或1.5倍，這樣便于采用軟件插值的方法對芯片拼接處進行缺失像元的填補。
[0022]由于N阱5收集的是射線在襯底中激發(fā)的電荷，靠近圖像傳感器芯片邊緣處的像元的邊界條件與內(nèi)部像元不一樣，故相同的條件下，邊界像元收集到的電荷會少一些，具體實施制作時，靠近P型半導(dǎo)體硅襯底邊緣的一圈像元包括多個N阱5，以增加收集到的電荷。所述圖像傳感器芯片上具有列信號處理電路和緩沖輸出電路，所述時序產(chǎn)生電路、列信號處理電路和緩沖輸出電路布置于P型半導(dǎo)體硅襯底上像元陣列的中部。由于制作P型MOS管會在器件中引入N阱，為了不影響N阱對激發(fā)電荷的收集，時序產(chǎn)生電路(或移位寄存器)、像元電路、列信號處理及緩沖輸出電路中的晶體管全為輻射加固的NMOS管，NMOS管的結(jié)構(gòu)可以采用圓形閉合柵輻射加固結(jié)構(gòu)，或者H型柵源漏全包或半包等結(jié)構(gòu)。圖3為動態(tài)移位寄存器采用全NMOS管實現(xiàn)的一個樣例，其中CP和CP/為兩非交疊時鐘，VDD為寄存器電路電源，S為移位脈沖起始信號(或者幀起始信號)，el和Θ2為該移位寄存器產(chǎn)生的選通脈沖信號。
[0023]圖像傳感器芯片2的電源輸入端和時鐘信號輸入端分別通過PCB板上的連接電路直接連接在一起，使所有圖像傳感器芯片共用電源VDD和時鐘CLK ;圖像傳感器芯片2的尋址結(jié)束信號端EOS和尋址起始信號端S通過PCB板上的連接電路依次相連，其中，上一級圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS與下一級圖像傳感器芯片的尋址起始信號端S相連，第一級圖像傳感器芯片的尋址起始信號端S與PCB板上的信號輸入端相連，最后一級圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS連至PCB板作為拼接陣列掃描結(jié)束信號以供觀測；所有圖像傳感器芯片的視頻線輸出端Vo通過多路開關(guān)相連接在一起(參見圖1)。如果拼接規(guī)模較大，對視頻輸出級的電路要求將會非常高，這時可以采用將待拼接的多個芯片分為不同組(參見圖5)，各小組內(nèi)按再進行級聯(lián)，各小組的輸出視頻信號經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲于存儲器RAM中，由尋址起始信號S啟動地址發(fā)生器對該存儲器進行尋址。所有的圖像傳感器芯片輸出的數(shù)據(jù)存儲到RAM中后再全部讀出顯示。
[0024]在進行探測時，開啟電源，輸入時鐘CLK信號，在時鐘信號CLK和幀起始信號S的控制下，時序產(chǎn)生電路輸出復(fù)位控制信號和行/列選通脈沖信號。復(fù)位控制信號到來后，將N阱端的電位拉到高電平；隨著射線激發(fā)出的電子不斷地在N阱上聚集，N阱電位逐漸下降；一定時間之后，將N阱處的電平信號在行選通脈沖控制下經(jīng)源隨器輸出到列信號處理電路，列信號處理電路對其進行進一步的放大和降噪，然后在列選通脈沖控制下經(jīng)緩沖輸出級輸出視頻圖像信號。當(dāng)圖像傳感器芯片上最后一個像元被選通輸出后，時序產(chǎn)生電路發(fā)出掃描結(jié)束信號E0S，該信號作為下一個圖像傳感器的幀起始信號，重復(fù)前述的X射線圖像信號傳感和輸出過程。
[0025]對于大規(guī)模拼接，如圖5，各圖像傳感器組并行進行上述過程，各組視頻信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存儲于RAM中，再全部一起讀出顯示。
[0026]最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，那些對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，其特征在于:包括PCB板和若干圖像傳感器芯片；所述圖像傳感器芯片，包括P型半導(dǎo)體硅襯底，所述P型半導(dǎo)體硅襯底上設(shè)置有像元、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路；所述像元為若干，并呈陣列的方式均勻分布于P型半導(dǎo)體硅襯底上，其包括N阱和像元電路，所述像元電路、時序產(chǎn)生電路、列信號處理以及緩沖輸出電路均為由N型MOS晶體管構(gòu)成的NMOS電路；在時序產(chǎn)生電路和緩沖輸出電路上加工有數(shù)個壓焊點，所述PCB板上集成有連接電路，在PCB板上的連接電路上也設(shè)置有若干壓焊點，所述圖像傳感器芯片上的壓焊點與PCB板上的壓焊點通過熱融合的方式連接在一起，并且圖像傳感器芯片通過PCB板上的連接電路進行供電、控制信號輸入、相互連接以及圖像信號傳輸；所述圖像傳感器芯片呈陣列的方式分布于PCB板上，且相鄰圖像傳感器芯片的邊緣處對應(yīng)位置的像元之間的間距為同一圖像傳感器芯片上相鄰兩像元間距的I倍或1.5倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，其特征在于:靠近P型半導(dǎo)體硅襯底邊緣的一圈像元包括多個N阱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，其特征在于:所述時序產(chǎn)生電路、列信號處理電路和緩沖輸出電路布置于P型半導(dǎo)體娃襯底上像元陣列的中部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，其特征在于:圖像傳感器芯片上的壓焊點采用真空淀積的方式淀積金，然后在金表面涂覆焊錫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接探測X射線的大面積CMOS圖像傳感器，其特征在于:圖像傳感器芯片的電源輸入端和時鐘信號輸入端分別通過PCB板上的連接電路直接連接在一起，使所有圖像傳感器芯片共用電源VDD和時鐘CLK ；圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS和尋址起始信號端S通過PCB板上的連接電路依次相連，其中，上一級圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS與下一級圖像傳感器芯片的尋址起始信號端S相連，第一級圖像傳感器芯片的尋址起始信號端S與PCB板上的尋址信號輸入端相連，最后一級圖像傳感器芯片的尋址結(jié)束信號端EOS連至PCB板，作為拼接陣列掃描結(jié)束信號輸出以供觀測；所有圖像傳感器芯片的視頻線輸出端Vo通過多路開關(guān)相連接在一起以進行輸出。
【文檔編號】H01L27/146GK103531601SQ201310506010
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】孟麗婭, 袁祥輝 申請人:重慶大學(xué)