數(shù)字x射線傳感器的制造方法
【專利摘要】一種X射線數(shù)字傳感器(100)，其中，經(jīng)配置用于接收光子(2)并將光子(2)轉(zhuǎn)換成電荷(14)的半導體轉(zhuǎn)換層(10)與半導體收集層(20)集成，所述半導體收集層(20)優(yōu)選是CMOS ASIC，并由優(yōu)選布置為六邊形蜂窩圖案的像素(22)形成，所述像素經(jīng)配置以接收來自轉(zhuǎn)換層(10)的電子(16)，并且其中每個收集像素(22)包括N個鑒別器(24i)，每個鑒別器經(jīng)配置用于執(zhí)行輸入電荷(14)和自身閾值(25i)之間的比較，并用于在輸入電荷(14)超過閾值時，執(zhí)行0和1之間的瞬時轉(zhuǎn)換，并且如果收集的電荷高于相應鑒別器(24i)中的閾值并低于緊接上部的鑒別器(24i+1)的閾值(25i+1)，則與每個鑒別器(24i)關聯(lián)的計數(shù)器(26i)分別保持不變或其自身計數(shù)增加1，而其他計數(shù)器經(jīng)配置用于保持它們自身的計數(shù)不變，以使計數(shù)器在鄰近閾值限定的N個相應的能量帶中測量光子(2)。提供一種校準裝置，其包括用于針對所有像素(22)同時致動的裝置并在每個像素(22)中包括用于每個鑒別器(24i)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC,28i)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置用于接收預定數(shù)量的位的組合并生成對應于位的組合的電流；供應裝置(206)，其用于將電流供應到每個像素(22)的放大裝置(203)；邏輯裝置(34)，其駐留在每個像素中并經(jīng)配置用于執(zhí)行迭代過程(80)以識別偏移校正過程，其中位的組合被生成并被轉(zhuǎn)移到DAC(28i)，其生成對應的試驗電流，所述電流通過供應裝置(206)供應到放大裝置(203)，邏輯裝置讀取計數(shù)器(26i)的計數(shù)，并在計數(shù)因試驗電流增加時，使得該過程重復，或者在計數(shù)未因試驗電流增加時，將后者作為校正電流存儲在像素(22)的存儲器單元(35)中。
【專利說明】數(shù)字X射線傳感器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于診斷和分析目的的數(shù)字X射線傳感器，其提供具有“光子計數(shù)”功能。

【背景技術】
[0002]現(xiàn)有數(shù)字X射線傳感器包括非晶態(tài)鍍層形成的轉(zhuǎn)換層(通常由非晶態(tài)硒或碘化構成)，和集成面板(即收集層)，其具有TFT像素結構(薄膜晶體管)。轉(zhuǎn)換層用作將已經(jīng)穿過照射樣本的X射線束的光子轉(zhuǎn)換成電荷。這可以直接或間接地發(fā)生，如分別在非晶態(tài)硒和碘化銫的情況下。X射線曝光期間因轉(zhuǎn)換得到的總電荷積聚在集成面板的像素中。
[0003]一旦已經(jīng)完成曝光，將讀取每個像素中積累的電荷量。更詳細地，提供的一種圖像采集電子設備包括布置在集成面板的邊界處的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將每個像素中積累的總電荷改變成電壓，即改變成與行進通過集成面板的每個像素處的樣本的總輻射成比例的數(shù)。這些數(shù)能夠被轉(zhuǎn)換成放射照相圖像，其中根據(jù)每個像素中積累的總輻射進行對比。
[0004]所謂的“光子計數(shù)”技術也是公知的，其中光子被逐一計數(shù)，并分級到多個通道中，因此獲得“薄膜級”分辨率，即與高分辨率放射照相板允許的分辨率兼容的分辨率。尤其，現(xiàn)有被稱為MediPix的混合型檢測器被提供具有用于執(zhí)行光子計數(shù)過程的ASIC。這些混合型檢測器包括與事件計數(shù)器關聯(lián)的鑒別器，其中事件計數(shù)器以圖像采集電子設備僅計數(shù)事件的方式(即光子采集落入預定能量窗口)使用。通過這種方式，獲得具有光譜特性的X射線成像技術。被稱為Medipix-3的更近的設備由于采用實時電荷共享校正而具有更精細的能量分辨率。Medipix3也包括多像素計數(shù)器，其能夠在不同的操作模式中使用。這允許連續(xù)檢測，并且能夠獲得高達8能量閾值。
[0005]在Medipix設備中，類似其他設備，由CMOS技術實現(xiàn)收集層，其這是一種低功耗技術(即大約幾瓦特)和低成本技術。對于該理由，CMOS技術是優(yōu)選的，尤其是，提供包括大量像素(例如，約16)的ASIC，因此其需要一種放射設備。
[0006]然而，如已知的，基于CMOS的設備本質(zhì)上是非校準設備。換句話說，包括這種類型的鑒別器/計數(shù)器的單元不能提供均相(homogeneous)計數(shù)響應。事實上,每個CMOS計數(shù)鏈具有其自身的偏移值，另外，其會依賴環(huán)境條件(諸如溫度)和其他操作條件。與具有離相同標稱值的閾值更遠的偏移的鑒別器關聯(lián)的計數(shù)器相比，和離與其關聯(lián)的閾值更近的偏移值的鑒別器關聯(lián)的計數(shù)器計數(shù)更多的事件。對于該理由，適于本發(fā)明的ASIC(其由CMOS技術實現(xiàn))能夠在同一像素內(nèi)并從一個像素到另一個像素引起非無均相響應。
[0007]現(xiàn)有技術的另一個顯著缺點是存在各種噪聲源。除量子噪聲(其不可避免的與X射線束的強度相關)外，總是存在一些附加噪聲電平，這取決于傳感器以及檢測電子設備，具體，其取決于用于放大電荷的裝置?？傊?，當電荷小于預定閾值時，量子和附加噪聲阻止收集像素檢測轉(zhuǎn)換層輸送的電荷。因此，認識到這種需要，即每個像素應該包含盡可能多的電荷，和/或噪聲應該基本上降低到量子水平，以使其在達到最小電荷量時每個像素都能夠工作。
[0008]根據(jù)上面所述，像素形成的數(shù)字傳感器必須執(zhí)行校正或校準，以便限制或避免由于傳感器自身或讀取電子設備(ASIC)所基于的技術產(chǎn)生的一些缺點。必須被校正的主要影響是:
[0009]一出現(xiàn)傳感器產(chǎn)生的“暗電流”，即在沒有任何外部照射和強收集器電場的情況下能夠檢測到的內(nèi)在電流。暗電流是除量子噪聲之外的附加噪聲的最重要組成中的一個；
[0010]一像素電子設備的輸入級(即預放大級)和增益級的輸出端處的直流電平偏移；
[0011]一鑒別器/計數(shù)器單元的輸入端處的直流電平偏移。
[0012]Sindre Mikkelsen等人1描述了一種放射照相成像傳感器,其包括X射線靈敏轉(zhuǎn)換層和64像素ASIC收集器，該64像素ASIC收集器提供有光子計數(shù)功能。ASIC的每個像素具有單個輸入端子，其通常連接到放射傳感器的電極。在一個示例中，其公開了校準功能，每個像素通過ASIC外部的軟件控制的切換器連接到通用校準節(jié)點，并且提供一種校準網(wǎng)絡(即調(diào)整裝置)，其使用戶能夠?qū)碜詡鞲衅飨袼氐暮副P的每個像素的輸入端子切換到校準節(jié)點。因此，該傳感器經(jīng)配置用于在軟件控制下執(zhí)行順序校準，即逐像素校準。在具有大量像素的矩陣的情況下，這種校準技術實際上不能使用，因為相比于，例如放射傳感器的要求，逐像素校準將需要太長校準時間，其中放射傳感器必須在預定時間內(nèi)執(zhí)行大量的放射會話。
[0013]Dinapoli等人2和Radicci等人3描述了一種類似的放射成像傳感器,其提供具有手動校準電路。該電路經(jīng)配置用于在測試模式下工作，其中已知量的電荷被供應到預定像素的放大器的輸入端。所選擇的像素的放大器的響應可用于由類似示波器的顯示設備顯示。具體地，一旦收集芯片已經(jīng)通過凸塊焊接技術連接到光子靈敏層，芯片的精確校準利用單色X射線源來執(zhí)行。而且，在這種情況下，校準被逐像素執(zhí)行。另外，校準必須由操作員手動執(zhí)行，并且因此，該技術不能容易地用于包括大量像素的矩陣。
[0014]Perenzoni等人4描述了一種讀取電路，其經(jīng)配置用于針對像素形成的放射成像傳感器執(zhí)行光子計數(shù)功能，其中，提供一種全模擬自校準過程。模擬自校準必須在每個光子捕獲事件之前，在如常規(guī)操作的相同條件下重復。因此，校準過程期間發(fā)生的噪聲具有與從樣本接收數(shù)據(jù)時發(fā)生的噪聲相同的電平，因此校準過程的噪聲添加到常規(guī)操作的噪聲中。
[0015]類似上述提及的Medipix的設備具有進一步的缺點。具體是，它們不允許制作大于14x14毫米的表面，從而至多能提供256x256的像素。此外，像素布置在正方形網(wǎng)格中。這種布置不是最適于采樣輻射場的，因為它在一對正交軸線的方向之外導致更差的采樣。最終,Medipix已經(jīng)被設想優(yōu)選與娃轉(zhuǎn)換器稱合,其中，如果光子能量高于15keV時,光子-電荷轉(zhuǎn)換以非常低的效率執(zhí)行。這些缺點不允許使用這種設備(如Medipix)來制作醫(yī)療放射傳感器。簡要地說，不能提供用于該目的具有足夠大的連續(xù)有效表面和足夠高的X射線能量靈敏度的傳感器。
[0016]現(xiàn)有技術的另一個重要缺點是轉(zhuǎn)換層的低轉(zhuǎn)換效率。已知硒轉(zhuǎn)換器具有不大于
0.5毫米的厚度。由于硒的相對低的原子序數(shù)，這些傳感器僅對高達約30-40keV的最大能量的X射線束敏感。此外，即使制造有合適厚度，然而，由于間接X射線束到電荷轉(zhuǎn)換過程，碘化銫轉(zhuǎn)換器也會受到分辨率損失的影響。因此，期望提供一種具有高效率和低噪聲轉(zhuǎn)換層的數(shù)字X射線傳感器，通過其能夠獲得“薄膜級”分辨率。
[0017]此外，所謂的集成技術可用在允許它們用于醫(yī)療放射中的表面上，如W096/33424的情況下。然而，這種集成技術不適于根據(jù)光子到達轉(zhuǎn)換層時具有的能量對相同閃光期間轉(zhuǎn)換的光子分級。該特征(其也被稱為光子的“顏色”)能夠在一些診斷和分析過程中是非常重要的。然而，通過已知的集成技術，通過執(zhí)行如此多的閃光作為若干目標能級以及通過依次改變X射線束的能量能夠獲得“顏色”。除了花費長時間以及需要大量的資源，該技術將生物體暴露在強劑量的有害放射下。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]因此，本發(fā)明的一個特征是提供一種數(shù)字X射線傳感器，其包括檢測層(即轉(zhuǎn)換層)和CMOS ASIC形式的像素形成的收集層，其中傳感器被提供具有“光子計數(shù)”功能并且適用于放射應用，具體地，具有“薄膜級”分辨率，從而在圖像質(zhì)量和物體吸收的放射劑量之間獲得最好的布置。
[0019]本發(fā)明的一個具體特征提供這樣一種數(shù)字傳感器，其中，收集層包括多于現(xiàn)有技術CMOS設備的像素，具體是16像素，以便形成至少一些平方厘米的連續(xù)有效表面，如放射傳感器所需要的。
[0020]本發(fā)明的一個特征是還提供這樣一種執(zhí)行校正的傳感器，即校準過程考慮了使用CMOS技術的影響，因此避免長時間和昂貴的手動和/或計算過程。
[0021]本發(fā)明的一個具體特征是提供這樣一種放射成像傳感器，其具有的總殘余噪聲小于現(xiàn)有技術傳感器，具體是提供一種數(shù)字X射線傳感器，其中，基本不產(chǎn)生附加噪聲，并且其允許相對低的X射線劑量的最有效使用。
[0022]本發(fā)明的另一個特征提供這樣一種傳感器，其用于大幅地增加，例如，在骨密度和乳腺X線影像應用中產(chǎn)生的圖像的信息。
[0023]本發(fā)明的一個特征還提供這樣一種傳感器，其能夠提供非常高的空間分辨率以便提高圖像清晰度。
[0024]本發(fā)明的一個特征提供一種數(shù)字X射線傳感器，通過相同的放射劑量，其允許好于現(xiàn)有技術傳感器的對比分辨率，即允許區(qū)分更清楚地輕微不同的灰色調(diào)的傳感器，或提供一種傳感器，其相對于現(xiàn)有技術傳感器，通過較小強度的X射線劑量，允許相同的對比分辨率。
[0025]本發(fā)明的進一步特征提供一種數(shù)字X射線傳感器，其允許高幀速率，即幀速率甚至高于100幀/秒，并且因此能夠在大約一秒鐘內(nèi)檢測“時隙掃描(slot scanning)”應用的多幅圖像。
[0026]本發(fā)明的一個具體特征提供一種放射成像傳感器，其包括轉(zhuǎn)換層和讀取電子設備，所述讀取電子設備允許在比現(xiàn)有技術傳感器更寬的能量窗口內(nèi)測量光子。
[0027]本發(fā)明的另一個具體特征提供一種放射成像傳感器，其中，轉(zhuǎn)換層允許每個吸收的光子收集的電子量大于現(xiàn)有技術。
[0028]通過數(shù)字X射線傳感器實現(xiàn)的這些和其他目標，所述傳感器包括:
[0029]一半導體轉(zhuǎn)換層，其經(jīng)配置用于接收X射線光子并用于將X射線光子轉(zhuǎn)換成電荷；
[0030]一半導體收集層，其與轉(zhuǎn)換層集成，收集層由布置為預定圖案的多個收集像素形成，收集層的每個收集像素經(jīng)配置用于接收來自轉(zhuǎn)換層的電子。
[0031]一數(shù)據(jù)輸出裝置，其用于將收集像素收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)傳遞到采集電子設備；
[0032]其中
[0033]一每個收集像素中包含的電荷放大裝置經(jīng)布置用于接收電荷作為輸入電荷，所述電荷包括轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的電子，放大裝置經(jīng)配置用于產(chǎn)生電壓信號，其具有與輸入電荷成比例的峰值，
[0034]一在每個收集像素中包含多個N窗口鑒別器，每個鑒別器(24J經(jīng)配置用于:
[0035]一執(zhí)行所述峰值和兩個電荷閾值之間的比較，所述兩個電荷閾值包括上閾值和下閾值，以及
[0036]一在下列條件下，執(zhí)行O電平與I電平之間的瞬時轉(zhuǎn)換:
[0037]一所述峰值大于所述下閾值；
[0038]一所述峰值小于所述上閾值；
[0039]其中，對于所述N個鑒別器中的每個鑒別器，選自下列之間的至少一個條件發(fā)生:
[0040]一上閾值小于不同于所述每個鑒別器的所述鑒別器的至少一個的下閾值，具體是，上閾值等于不同于所述每個鑒別器的鑒別器的所述至少一個的下閾值，
[0041]一下閾值大于不同于所述每個鑒別器的鑒別器的至少一個的下閾值，具體是，下閾值等于不同于所述每個鑒別器的鑒別器的所述至少一個的上閾值，
[0042]其中在每個收集像素中包含多個N計數(shù)器，多個N計數(shù)器中的每個與相應的鑒別器關聯(lián)，
[0043]其中每個計數(shù)器經(jīng)配置以在下列條件下將自身計數(shù)值增加I個單位:
[0044]—峰值大于相應的鑒別器的下閾值，并且
[0045]一峰值小于相應的鑒別器的上閾值，
[0046]其中不同于所述每個計數(shù)器的計數(shù)器經(jīng)配置用于保持自身計數(shù)值不變，其中數(shù)據(jù)輸出裝置經(jīng)配置用于從每個收集像素接收對應于計數(shù)的N “顏色”中的放射事件的測量數(shù)據(jù)，所述計數(shù)存儲在每個電荷閾值的N能量窗口中。
[0047]有利地是，數(shù)據(jù)輸出裝置經(jīng)配置用于從每個收集像素接收對應于計數(shù)的N “顏色”中的放射事件的測量數(shù)據(jù)，所述計數(shù)存儲在每個電荷閾值的N能量窗口中。
[0048]能夠提供校準裝置，其用于校準每個收集像素，具體是，校準每個鑒別器/計數(shù)器單元，在所述收集像素中的每個中，所述校準裝置包括:
[0049]一DAC，即數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其用于收集層的每個像素的至少一個鑒別器，經(jīng)配置用于接收預定數(shù)量的位的組合并用于生成對應于位的組合的電流值；
[0050]一電流供應裝置，其經(jīng)配置用于將電流供應到每個收集像素的放大裝置；
[0051 ] 一駐留在每個收集像素中的邏輯裝置，所述邏輯裝置經(jīng)配置用于執(zhí)行計算偏移校正電流值的過程。
[0052]有利地是，所述邏輯裝置經(jīng)配置用于執(zhí)行計算偏移校正電流值的迭代過程，包括以下步驟:
[0053]一生成位的組合；
[0054]一將位的組合傳遞到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以使數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成相應的試驗電流值；
[0055]一使試驗電流通過供應裝置供應到放大裝置；
[0056]一接收計數(shù)器的計數(shù)值；
[0057]一如果計數(shù)值因試驗電流增加，則重復上述步驟；
[0058]一如果計數(shù)值未因試驗電流增加，則將試驗電流值限定為校正電流值。
[0059]有利地是，電荷放大裝置、窗口鑒別器、計數(shù)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括CMOS晶體管。
[0060]有利地是，每個收集像素包括偏移校正電流值的存儲器單元，并且邏輯裝置還經(jīng)配置用于將校正電流值存儲在存儲器單元中。
[0061]有利地是，傳感器包括一種同時致動所有收集像素的校準裝置的裝置，從而針對每個計數(shù)器同時執(zhí)行迭代過程，并且所述校正電流在所述傳感器的操作步驟期間供應到每個收集像素。
[0062]根據(jù)本發(fā)明，數(shù)字自校準技術使相應的偏移校正電流存儲在每個像素的存儲器單元中成為可能，所述相應的偏移校正電流必須穩(wěn)定地注入到每個像素中以便在校準條件下操作整個傳感器，即使得從所有像素獲得均相響應。校正電流仍然可用于隨后的持久使用。
[0063]例如，在任意瞬間，并且優(yōu)選在傳感器接通時，或在每個放射成像會話開始或每次閃光之前，能夠進行一次自校準。由于該原因，相對于現(xiàn)有技術模擬校準技術，自校準能夠在較低增益和通帶下執(zhí)行，因此具有輕微的噪聲。更一般地，自校準步驟能夠僅在環(huán)境條件和操作條件明顯變化的情況下重復。
[0064]如上文所示，在包括若干像素的矩陣上常規(guī)執(zhí)行的校準過程(例如，其適于放射目的)將花費不可接受的長時間來逐像素校準傳感器的每個像素的每個鑒別器/計數(shù)器單元。由于該原因，使用包括具有比現(xiàn)有技術的模塊大的尺寸的模塊的傳感器是可能的，并且所述模塊包括每15個像素作為一個數(shù)量級，并且因此包括每15-1O6個計數(shù)器被校準。自校準過程在幾毫秒時間內(nèi)對所有像素的所有鑒別器的響應進行平衡(level)。
[0065]用于這些效果的整個鏈的補償/校正裝置存在于每個像素中，并且被配置用于將補償直流電流供應到像素的輸入端，通常供應到焊盤或連接到像素電子設備的電荷放大裝置上游的轉(zhuǎn)換層的相應金屬焊盤的金屬焊盤。補償過程期間供應的試驗直流電流的值由DAC數(shù)字控制。
[0066]另外，試驗直流電流的最終值(其對于每個像素是具體的)使減小“暗電流”并因此降低傳感器和檢測電子設備的總噪聲成為可能。這增加了傳感器的靈敏度并允許放射劑量降低，這在放射成像中非常有利。
[0067]補償分辨率(即像素的響應均相)僅由DAC的位的數(shù)量來預確定。通過運行逐次逼近算法能夠獲得最終電流值。不同于現(xiàn)有技術的傳感器，該算法駐留在每個像素中，其中運行校準算法的邏輯和計數(shù)裝置駐留在像素外部的單元中，或甚至駐留在ASIC外部的單元中。換句話說，在每個像素中編碼該算法，從而其能夠在彼此獨立的每個像素中同時運行。最終直流電流的值被數(shù)字編碼或存儲在每個像素中。它能夠出于統(tǒng)計目的從外部讀取或用于調(diào)節(jié)/優(yōu)化所需校正范圍。
[0068]有利地是，所述試驗電流具有在所述迭代過程的所述步驟的每次迭代時減小的值，其從適于引起每個鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件的初始試驗電流值開始，直到獲得沒有引起該鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件的最終試驗電流值。換句話說，校準裝置的邏輯裝置經(jīng)配置用于:
[0069]一將降低強度的電流供應到每個像素，S卩，每個像素的電荷放大裝置，從適于引起每個鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件的初始試驗電流值開始；
[0070]一針對供應到像素的每個強度電流值，檢查收集像素的每個鑒別器/計數(shù)器單元是否執(zhí)行計數(shù)步驟；
[0071]一針對每個收集像素，識別沒有引起計數(shù)事件的所供應的最大電流強度，并將沒有引起計數(shù)事件的所供應的最大電流強度作為偏移校正電流值存儲在像素的存儲器單元中，從而在傳感器的后續(xù)操作中被供應到每個鑒別器/計數(shù)器單元。
[0072]優(yōu)選地，校準裝置的邏輯裝置執(zhí)行的校準過程是所謂的“高/低”過程，其中:
[0073]一初始試驗電流值等于能夠通過DAC獲得的最大電流值，即等于能夠通過設置在其自身最大值時的DAC獲得的電流值，一旦閾值已經(jīng)設置為對應于鑒別器/計數(shù)器單元的接地基準的最小值時，該電流值適于引起每個鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件；
[0074]一校準裝置的邏輯裝置經(jīng)配置用于使得后續(xù)試驗電流被供應到每個像素，所述后續(xù)試驗電流具有:
[0075]—如果先前試驗電流引起每個鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件，低于先前試驗電流的強度；
[0076]一如果先前試驗電流沒有引起每個鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件，高于先前試驗電流的強度；
[0077]一校準裝置的邏輯裝置經(jīng)配置用于存儲不能引起鑒別器/計數(shù)器單元中的計數(shù)事件的試驗電流值，具體是，將第一供應的試驗電流值作為校正電流供應到后續(xù)操作中的每個鑒別器/計數(shù)器單元。
[0078]換句話說，自校準裝置經(jīng)配置用于供應逐步降低強度的電流，直到對于每個鑒別器/計數(shù)器單元，校正電流被識別為未引起鑒別器/計數(shù)器單元的計數(shù)事件的最大試驗電流。這種方式，鑒別器/計數(shù)器的偏移被轉(zhuǎn)移到仍然低于閾值的最大值。
[0079]高/低技術減少執(zhí)行校準步驟所需要的試驗電流值的數(shù)量。
[0080]具體地，自校準裝置包括5位DAC，因此該最大預定值是32。在這種情況下，自校準時間能夠被估計為幾毫秒。
[0081]由于根據(jù)本發(fā)明的傳感器，顯著減少ASIC的像素的計數(shù)器的鑒別閾值是可能的，并且使其值盡可能接近鑒別輸入放大器產(chǎn)生的噪聲所需要的最小閾值是可能的。例如，利用碲化鎘轉(zhuǎn)換層，該閾值可以約為200電子，其對應于IkeV，而利用硅轉(zhuǎn)換層，該閾值可以約為 0.8keV。
[0082]ASIC的“光子計數(shù)”功能是必要的，但不足以根據(jù)光子的能級對光子分級。通過將能量測量功能引入到ASIC的結構中來允許分級。通過該功能，在每個像素中，ASIC的電子設備能夠計數(shù)已經(jīng)接收到多少光子，以及有多少光子具有落入不同范圍內(nèi)(即不同能量窗口內(nèi))的能級。
[0083]由于根據(jù)本發(fā)明的傳感器，如上所限定的，通過物體的相同X射線暴露，即通過使物體經(jīng)受僅一個放射劑量，能夠獲得多個圖像，其中每個圖像與單個光子能量窗口相關。該多個圖像使得根據(jù)樣本或物體相對于不同能級的光子具有的吸收功率來對所觀察的樣本或物體分類成為可能。
[0084]例如，能量窗口可以將光子能量值集合限定在5和15keV之間；15和25keV之間；25和40keV之間；40和60keV之間等。
[0085]例如，計數(shù)器可以包括普通15位硅寄存器，其經(jīng)配置用于計數(shù)215_1個光子。通過現(xiàn)有技術傳感器，將物體暴露于如此多的閃光(如圖像應當相關的能級)將是必要的。因此為了獲得相同的放射信息，根據(jù)本發(fā)明的傳感器相對于現(xiàn)有技術的傳感器減少了物體在有害放射下的暴露。
[0086]例如，傳感器表面或基本塊(elementary block)表面可以具有2和4厘米之間的尺寸，具體是約2.5x3.0厘米的尺寸。在這種情況下，傳感器能夠包括476x512 = 243712個收集像素，在其上能夠布置約I百萬個多通道。利用這種基本塊尺寸，8個基本塊能夠覆蓋常用的24x2.5厘米插槽。
[0087]優(yōu)選地，收集像素具有六邊形平面形狀，并且被布置為蜂窩圖案。蜂窩圖案的結構是指，設置在其中的第一六邊形鄰近于等于第一六邊形的6個額外六邊形，每個所述6個額外六邊形具有平行于第一六邊形的相應邊的邊。例如，對于正方形圖案，蜂窩結構每單位面積增加若干像素。蜂窩圖案還允許在所有方向上具有基本相同的空間分辨率。相反，在正方形圖案中，沿著正方形的對角線的方向的分辨率大約比沿著正方形的邊的方向小40%。
[0088]在本發(fā)明的一方面中，半導體轉(zhuǎn)換層包括多個轉(zhuǎn)換像素，所述多個轉(zhuǎn)換像素被布置為對應于收集層的收集像素的圖案的圖案，其中每個轉(zhuǎn)換像素單一地對應于相應的收集像素，并且在每個轉(zhuǎn)換器像素和相應的收集像素之間提供電子連接。
[0089]在一個示例性實施例中，轉(zhuǎn)換層由晶體材料制成。
[0090]具體地，晶體層具有面向收集層的金屬化層，所述晶體層具有像素結構。這允許最大化每個光子的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷。換句話說，增加能夠行進穿過轉(zhuǎn)換層的電子的數(shù)量是可能的。從而能夠容易地超過ASIC的像素的噪聲閾值。
[0091]具體地，通過光刻技術獲得轉(zhuǎn)換層的像素(其面向收集層的像素)，所述光刻技術可以包括沉積和圖案化金屬、半導體和絕緣薄膜的步驟，類似于制作收集層像素的技術。
[0092]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，轉(zhuǎn)換層通過凸塊焊接技術(即，通過導電材料制成的、位于轉(zhuǎn)換層和收集層之間的多個凸塊，其中每個凸塊布置在相應的收集像素處)與收集層逐像素接合。例如，導電材料是銦鉍合金。凸塊焊接技術允許相對容易地連接收集層和轉(zhuǎn)換層，通過這種方式，轉(zhuǎn)換層的每個像素電連接到收集層的相應像素。
[0093]更詳細地，通過將相應量的導電材料沉積在收集層的ASIC的上部金屬層上可以獲得小球，即凸塊。
[0094]作為一種替換，或附加，通過不斷增加這種導電材料的量的步驟，或通過光刻技術，在ASIC的后處理中在ASIC的每個像素處可以獲得凸塊。
[0095]包括凸塊的收集層和具有像素結構的轉(zhuǎn)換層之間的連接(即焊接)可以通過手動重疊和將轉(zhuǎn)換層和收集層置于中心，以及壓制或加熱的后續(xù)步驟(以便溶化凸塊并形成連接，如本領域公知的)來執(zhí)行。
[0096]可選擇地，半導體轉(zhuǎn)換層是鍍層轉(zhuǎn)換層，其通過收集層上的多晶體材料或非晶體半導體材料的蒸發(fā)和/或沉積技術獲得。這些過程允許容易地形成檢測層，其中，根據(jù)與ASIC相同的圖案，即與轉(zhuǎn)換層的像素相同的圖案布置像素。如果使用相對低電荷效率轉(zhuǎn)換層，高性能ASIC是有利的，如在非晶體鍍層轉(zhuǎn)換層(其允許制成低成本轉(zhuǎn)換層)的情況下。
[0097]具體地，非晶體材料可以包括半導體材料，諸如碲化鎘、硒、碘化鉛、碘化汞、砷化鎵、鍺，或這些材料的組合。
[0098]具體地，非晶體鍍層轉(zhuǎn)換層可以通過絲網(wǎng)印刷技術獲得。
[0099]鍍層轉(zhuǎn)換層使制作低成本傳感器成為可能。
[0100]收集層的像素可以具有設置在300微米和25微米之間的尺寸，具體地，它們可以具有設置在150微米和25微米之間的尺寸，更具體地，它們可以具有設置在75微米和25微米之間的尺寸。對于給定應用，像素尺寸被選擇以獲得分辨率(其需要小像素)和顏色數(shù)量(其通常需要較大像素)之間的布置，以便覆蓋所需要的電子設備。例如，如果ASIC由常用的0.18微米CMOS技術制成，則能夠假設:
[0101 ] -200微米收集像素，其通常在一般放射應用中使用，提供用于8個能量窗口的鑒別器和計數(shù)器；
[0102]-100微米收集像素，其不止?jié)M足于大多數(shù)放射應用，提供用于6個能量窗口的鑒別器和計數(shù)器；
[0103]-50微米收集像素，提供用于2個能量窗口的鑒別器和計數(shù)器。
[0104]例如，如果ASIC由更先進的0.045微米CMOS技術制成，則能夠假定:
[0105]-200微米收集像素，提供用于32個能量窗口的鑒別器和計數(shù)器；
[0106]-100微米收集像素，提供用于16個能量窗口的鑒別器和計數(shù)器；
[0107]-50微米收集像素，提供用于8個能量窗口的鑒別器和計數(shù)器。
[0108]有利地是，傳感器包括轉(zhuǎn)換層冷卻裝置，其經(jīng)配置用于在使用時使轉(zhuǎn)換層達到并保持在低于預定最大操作溫度的溫度。具體地，冷卻裝置經(jīng)配置使轉(zhuǎn)換層達到并保持在20°C和40°C之間。這些溫度值尤其適于碲化鎘轉(zhuǎn)換層。在使用中，轉(zhuǎn)換層的ASIC工作在通常設置在50°C和70°C之間的溫度下。如果沒有為轉(zhuǎn)換層提供冷卻裝置，這將達到收集層的操作溫度。然而，這一溫度導致轉(zhuǎn)換層的嘈雜操作，其迫使提高后者的閾值，并因此限制其靈敏度，具體是，造成低能量光子。
[0109]事實上，如果基底輸送小量電荷，則存在噪聲閾值，其不允許測量轉(zhuǎn)換器基底輸送的電荷。因此，像素接收盡可能多的電荷是可能的，此外，轉(zhuǎn)換器如此有效以使低能量光子產(chǎn)生足夠的電荷以超過閾值是可能的。在任何情況下，殘余噪聲不能減少到零。
[0110]冷卻裝置可以包括珀爾帖單體(Peltier Cell)，其被布置為其冷卻面與收集層的面接觸，所述收集層的面與連接到轉(zhuǎn)換層的面相反。這樣，珀爾帖單體能夠與用于冷卻單體的熱面的常規(guī)空氣或液體冷卻裝置關聯(lián)。
[0111]在一個優(yōu)選示例性實施例中，對于每個收集像素，收集層具有導電焊盤，優(yōu)選鋁焊盤。具體地，焊盤形成到每個像素的電子設備的輸入級的電荷放大器的接口。這在多晶體轉(zhuǎn)換層(多晶體轉(zhuǎn)換層可以由CdTe制成)的蒸發(fā)/沉積技術獲得的轉(zhuǎn)換層的情況下尤其有利，因為焊盤上的材料沉積允許轉(zhuǎn)換層和收集層之間容易接觸。
[0112]有利地是，傳感器包括用于在收集層內(nèi)創(chuàng)建電場的裝置，所述裝置包括第一金屬薄膜，其圍繞傳感器布置(可能通過沉積)并經(jīng)配置用于產(chǎn)生第一預定電壓，和第二薄膜，其優(yōu)選布置在連接到收集層的轉(zhuǎn)換層的面上(可能通過沉積)，以使其產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換層的輸入焊盤相同的電壓，通常為幾伏的電壓。根據(jù)上層上的電壓的符號為正或負，希望分別在下層的金屬化表面上收集負或正電荷。
[0113]具體是，沉積在轉(zhuǎn)換層的像素邊上的第二薄膜或各種金屬膜層用于提供電結點，所述電結點允許其中一個預定符號的電流通過，而阻止相反極性的電流通過。如果在像素處收集負電荷，則所述結點允許收集由轉(zhuǎn)換光子產(chǎn)生的電子創(chuàng)建的負電流通過，但阻止來自轉(zhuǎn)換層外部的負電荷通過。這能夠是通過從形成接頭的金屬提取的電荷產(chǎn)生的正極性電流。這使得限制所謂的“暗電流”成為可能。
[0114]在一個示例性實施例中，第二薄膜，以及優(yōu)選地沉積到轉(zhuǎn)換層的相同面上的附加可能的金屬薄膜，經(jīng)配置提供肖特基型結。
[0115]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)權利要求27，X射線傳感器提供了射線照相成像方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0116]本發(fā)明將參考附圖示例性但非限制地示出示例性實施例的下面描述，其中。
[0117]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的操作以及圖形地示出傳感器自身的結構的示意圖；
[0118]圖2示出傳感器的一個示例性實施例；
[0119]圖3是像素中的CMOS元件的分布圖，其中，CMOS元件用于通過根據(jù)本發(fā)明的傳感器執(zhí)行圖像采集；
[0120]圖4示出自校準過程的框圖，其中，自校準過程針對所有像素同時執(zhí)行；
[0121]圖5和6示出放射會話中獲得的相同樣本的兩個不同圖像，其中，使用根據(jù)本發(fā)明的傳感器；
[0122]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的傳感器，其具有冷卻裝置，具體地，在轉(zhuǎn)換層上的冷卻裝置；
[0123]圖8-12圖解示出收集像素的電子設備的布局。

【具體實施方式】
[0124]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，描述了一種數(shù)字X射線傳感器100，其包括半導體轉(zhuǎn)換層10和半導體收集層20。
[0125]轉(zhuǎn)換層10被布置以從常規(guī)X射線源101接收X射線光子2，并將光子2轉(zhuǎn)換成電子，其中，所述電子形成電荷16。
[0126]收集層20能夠通過下面所述的技術中的其中一種與轉(zhuǎn)換層10集成。
[0127]收集層20由收集像素22的矩陣形成，每個收集像素22經(jīng)配置用于從轉(zhuǎn)換層10接收一定量電子，從而在自身金屬焊盤(未不出)上建立電荷。
[0128]在該示例性實施例中，收集像素22具有正六邊形平面形狀，并且經(jīng)布置以形成蜂窩圖案，其中，每個六邊形22通常位于6個六邊形22旁邊，6個六邊形22中的每個具有平行于第一六邊形22的相應邊的邊。
[0129]收集層20以CMOS ASIC(即功能塊包括CMOS晶體管的ASIC)的形成制成。
[0130]參照圖2，每個收集像素22包含電子設備200，其配備有接觸件(例如焊盤201)，用于從一部分收集層10接收電荷16。
[0131]焊盤201與放大器(AMP) 203連接，使得電荷16由焊盤201收集，并能夠由電荷放大器203放大。放大器203產(chǎn)生電壓信號17，如圖2A所示，電壓信號17具有預定上升時間29’和預定下降時間29”，和電壓峰值21，其與輸入電荷16成比例。以這種方式，每個電壓峰值17表示一個光子事件，并且峰值和與該X光子關聯(lián)的能量值成比例。
[0132]電容器裝置207平行于放大器203布置，以將電荷16轉(zhuǎn)換成電流17。電阻元件208使冷凝器207周期性放電。
[0133]電子設備200也包括N窗口鑒別器24i;i = I……N，N窗口鑒別器中的每個經(jīng)配置用于將電壓峰值21與相應的下閾值25i比較，并與相應的上閾值25i+1比較，其中25i〈25i+1。每個鑒別器24i也經(jīng)配置用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換信號27i，轉(zhuǎn)換信號27i使與鑒別器21關聯(lián)的計數(shù)器26i (通常是15位計數(shù)器)在條件25^21〈251+1發(fā)生時增加I個單位。
[0134]具體地，根據(jù)本發(fā)明，對于所有值i或它們中的一部分，鑒別器24i的上閾值電壓值25i與鑒別器24i+1的下閾值電壓值一致，以形成全部或部分相鄰的多個能量窗口。
[0135]換句話說，包含在每個收集像素22中的CMOS電路經(jīng)配置用于比較(在轉(zhuǎn)換層10中轉(zhuǎn)換光子2之后收集的)電荷16的值與鑒別器21的每個閾值25it)如果電荷16產(chǎn)生具有高于閾值25i且低于閾值25i+1的峰值21的信號17，則僅計數(shù)器26i將其自身計數(shù)增加I個單位，而其他計數(shù)器26i; j ^ i保持它們相應的計數(shù)不變。
[0136]以這種方式，放射成像傳感器100能夠執(zhí)行彩色光子計數(shù)過程，即其允許根據(jù)對應于存儲在N能量窗口 26^25” 25i+1]中的計數(shù)的N “顏色”測量入射輻射2，其中i是設置在I到N之間的整數(shù)。
[0137]收集像素22可以具有短于300微米的尺寸，例如，選自包括50、100和200微米的組中的尺寸。在一個具體示例性實施例中，這些像素具有若干鑒別器和若干計數(shù)器，以適于分別實施2、4、8個能量窗口，即N = 2，4，8。具體地，窗口數(shù)量通過0.18微米CMOS技術執(zhí)行。如果0.045微米技術用于ASIC，則上面所示尺寸的像素可以分別用于制作8、16、32個能量窗口，即N = 8，16，32。
[0138]每個計數(shù)器26i由常用快門信號212控制，所述信號限定設備有效期間的時間間隔。該信號確保微秒精確的曝光時間，因為這是用于“時隙運行”類型采集的高幀速率采集所需要的。
[0139]每個收集像素22的計數(shù)值和每個能量窗口 26i [25,, 25i+1]的計數(shù)值通過外部采集電子設備50(圖1)讀取，所述外部采集電子設備50通過數(shù)據(jù)輸出裝置(例如數(shù)字讀出和控制總線213)接收它們。采集電子設備50 (其能夠被常規(guī)實現(xiàn))經(jīng)配置用于形成每個能量窗口 [25i，25i+1]的圖像3”可以使每個圖像3i通過常規(guī)顯示裝置7(圖1)被觀察器訪問。
[0140]采集電子設備50可以經(jīng)配置用于將相同能量窗口 26i的計數(shù)值與灰度級，或更一般地，與亮度級關聯(lián)。以這種方式，與像素22相關的相同能量窗口的計數(shù)值能夠變成圖像3i，其中灰度級或明暗亮度級指示放射2的部分，即光子2的部分，所述放射2的部分具有行進穿過所觀察樣本9的給定窗口能量內(nèi)的能量。
[0141]采集電子設備50，或顯示裝置7被提供具有用于將窗口能量與相應的基本色關聯(lián)的裝置，以使屬于每個能量窗口的數(shù)據(jù)在每個圖像3i中根據(jù)相同基本色的不同水平顯示。
[0142]采集電子設備50或顯示裝置7具有用于覆蓋圖像3i以形成至少一個或更多個新圖像(未示出)的裝置，其中屬于每個能量窗口 26i的數(shù)據(jù)能夠通過相應的基本色識別，而僅屬于該能量窗口的數(shù)據(jù)能夠在圖像中根據(jù)基本色的不同水平被識別。
[0143]仍然在圖2的示例性實施例中，每個收集像素22的電子設備200包括用于供應電荷到放大器203的電荷供應裝置，即“電荷注入”裝置205、206。電荷注入可用于建立電子設備200對校準的電荷量的響應。更詳細地，如后面所述，電荷供應裝置用于在操作期間反饋預定校正或補償直流電流(所述預定校正或補償直流電流具有用于每個收集像素22的具體值)，從而不考慮上述“暗”或偏移電流影響，使得收集層20的像素22能夠提供均相響應。電荷供應裝置206也用于確定每個像素的校正電流。
[0144]事實上，在每個校正像素22中，校準裝置被提供用于校準供應到鑒別器21的信號的基準電壓。
[0145]在圖2的示例性實施例中，收集層20的每個收集像素22的自校準裝置包括用于每個單元鑒別器/計數(shù)器單元24,/26,的數(shù)模轉(zhuǎn)換器28, (DAC)。每個數(shù)模轉(zhuǎn)換器28,經(jīng)配置用于接收預定數(shù)量的位的組合，并用于產(chǎn)生對應于所述位的組合的電流值。通常，DAC 28,是5位DAC，其允許32個組合并因此允許32個電流值。DAC 28i能夠被調(diào)節(jié)以提供適于將信號21的基準盡可能移動接近接地值的電流，例如，根據(jù)下面詳細描述的過程。
[0146]根據(jù)本發(fā)明，邏輯裝置34被布置在每個像素21內(nèi)，所述裝置經(jīng)配置用于執(zhí)行計算偏移校正電流的迭代過程。通常，該迭代過程包括產(chǎn)生用于每個鑒別器/計數(shù)器單元24i/26i的多個試驗電流值，其被依次供應到放大裝置203直到識別到?jīng)]有引起計數(shù)26i增加的電流值。該電流被限定為偏移校正電流。邏輯裝置34功能地連接到DAC 28i，用于控制電流試驗值的產(chǎn)生。
[0147]仍然根據(jù)本發(fā)明，存儲器單元(即寄存器35)也被布置在每個像素22內(nèi)，并功能地與邏輯裝置34連接，其中邏輯裝置34存儲偏移校正電流值，其在自校準過程期間被限定并可用于后續(xù)放射成像獲取。存儲器單元35還可以有利地與數(shù)據(jù)輸出裝置213連接，以使為了統(tǒng)計目的或用于調(diào)節(jié)/優(yōu)化所需要的校正范圍，能夠從外部讀取校正電流值。
[0148]具體地，邏輯裝置34可以經(jīng)配置用于執(zhí)行自校準過程80，即如圖4的示意圖所示，所有計數(shù)器26,的高/低自動且同時發(fā)生的校準過程。
[0149]綜上所述，自校準過程80包括順序供應不同強度的電流到每個計數(shù)器26i，以及估計哪個是所供應的電流值(其接近在具體環(huán)境操作條件中使克服每個計數(shù)器的具體偏移值成為可能的值)。通過在后續(xù)操作期間供應該電流，所有像素的計數(shù)器將能夠提供基本均相的電荷計數(shù)響應。
[0150]更詳細地，自校準過程80跟隨選擇將要供應的最大數(shù)量的電流強度值的步驟81。能夠利用DAC的位數(shù)形成盡可能多的值的若干組合，因此，每當過程80被執(zhí)行時，通過5位DAC, 32個不同電流強度能夠供應到每個鑒別器24it)
[0151]過程80還跟隨選擇初始電流值的步驟82，如前面檢測或?qū)嶒炈ㄗh的，初始電流值適于將所有計數(shù)器26i的偏移轉(zhuǎn)移超過下閾值。通過供應該初始電流，所有計數(shù)器26jf通過增加I個單位的計數(shù)值響應。
[0152]此外，自校準裝置包括步驟83的控制裝置，其優(yōu)選基本同時啟動所有收集像素22的所有計數(shù)器26i的自校準過程，以使校準在每個計數(shù)器26i中同時發(fā)生。
[0153]自校準裝置28i經(jīng)配置用于順序執(zhí)行步驟84，其供應至少一個試驗電流到每個計數(shù)器26it)試驗電流具有較低的強度或從步驟82中選擇的初始值開始減小的強度。還提供步驟85，其檢查是否已經(jīng)獲得迭代的最大數(shù)量，如步驟81所預定的，即根據(jù)過程80，能夠在每個操作中應用到鑒別器/計數(shù)器CMOS ZlAei的不同強度的電流的數(shù)量。連同檢查步驟85，對于每個計數(shù)器26i，步驟86被執(zhí)行，以檢查計數(shù)器是否仍然執(zhí)行計數(shù)步驟。如果計數(shù)被執(zhí)行，比前面電流弱的電流被供應到每個計數(shù)器，即供應電流的步驟84被重復，然而，如果計數(shù)已經(jīng)中斷，則執(zhí)行步驟87，以供應強度高于前面電流的至少一個電流。甚至在這種情況下，每當電流84，87被供應時，步驟85連同步驟86，88被執(zhí)行，步驟85用于檢查已經(jīng)供應到每個計數(shù)器的所有電流的數(shù)量，步驟86，88用于檢查計數(shù)是否仍然正由轉(zhuǎn)換器執(zhí)行。在計數(shù)值保持的情況下，強度高于前面電流的電流被供應到每個計數(shù)器，即電流供應步驟87被重復，并且如果計數(shù)被重新啟動，步驟84被執(zhí)行，以供應弱于前面電流的電流。
[0154]當檢查步驟85 (其在每個電流供應步驟84，86之后執(zhí)行)顯示計數(shù)器26i已經(jīng)供應有等于預定最大數(shù)的電流數(shù)量，最后供應的電流的強度被記錄為具體計數(shù)器26i的偏移校正電流，在步驟89中，存儲電流值用于傳感器100的后續(xù)操作。
[0155]如公知的，CMOS技術是層技術，其中晶體管被布置在所謂的“金屬I”或“頂部金屬層”上，并且其他層(通常為4或5個金屬層，位于晶體管層旁邊)用于提供功能塊之間的連接，并用于傳送功率。圖7-11圖形地示出功能塊的布局，其中功能塊由布置在I級上的晶體管實現(xiàn)。
[0156]圖5和圖6示出包括蜥蜴的樣本的兩幅圖像，由根據(jù)本發(fā)明的傳感器獲得。圖5和6的圖像指不兩個不冋的能量窗口，分別為上部能量窗口和下部能量窗口。
[0157]參照圖7，根據(jù)一個示例性實施例，描述了數(shù)字X射線傳感器，其提供有冷卻裝置40，冷卻裝置40包括珀爾帖電池設備40，其具有與收集層20接觸的冷面41和被暴露于用于移除熱量Q的裝置43的熱面42。
[0158]圖8是3x2像素的子矩陣的整體視圖，其也示出由頂部金屬層制成的像素22的輸入焊盤201。在一個示例性實施例中，在該焊盤201上，通過凸塊焊接技術生長連接轉(zhuǎn)換層10的凸塊，例如，通過使用銦鉍合金。涉及單個像素的電子設備包含在邊界框內(nèi)。
[0159]圖9和10示出圖8的其中一個像素22的細節(jié)，其具有約50微米的尺寸L1, L2。兩個能量窗口在每個像素中實現(xiàn)(例如，通過0.18微米技術)。功能塊被布置在頂部金屬層上，具體地，示出放大器203、鑒別器21和242、計數(shù)器26i和262、DAC 28i和282、邏輯單元34、存在器單元35 (圖9)。在圖10中，也示出頂部金屬層下面的多層。
[0160]相反，圖11和圖12指示100微米像素22，其中，提供與圖9和10的50微米像素相同的功能塊24^26^28^203,1 = I……6，并且其中6色構架在每個像素中實現(xiàn)，仍然通過標準CMOS技術實現(xiàn)。
[0161]在圖2的示例性實施例中，薄金屬化膜12和13分別被提供在轉(zhuǎn)換層10的上面和下面。薄膜12可以通過沉積導電材料(優(yōu)選是金屬(例如鉬))來制成，并且用作電極。薄膜12電連接到電壓源4，即電連接到處于預定電壓(例如，設置在-300V和-400V之間的電壓)的元件。
[0162]金屬化膜13鋪設在相反面上，其可以以肖特基結的形式(即二極管的形式)制成，使得電子的電流能夠僅在一個方向上流動，即朝著轉(zhuǎn)換層20。更詳細地，結13可以包括多個金屬化水平(例如，具有彼此不同的電化學勢的兩個金屬層)，以便形成能夠由具有一個預定符號的電荷侵入但具有相反符號的電荷不能侵入的勢壘。以這種方式，將熱損耗(由于ASIC 20的工作溫度引起)電流降低到最小值是可能的。
[0163]接著，結13電連接到ASIC的像素的焊盤的0.1V和1.0V之間的電壓，該電壓由電壓源5供應。
[0164]應用到薄膜12和13的電壓在轉(zhuǎn)換層10中創(chuàng)建電場，所述電場適于使轉(zhuǎn)換層10中的光子轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子朝著收集層20遷移。
[0165]參照圖2，X射線傳感器的轉(zhuǎn)換層10也可以由多個轉(zhuǎn)換像素11形成，具體地，根據(jù)與收集像素22相同的圖案形成。在這種情況下，有利的是，收集層20的每個收集像素22與轉(zhuǎn)換層10的相應轉(zhuǎn)換像素11電連接，以這種方式，收集像素21計算來自相應轉(zhuǎn)換像素11的電荷16。
[0166]轉(zhuǎn)換層10可以包括晶體材料或非晶體材料。例如，轉(zhuǎn)換層10可以通過多晶體半導體材料或非晶體半導體材料的蒸發(fā)技術和/或沉積技術獲得，其中，多晶體半導體材料或非晶體半導體材料選自，例如，碲化鎘、非晶硒、碘化鉛和碘化汞。如果轉(zhuǎn)換層10必須被分隔成像素，通過采取光刻技術能夠執(zhí)行該分割。
[0167]在圖1的示例性實施例中，轉(zhuǎn)換層10通過凸塊焊接技術與轉(zhuǎn)換層20連接。根據(jù)該技術，多個金屬凸塊23 (例如通過在半導體收集層20上執(zhí)行生長過程獲得)被布置在轉(zhuǎn)換層10和收集層20之間。具體地，凸塊23可以包括銦鉍合金。
[0168]各種示例性具體實施例的上面描述將充分地顯示根據(jù)視圖的概念點的本發(fā)明，使得本領域技術人員通過使用當前知識能夠在進一步研究并不脫離本發(fā)明的情況下對這些實施例進行修改和/或使其適于各種應用。因此，這意味著這種適應或修改將必須被認為等同于所描述的示例性實施例。由于該理由，在此描述的實現(xiàn)不同功能的裝置和材料將具有不同的特征，而不脫離本發(fā)明的領域。這意味著在此采用的措詞或術語是為了描述而非限制的目的。
[0169]參考文獻
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【權利要求】
1.一種數(shù)字X射線傳感器(100)，其包括: 半導體轉(zhuǎn)換層(10)，其經(jīng)配置用于接收X射線光子(2)，并用于將所述X射線光子(2)轉(zhuǎn)換成電荷(14)； 半導體收集層(20)，其與所述轉(zhuǎn)換層(10)集成，所述收集層(20)由多個收集像素(22)形成，所述多個收集像素(22)被布置為預定圖案，所述收集層(20)中的每個收集像素(22)經(jīng)配置用于從所述轉(zhuǎn)換層(10)接收所述電荷(14)的電子(16)； 數(shù)據(jù)輸出裝置(213)，其用于將所述收集像素(22)收集的數(shù)據(jù)傳遞到采集電子設備(50)； 其中每個收集像素(22)包括: 放大裝置(203)，其經(jīng)布置用于接收所述電荷作為輸入電荷，所述輸入電荷包括所述轉(zhuǎn)換層(10)產(chǎn)生的所述電子(16)，所述放大裝置(203)經(jīng)配置用于生成具有與所述輸入電荷(16)成比例的峰值(21)的電壓信號(17)； 多個N窗口鑒別器(24D，每個鑒別器(24J包括多個CMOS晶體管，每個鑒別器(24J經(jīng)配置用于: 執(zhí)行所述峰值(21)和兩個電荷閾值(25” 25i+1)之間的比較，所述兩個電荷閾值包括下閾值(25^和上閾值(25i+1)，以及 如果滿足下列條件，則執(zhí)行O電平和I電平之間的瞬時轉(zhuǎn)換: 所述峰值(21)高于所述下閾值(25J，并且 所述峰值(21)低于所述上閾值(25i+1)； 其中，對于每個鑒別器(24J，選自下面條件之間的至少一個條件發(fā)生: 所述上閾值(25i+1)低于不同于所述每個鑒別器(24D的所述鑒別器(24k，k# i)中的至少一個的所述下閾值，具體地，所述上閾值(25i+1)等于不同于所述每個鑒別器(24J的所述鑒別器(24k，k古i)中的至少一個的所述下閾值； 所述下閾值(25J高于不同于所述每個鑒別器(24D的所述鑒別器(24k，k古i)中的至少一個的所述下閾值，具體地，所述下閾值(25J等于不同于所述每個鑒別器(24J的所述鑒別器(24k，k古i)中的至少一個的所述上閾值， 其中每個收集像素(22)包括多個N計數(shù)器(26J，每個所述計數(shù)器(26J與所述鑒別器(24D的相應的鑒別器關聯(lián)， 其中每個計數(shù)器(26J經(jīng)配置以在下列條件下將其自身計數(shù)增加I個單位: 所述峰值(21)高于所述相應的鑒別器(24J的所述下閾值(25J，并且 所述峰值(21)低于所述相應的鑒別器(24J的所述上閾值(25i+1)， 其中，不同于所述每個計數(shù)器(26J的所述計數(shù)器(26k，k關i)經(jīng)配置以保持自身的計數(shù)值不變， 其中所述數(shù)據(jù)輸出裝置(213)經(jīng)配置用于從每個收集像素(22)的所述計數(shù)器(26J接收對應于存儲在每個電荷閾值的N能量窗口中的計數(shù)的N “顏色”中的放射(2)事件的測量數(shù)據(jù)， 其特征在于:其包括: 用于每個收集像素(22)的至少一個鑒別器(24D的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J，即DACOSi)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J經(jīng)配置用于接收預定數(shù)量的位的組合并用于生成對應于所述位的組合的電流值； 電流供應裝置(206)，其用于將電流供應到每個收集像素(22)，所述電流供應裝置經(jīng)配置用于將電流供應到所述放大裝置(203)以響應于所述至少一個鑒別器(24J的所述位的組合； 邏輯裝置(34)，其駐留在每個所述收集像素(22)中，經(jīng)配置用于確定偏移校正電流值，所述邏輯裝置經(jīng)配置用于在每個收集像素內(nèi)執(zhí)行校準步驟，以便確立所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器或每個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J的所述位的組合的哪個位的組合必須用于供應所述校正電流，對于所有所述收集像素(22)，所述邏輯裝置(34)同時在每個像素中初步執(zhí)行所述校準步驟， 其中每個所述收集像素(22)包括所述偏移校正電流值的存儲器單元(35)； 并且其中所述邏輯裝置(34)還經(jīng)配置用于將所述校正電流值存儲在所述存儲器單元(35)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字傳感器，其中駐留在每個所述收集像素(22)中的所述邏輯裝置經(jīng)配置用于通過計算所述偏移校正電流值的迭代過程(80)在每個校正像素內(nèi)執(zhí)行所述校準步驟，所述過程包括: 生成所述位的組合； 將所述位的組合傳遞到所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器OSi)，以使所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J生成相應的試驗電流值； 通過所述供應裝置(206)使所述試驗電流供應到所述放大裝置(203)； 接收所述計數(shù)器(28J的計數(shù)值； 如果所述計數(shù)值因所述試驗電流增加，則重復上述步驟； 如果所述計數(shù)值未因所述試驗電流增加，則將所述試驗電流值限定為所述校正電流值。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字傳感器，其中所述試驗電流具有在所述迭代過程(80)的所述步驟的每次迭代時減小的值，所述值從適于引起每個鑒別器/計數(shù)器單元(21/26)中的計數(shù)事件的初始試驗電流值開始，直到獲得未引起所述鑒別器/計數(shù)器單元(21/260中的計數(shù)事件的最終試驗電流值，并且每個收集像素(22)的所述邏輯裝置經(jīng)配置用于將所述最終試驗電流值作為所述校正像素(22)的所述校正電流值限定在所述收集像素(22)的所述存儲器單元(35)中。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述收集像素(22)具有六邊形平面形狀并被布置為蜂窩圖案。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J具有大于或等于5的位數(shù)，具體地，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J是5位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述鑒別器(24J的所述電荷下閾值(25i，25i+1)以光子能量場的形式被選擇，即光子能量窗口被限定選自包括下列項的組中:5到 15keV ；15 到 25keV ；25 到 40keV ；40 到 60keV。
7.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述計數(shù)器(26J包括普通15位硅寄存器。
8.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述傳感器具有設置在2和4cm之間的邊尺寸，具體地，約2.5x3.0cm的尺寸。
9.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述收集像素(22)具有設置在300微米和25微米之間的尺寸，具體地，它們具有設置在150微粒和25微米之間的尺寸，更具體地，它們具有設置在75微米和25微米之間的尺寸。
10.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述CMOS傳感器是0.18微米CMOS晶體管，并且所述收集像素具有約200微米的尺寸并包括若干所述鑒別器(24J和若干所述計數(shù)器(28^，以使8個能量窗口被限定。
11.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述CMOS晶體管是0.18微米CMOS晶體管，并且所述收集像素具有約100微米的尺寸并包括若干所述鑒別器(24J和若干所述計數(shù)器(28^，以使6個能量窗口被限定。
12.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述CMOS晶體管是0.18微米CMOS晶體管，并且所述收集像素具有約50微米的尺寸并包括若干所述鑒別器(24J和若干所述計數(shù)器(28^，以使2個能量窗口被限定。
13.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述CMOS晶體管是0.045微米CMOS晶體管，并且所述收集像素具有約200微米的尺寸并包括若干所述鑒別器(24J和若干所述計數(shù)器OSi)，以使32個能量窗口被限定。
14.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述CMOS晶體管是0.045微米CMOS晶體管，并且所述收集像素具有約100微米的尺寸并包括若干所述鑒別器(24J和若干所述計數(shù)器OSi)，以使16個能量窗口被限定。
15.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述CMOS晶體管是0.045微米CMOS晶體管，并且所述收集像素具有約50微米的尺寸并包括若干所述鑒別器(24J和若干所述計數(shù)器(28^，以使8個能量窗口被限定。
16.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器(100)，其中所述半導體轉(zhuǎn)換層(10)包括布置為對應于所述收集層(20)的所述收集像素(22)的圖案的圖案的多個轉(zhuǎn)換像素(11)，其中每個轉(zhuǎn)換像素(11)明確對應于相應的收集像素(11)，并且每個轉(zhuǎn)換像素(11)和所述相應的收集像素(22)之間提供電連接。
17.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述轉(zhuǎn)換層(10)由晶體材料制成。
18.根據(jù)權利要求5所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述晶體材料具有面向所述收集層(10)的金屬化層(13)，所述收集層(10)具有像素結構(11)。
19.根據(jù)權利要求5所述的數(shù)字X射線傳感器，其中面向所述收集層(20)的所述像素(22)的所述轉(zhuǎn)換層(10)的所述像素(11)通過光刻技術獲得，具體是通過薄半導體和絕緣金屬膜沉積和圖案化獲得。
20.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述轉(zhuǎn)換層(10)通過凸塊焊接技術與所述收集層(20)逐像素(11-22)地接合，即通過導電材料制成的多個凸塊(23)接合，所述凸塊位于所述轉(zhuǎn)換層(10)和所述收集層(20)之間，其中每個凸塊(23)布置在相應的收集像素(22)處。
21.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述轉(zhuǎn)換層(10)通過蒸發(fā)和沉積技術涂覆所述收集層(20)獲得，具體是通過所述收集層(20)上的多晶體或非晶體半導體材料的絲網(wǎng)印刷技術獲得。
22.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述轉(zhuǎn)換層(10)包括選擇包括下列項的組的材料:碲化鎘、硒、碘化鉛、碘化汞、砷化鎵、鍺或所述材料的組合。
23.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中，提供所述轉(zhuǎn)換層(10)冷卻裝置，其經(jīng)配置用于在使用時使所述轉(zhuǎn)換層(10)達到/保持在低于預定最大操作溫度的溫度，具體是，所述冷卻裝置經(jīng)配置用于使所述轉(zhuǎn)換層達到并維持在20°c和40°C之間，具體地，所述冷卻裝置包括珀爾帖電池設備，其具有與所述收集層(20)接觸的冷卻面和暴露于熱量移除裝置的熱面。
24.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述收集層(20)具有導電焊盤(33)，具體是鋁焊盤，對于每個收集像素，具體地，所述焊盤(33)形成朝向所述電荷放大裝置(203)的接口，其形成每個像素(22)的電子設備(200)的輸入級。
25.根據(jù)權利要求11所述的數(shù)字X射線傳感器，包括用于在所述收集層(20)內(nèi)建立電場的裝置(4，5，12，13)，所述裝置包括:第一金屬薄膜(12)，其圍繞所述傳感器(100)布置并經(jīng)配置被設定到第一預定電壓，和 第二金屬薄膜(13)，其設置在連接到所述收集層(20)的一側(cè)處的所述收集層(10)上，所述第二薄膜經(jīng)配置以被設定到所述轉(zhuǎn)換層(10)的所述輸入焊盤(33)的電壓。
26.根據(jù)權利要求12所述的數(shù)字X射線傳感器，其中所述第二薄膜(13)，具體地，連同進一步沉積到所述轉(zhuǎn)換層(20)的相同面上的金屬膜，經(jīng)配置以提供肖特基型結。
27.一種通過X射線傳感器(100)的放射照相成像方法，所述方法包括: 利用X射線光子(2)照射半導體轉(zhuǎn)換層(10)，并通過所述轉(zhuǎn)換層(10)將所述X射線光子⑵轉(zhuǎn)換成電荷(14)； 預布置與所述轉(zhuǎn)換層(10)集成的半導體收集層(20)，通過布置為預定圖案的多個收集像素(22)形成所述收集層(20)； 通過所述收集層(20)中的每個收集像素(22)從所述轉(zhuǎn)換層(10)接收所述電荷(14)的電子(16)； 放大(203)每個收集像素(22)中的所述電荷，以及產(chǎn)生具有與所述電荷(16)成比例的峰值(21)的電壓信號(17)； 通過多個N窗口鑒別器(24D鑒別每個收集像素(22)中的所述峰值，每個鑒別器(24J包括多個CMOS晶體管，其中每個鑒別器(24): 執(zhí)行所述峰值(21)和兩個電荷閾值(25i，25i+1)之間的比較，所述兩個電荷閾值包括下閾值(25^和上閾值(25i+1)，以及 在以下條件下執(zhí)行O電平和I電平之間的瞬時轉(zhuǎn)換: 所述峰值(21)高于所述下閾值(25J，并且 所述峰值(21)低于所述上閾值(25i+1)； 其中，對于每個鑒別器(24J，選自下列條件之間的至少一個條件發(fā)生: 所述上閾值(25i+1)低于不同于所述每個鑒別器(24D的所述鑒別器(24k，k# i)中的至少一個的所述下閾值，具體是，所述上閾值(25i+1)等于不同于所述每個鑒別器(24J的所述鑒別器(24k，k古i)中的所述至少一個的所述下閾值；所述下閾值(25J高于不同于所述每個鑒別器(24D的所述鑒別器(24k，k古i)中的至少一個的所述下閾值，具體是，所述下閾值(25J等于不同于所述每個鑒別器(24J的所述鑒別器(24k，k古i)中的所述至少一個的所述上閾值； 在每個收集像素(22)中，利用多個N計數(shù)器(26)計數(shù)在每個鑒別器處鑒別的峰值，每個所述計數(shù)器(26J與所述鑒別器(24J的相應鑒別器關聯(lián)， 其中，在下列條件下，每個計數(shù)器(26J中的所述計數(shù)通過將自身計數(shù)值增加I個單位執(zhí)行: 所述峰值(21)高于所述相應鑒別器(24J的所述下閾值(25J，并且 所述峰值(21)低于所述相應鑒別器(24J的所述上閾值(25i+1)， 其中不同于所述每個計數(shù)器(26J的所述計數(shù)器(26k，k# i)維持自身計數(shù)值不變，通過數(shù)據(jù)輸出裝置(213)采集由所述收集像素(22)收集的數(shù)據(jù)，以將所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉娮釉O備(50)； 其特征在于，其包括: 預布置用于每個收集像素(22)的至少一個鑒別器(24J的數(shù)模轉(zhuǎn)換器即DAC(28i)，所述轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置用于接收預定數(shù)量的位的組合并用于生成對應于所述位的組合的電流值； 將校正電流(206)供應到每個所述收集像素(22)的所述放大裝置(203)，所供應的電流響應所述至少一個鑒別器(24J的所述位的組合； 并且其特征在于，還包括在每個收集像素內(nèi)執(zhí)行校準步驟，以確立所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器或每個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J的所述位的組合的哪個位的組合必須用于供應所述校正電流，通過駐留在每個所述收集像素(22)中的邏輯裝置(34)在每個像素中初步執(zhí)行所述校準步驟；其中所述校準步驟針對所有所述收集像素(22)在每個收集像素內(nèi)同時執(zhí)行。
28.根據(jù)權利要求27所述的放射照相成像方法，其中所述校準步驟包括計算偏移校正電流值的迭代過程(80)，所述過程包括: 生成所述位的組合； 將所述位的組合傳遞到所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器OSi)，以使所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(28J生成相應的試驗電流值； 通過所述供應裝置(206)使所述試驗電流供應到所述放大裝置(203)； 接收所述計數(shù)器(28J的計數(shù)值； 如果所述計數(shù)值因所述試驗電流增加，則重復上述步驟； 如果所述計數(shù)值未因所述試驗電流增加，則將所述試驗電流值限定為所述校正電流值。
【文檔編號】G01T1/24GK104285164SQ201380025271
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權日:2012年5月15日
【發(fā)明者】R·貝拉茲尼 申請人:R·貝拉茲尼