專利名稱：二維輻射探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維輻射探測器，它適用于探測諸如X射線類輻射的X射線照相以及其它診斷裝置，輻射包括其在二維方向上的入射位置。
迄今已有各項專利申請涉及固態(tài)掃描型的二維輻射探測器(例如見日本專利申請(未審查)253185/90、185865/91、206573/92、212456/92以及212458/92)。綜觀這些申請，可以說，傳統(tǒng)的二維輻射探測器都具有如

圖1A至1E、圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)。
參見圖1A、傳統(tǒng)的探測器具有一種多層結(jié)構(gòu)，它包括閃爍體11、半透明電極膜12、光電導膜13以及掃描開關(guān)層14。如圖1B所示，半透明電極膜12采取整體均勻平面的形式。掃描開關(guān)層14包括按矩陣形式排列，并與光電導膜13接觸的導體41;對應于導體41各行的條形行導體42;對應于導體41各列的條形列導體43;以及大量的開關(guān)元件(場效應晶體管FETs)45。每個開關(guān)元件45的漏極連接到矩陣導體41之一，其源極連接到列導體46之一，其柵極連接到行導體42之一(見圖1C、1D、1E、2和3)。半透明電極膜12從偏置電源44接受某一預定的電位。掃描開關(guān)層14的行導體42分別連接到驅(qū)動電路15的控制線。列導體46分別連接到信號讀出線的信號讀出電路16。
閃爍體11在受到X射線撞擊時發(fā)光，該光經(jīng)由半透明電極膜12傳導到光電導膜13，由此使電荷累積在光電導膜13上。即閃爍體11將X射線照相圖像轉(zhuǎn)換成光學圖像，而光電導膜13將該光學圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像。通過驅(qū)動FETs45，以逐個像素方式讀出光電導膜13上的電荷，每個像素對應于每個矩陣導體41。尤其是，當驅(qū)動電路向行導體42之一提供驅(qū)動信號時，位于該行(例如“i”行)的FETs45全部導通，致使對應于相應像素的電荷存儲電流經(jīng)由相應列導體46同時從位于“i”行和相應列的矩陣導體41得到恢復。
在上述傳統(tǒng)的二維輻射探測器中，列導體46直接連接到開關(guān)元件(FETs)的電極(源極)。因此，開關(guān)元件的轉(zhuǎn)換噪聲通過柵極與源極之間的雜散電容傳送到源極而疊加在讀出信號電流上，由此降低了圖像質(zhì)量。
本發(fā)明考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀，其目的在于提供一種改進的二維輻射探測器，它能夠阻止開關(guān)元件的轉(zhuǎn)換噪聲疊加在讀出信號電流上，由此提高圖像質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明，通過用一種二維輻射探測器獲取被轉(zhuǎn)換成電信號的X射線照相圖像，從而實現(xiàn)上述目的。所述探測器包括用以將X射線照相圖像轉(zhuǎn)換成光學圖像的閃爍體;
用以將光學圖像轉(zhuǎn)換成以電荷為基礎(chǔ)的圖像的光電導膜;
在光電導膜相對兩面形成的半透明電極膜和掃描開關(guān)層;以及連接至掃描開關(guān)層的驅(qū)動電路;
其中，掃描開關(guān)層包括以矩陣形式排列并與光電導膜相接觸的多個導體;
其上施加偏置電壓的導體;
介于以矩陣式排列的導體與施加有偏壓的導體之間的多個開關(guān)元件;以及用以將驅(qū)動信號從驅(qū)動電路加到開關(guān)元件的行導體;
上述半透明電極膜包括與以矩陣形式排列的導體的各列相對應的列導體，每個列導體連接至一條信號讀出線。
根據(jù)本發(fā)明，該閃爍體當受到X射線撞擊時即發(fā)光。于是，由該閃爍體產(chǎn)生的光學圖像經(jīng)由半透明電極膜傳導到光電導膜，電荷圖像由此存儲在光電導膜上。當驅(qū)動電路接通位于一行中的開關(guān)元件時，一個偏置電壓即經(jīng)由開關(guān)元件施加到位于一行的矩陣導體上。該偏置電壓將一個電場加到光電導膜上，后者介于位于一行的矩陣導體與半透明電極膜的列導體之間。結(jié)果，在相對于一行矩陣導體的光電導膜位置上存儲的電荷所形成的放電電流，經(jīng)半透明電極膜的列導體流到信號讀出線上。這樣，光電導膜便介于開關(guān)元件與信號讀出線之間。由于開關(guān)元件與信號讀出線之間存在的距離，且由于光電導膜有一個電容量，故上述轉(zhuǎn)換噪聲很少有機會進入信號讀出線。于是，可以用信-噪比已有改善的信號電流來提高圖像質(zhì)量。
閃爍體不局限于任何特定的類型，只要它能將入射的輻射轉(zhuǎn)換成可見光即可。當入射的輻射為X射線時，閃爍體最好由摻鈉碘化銫(CsINa)的一種針狀結(jié)晶體結(jié)構(gòu)組成。
此外，光電導膜最好包括一種硒(Se)為主要成分的非晶態(tài)半導體層。
被施加以偏置電壓的導體，最好包括一個覆蓋開關(guān)元件的均勻的平面導體，這將有效地避免外部噪聲的干擾。
例如，開關(guān)元件由場效應晶體管(FET)組成，每個FET的漏極連接至以矩陣形式排列的導體之一，其源極連同其它FET的源極一起連接到被施加以偏壓的導體，其柵極連同位于同一行的其它FET，經(jīng)由該行導體之一連接到驅(qū)動電路。當驅(qū)動電路將一個驅(qū)動信號加到柵極時，位于一行中的FET導通，以此將偏置電壓加到位于一行的矩陣導體上。
當偏置電壓為高電壓時，驅(qū)動電路最好包括接地部分、未接地部分以及隔離器部分。接地部分產(chǎn)生的低壓電平的驅(qū)動信號用以逐行接通開關(guān)元件;未接地部分用以將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成具有偏壓電平的驅(qū)動信號;隔離器部分則在電氣上隔開接地部分與未接地部分。
此外，可以劃分一下半透明電極膜的列導體，使之對應于多行按矩陣形式排列的導體。這樣，列導體的長度可以減小，由此降低噪聲的影響。
行導體可以被劃分并設(shè)置成垂直于列導體延伸，驅(qū)動信號同時施加到被劃分行導體中多個相應的行導體上。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于減少了行導體每幀被切換的次數(shù)，由此減小了每一幀的頻率帶寬，以改善信-噪比(S/N)。
為了說明本發(fā)明，以下結(jié)合附圖描述幾個較佳形式，然而，不言而喻，本發(fā)明并不局限于所示的配置和手段。
圖1A至1E是一個傳統(tǒng)二維輻射探測器的示意圖;
圖2是傳統(tǒng)探測器中FET的一種連接配置示意圖;
圖3是傳統(tǒng)探測器中FET和信號讀出電路的一種連接配置示意圖;
圖4A至4E是實施本發(fā)明的一個二維輻射探測器的示意圖;
圖5是實施本發(fā)明的探測器中FET的一種連接配置示意圖;
圖6是實施本發(fā)明的探測器中FET和信號讀出電路的一種連接配置示意圖;
圖7是實施本發(fā)明的探測器的一個示意性剖視圖;
圖8A至8D是說明實施本發(fā)明的探測器工作的時序圖;
圖9A和9B是根據(jù)本發(fā)明的一種改型二維輻射探測器的示意圖;
圖10A和10B是根據(jù)本發(fā)明的另一種改型探測器的示意圖。
下面參照附圖詳細描述本發(fā)明的一個較佳實施例。
如圖4A所示，根據(jù)本發(fā)明的二維輻射探測器具有一種多層結(jié)構(gòu)，它包括閃爍體11、半透明電極膜12、光電導膜13以及掃描開關(guān)層14。如圖4B所示，半透明電極膜12由離散的條形列導體21組成。每個列導體21連接至信號讀出線的信號讀出電路16(也可參見圖6)。
閃爍體11由一種對X射線敏感以產(chǎn)生可見光線的材料，諸如用摻鈉碘化銫(CsINa)、Zns或CaWo4制成。從X射線轉(zhuǎn)換效率的觀點來看，最好采用一種針狀晶體結(jié)構(gòu)的CsINa。CsINa的膜厚一般在200至400μm的數(shù)量級。
半透明電極膜12由一種半透明導電膜，諸如用ITO(銦、錫和氧的合金)或SnO2制成。半透明電極膜12盡可能做得薄些(約為300 )，以避免光的散射。
光電導膜13由一種以硒(Se)為主要成分的非晶半導體層(a-Se)，以硅(Si)為主要成分的非晶半導體層(a-Si)或類似的材料制成。特別是a-Se，由于施加其上的強電場在內(nèi)部產(chǎn)生雪崩效應，從而形成一種極好的電子倍增功能。光電導膜13的厚度通常為4至20μm數(shù)量級。
掃描開關(guān)層14包括按矩陣形式排列并與光電導膜13相接觸的導體41(見圖4c)、對應于導體41各行的條形行導體42(見圖4D)、以及起開關(guān)元件作用的多個FET45，每個FET的漏極連接到矩陣導體41之一，其柵極連接到行導體42之一。如圖4E所示其整塊平面為均勻形式的導體43連接到每個FET45的源極(也見圖5和圖6)。均勻平面導體43從偏置電源44接受偏壓。如果光電導膜13由a-Se制成，則由于雪崩效應，偏置電壓將一個108V/m數(shù)量級的強電場加到光電導膜13上。
圖7示意性地表示上述二維輻射探測器的一種元件結(jié)構(gòu)。按底部開始的排列次序，該結(jié)構(gòu)包括均勻平面導體43、聚酰亞胺樹脂層47a、柵極G(行導體42)、氮化硅層47b、本征a-SiH層47c、N型層47d、氮化硅層47e、源極S、漏極D、聚酰亞胺樹脂層47f、矩陣導體41、光電導膜13、半透明電極膜12以及閃爍體11。
上述元件結(jié)構(gòu)例如可以按如下形成。
閃爍體11用真空蒸發(fā)在一種由例如鋁或玻璃的X射線透射材料制成的襯底(未圖示)上淀積CsINa而形成。另一方面，掃描開關(guān)層14的各個元件層疊在諸如玻璃(未圖示)的絕緣襯底上，而后在其上形成光電導膜13和半透明電極膜12。前一塊襯底上的閃爍體11及后一塊襯底上的半透明電極膜12，用例如聚酰亞胺樹脂粘結(jié)在一起。
連接至FET45柵極G的行導體42還連接到驅(qū)動電路15的控制線。驅(qū)動電路15包括未接地部分51、光隔離器部分52以及接地部分53。接地部分53產(chǎn)生一個接近于接地電位的低電壓的FET掃描信號。未接地部分51利用對應于偏置電壓的一個電壓偏移該FET掃描信號。未接地部分51和控制線通過光隔離器部分52與接地部分53隔離。由于高的偏置電壓(例如500至1000V)通過均勻平面導體43被施加到FET45的源極上，因此，必須使控制線與地隔開?？梢圆捎迷陔姎馍蠈⒖刂凭€與地隔離的結(jié)構(gòu)來取代上述的光隔離器部分52，例如用以阻擋直流成分的電容器或用以形成電磁隔離的電感。
當X射線撞擊閃爍體11的入射平面時，X射線照相圖像轉(zhuǎn)換成光學圖像，后者再通過光電導膜13轉(zhuǎn)換成電荷圖像。通過激活FET45，光電導膜13上的電荷被逐個像素地讀出，每個像素對應于每個矩陣導體41。由圖6可見，讀出信號電流通過半透明電極膜12的各個列導體21取出，并經(jīng)由保護電阻61流到電荷讀出前置放大器62的積分電容63。讀信號電流存儲于積分電容63中，并作為電壓信號輸出到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(未圖示)。在完成模-數(shù)轉(zhuǎn)換后，可操作積分開關(guān)64，讓積分電容63短路，使電容63放電準備下一次掃描。
例如，假設(shè)驅(qū)動信號加到“i”行的控制線上，以驅(qū)動“i”行的所有FET45。這樣，對應于“i”行并按各個列排列的矩陣導體41的像素信號同時被讀出。對說明本實施例的圖6與說明現(xiàn)有技術(shù)的圖3作一比較可以清楚地看出，本實施例中的每個信號讀出電路16連接到半透明電極膜12的列導體21之一，而半透明電極膜12與跨越光電導膜13的掃描開關(guān)層14二者正相對。于是，光電導膜13插在信號讀出電路16與FET45之間。光電導膜13的容性作用，以及FET45的柵極G與半透明電極膜12的列導體21之間的距離作用結(jié)合在一起，抑制FET45的柵極漏電流和來自掃描開關(guān)層14的其它開關(guān)噪聲進入信號讀出線。結(jié)果，信號電流的信噪比得到了改善，從而提供高質(zhì)量的圖像信號。上述容性作用表示，如圖6所示將來自柵極G的噪聲傳送到信號讀出電路16的一個等效電路，包括一個串聯(lián)連接的CGD(柵一漏極雜散電容)和Cp(光電導膜13相對一個像素的電容量)。該串聯(lián)連接的組合電容量取決于其中較小的那個電容量。因此，當Cp較小時，與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的容性作用較顯著。此外，均勻平面導體43作為導體連接至掃描開關(guān)層14各個FET45的源極，它產(chǎn)生一種屏蔽作用以阻擋外部噪聲。
圖8A至8D表示一個定時圖，其中矩陣導體41排列成一個1000×1000的矩陣，掃描開關(guān)層14以每秒30次的速率掃描這些矩陣導體41，以每秒30幀的速率輸出圖像信號。圖8A表示以控制線偏置電壓為基礎(chǔ)的電位。驅(qū)動電路15將一個高電壓逐行加到控制線上，使所選一行(例如“i”行)中的FET45導通。以矩陣導體41的“i”行和“j”列中的一個像素為例，為“i”行中的FET45導通時，鄰近該像素(由于X射線入射的電荷累積而處于高電平，如圖8B所示)的光電導膜13的電平下降到偏置電壓的電平(注意，圖8是參照偏置電壓畫的)。另一方面，如圖8C所示，像素(i，j)的信號讀出電流流到連接于“j”列的信號讀出線。該信號電流存儲于電荷讀出前置放大器62的積分電容63內(nèi)，并作為一個積分電壓信號輸出，如圖8D所示。在積分開關(guān)64動作之前的一個保持期間，模-數(shù)轉(zhuǎn)換根據(jù)該信號執(zhí)行。
本發(fā)明可以按以下的替換方式實施(1)在前述實施例中，半透明電極膜12的列導體21做成在其整個列方向上覆蓋所有矩陣導體41的條形，如圖4B所示。這種設(shè)置可以按圖9A所示變換，即包括以垂直方向分斷的條形設(shè)置的列導體21a和21b。每個列導體21a和21b連接到信號讀出電路16。如圖9B所示，為了讀出信號，行導體42對應于垂直分斷的列導體21a和21b被劃分為兩組，驅(qū)動信號同時加到圖9B中數(shù)目相同的兩組行導體42。于是，按兩組行設(shè)置的FET45同時導通，由此通過列導體21a和21b同時讀得這兩組行中像素的電荷。
(2)如圖10A所示，半透明電極膜12可以包括四組列導體21c-21f。列導體21c和21f水平延伸，而列導體21d和21e則垂直延伸。如圖10B所示，行導體42對應于列導體21c-21f也分為四組42c-42f。行導體42c-42f分別垂直于其對應的列導體21c-21f延伸。每個列導體21c-21f連接到一個信號讀出電路16。為了讀取信號，驅(qū)動信號同時加到圖10B中數(shù)目相同的四組行導體42c-42f。結(jié)果，連接至四組行導體42c-42f的FET45同時導通，由此通過列導體21c-21f同時讀得對應于四組行導體42c-42f的像素的電荷。
根據(jù)上述變換方案(1)和(2)，讀出信號線(列導體)的長度為前述實施例中相應信號線長度的一半。由此可以減小噪聲影響。
無可否認，上述變換方案需要有兩倍于前述實施例中的信號讀出電路16。然而，由于在對應于多個行導體的像素中存儲的電荷可同時被讀出，故每幀時間內(nèi)行導體被切換的次數(shù)可以減少(即在前述實施例中進行N次切換，而在上述變換方案(1)和(2)中進行N/2次切換)。因此，每一幀的頻率帶寬減半，相應地改善了信噪比(S/N)。
本發(fā)明在不脫離其精神或基本特征的情況下，也可以用其它特定的形式實施，因此，有關(guān)本發(fā)明的范圍其依據(jù)應當是附屬的權(quán)利要求書，而不是前述的說明書。
權(quán)利要求
1.一種獲得被轉(zhuǎn)換成電信號的X射線照相圖像的二維輻射探測器，所述探測器包括用以將所述X射線照相圖像轉(zhuǎn)換成光學圖像的閃爍體；用以將所述光學圖像轉(zhuǎn)換成以電荷為基礎(chǔ)的圖像的光電導膜；在所述光電導膜相對兩面形成的半透明電極膜和掃描開關(guān)層；連接至所述掃描開關(guān)層的驅(qū)動電路；其特征在于，所述開關(guān)層包括以矩陣形式排列并與所述光電導膜相接觸的多個導體；其上施加偏置電壓的導體；介于以矩陣形式排列的導體與其上施加偏置電壓的導體之間的多個開關(guān)元件；以及用以將驅(qū)動信號從所述驅(qū)動電路加到所述開關(guān)元件的行導體；所述半透明導電膜包括對應于所述以矩陣形式排列的導體各列的列導體，每個所述列導體連接至一信號讀出線。
2.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述閃爍體包括摻鈉碘化銫(CsI∶Na)的一種針狀晶體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述光電導膜包括硒(Se)為其主要成分的一種非晶態(tài)半導體層。
4.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述其上施加偏置電壓的導體包括覆蓋所述開關(guān)元件的均勻平面導體。
5.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述開關(guān)元件包括場效應晶體管(FET)，每個場效應晶體管的漏極連接至以矩陣形式排列的所述導體之一;其源極連同其它場效應晶體管的源極一起連接至其上施加偏置電壓的所述導體;其柵極連同同一行的其它場效應晶體管一起經(jīng)由所述行導體之一連接至所述驅(qū)動電路。
6.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述驅(qū)動電路包括用以產(chǎn)生低壓電平的驅(qū)動信號，以逐行方式接通所述開關(guān)元件的接地部分;用以將所述驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為具有偏壓電平的驅(qū)動信號的未接地部分;以及用以在電氣上隔離所述接地部分與所述未接地部分的隔離器部分。
7.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，每個所述列導體連接至一個信號讀出電路，所述信號讀出電路包括電荷讀出前置放大器及積分電容器，以同時讀取對應于一行所述以矩陣形式排列的導體的像素的信號，所述一行含有用所述驅(qū)動電路接通的所述開關(guān)元件。
8.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述列導體被劃分成對應于以矩陣形式排列的多行所述導體。
9.如權(quán)利要求1所述的二維輻射探測器，其特征在于，所述行導體被劃分并設(shè)置成垂直于所述列導體而延伸，所述驅(qū)動信號同時施加到所述被劃分的行導體中多個相應的行導體。
全文摘要
一種二維輻射探測器具有一種包括閃爍體、半透明電極膜、光電導膜和掃描開關(guān)層的多層結(jié)構(gòu)。該掃描開關(guān)層包括以矩陣形式排列、并與光電導膜相接觸的導體，對應于以矩陣形式排列的導體的多個FET，以及經(jīng)由FET逐行依次將偏壓加到矩陣導體的均勻平面導體。每個FET的漏極連接至矩陣導體之一，其源極連接至均勻平面導體，其柵極連接至驅(qū)動電路。半透明電極膜包括對應于各列矩陣導體的列導體，每個列導體連接至信號讀出線。
文檔編號G01T1/20GK1102884SQ9410770
公開日1995年5月24日 申請日期1994年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月30日
發(fā)明者及川四郎, 竹本隆之, 加藤務(wù), 鈴木四郎, 谷岡健吉 申請人:株式會社島津制作所