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成象裝置的制作方法

文檔序號:6816864閱讀:100來源:國知局
專利名稱:成象裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及成象裝置,具體地說,本發(fā)明涉及利用輻射形成圖象的裝置。本申請為美國專利申請No.08/426691(申請日為1995年4月21日)和國際申請PCT/US96/05617(國際申請日為1996年4月22日)的部分后續(xù)申請。
發(fā)明
背景技術(shù)
采用照相膠片的膠片-屏幕X-射線成象裝置廣泛用于醫(yī)療成象。但是,由于膠片對比度范圍有限以及成象區(qū)域組織厚度和成分的變化,常常造成膠片的某些區(qū)域曝光過度,而另一些區(qū)域曝光不足。辨別膠片上曝光過度和曝光不足區(qū)域內(nèi)軟組織的對比度差別是很困難的。這個(gè)問題在膠片-屏幕乳腺X-射線成象中尤其突出。
人們已經(jīng)作出一些嘗試,利用電子圖象傳感器代替膠片。電子圖象傳感器與膠片相比具有一些潛在的優(yōu)點(diǎn),其中包括能夠在更大的范圍內(nèi)更加準(zhǔn)確地測量X-射線強(qiáng)度、能夠?qū)D象數(shù)據(jù)數(shù)字化、易于保管和傳輸圖象數(shù)據(jù)、提高了顯示性能。
但是,由于缺乏相對便宜、緊湊、具有足夠成象面積和分辨率的數(shù)字X-射線圖象傳感器,妨礙了數(shù)字X-射線放射技術(shù)的廣泛的臨床應(yīng)用。目前的數(shù)字X-射線成象系統(tǒng)通常使用一個(gè)熒光板,該熒光板將每個(gè)X-射線光子轉(zhuǎn)換成大量的可見光光子以形成一幅可見光圖象。然后將該可見光圖象成象到一個(gè)光學(xué)圖象傳感器如CCD上。但是,X-射線-可見光的轉(zhuǎn)換效率相對較低,光子采集率較低,光子產(chǎn)生附加量子噪聲,以及在X-射線-可見光轉(zhuǎn)換器中光擴(kuò)散造成分辨率下降,這些因素都使這些技術(shù)的成象性能降低。
已知硒是一種光電導(dǎo)物質(zhì),即吸收在處于電場中的硒層中的X-射線光子生成大量電子/空穴對,使得電流流過其它情況下為絕緣狀態(tài)的絕緣層。施樂公司開發(fā)了一種X-射線成象裝置,在該裝置中,采用紙/墨粉方法記錄鍍硒鋁板上的X-射線感生電荷分布。菲利普公司近來向市場推出了一種胸部X-射線成象儀,在該成象儀中利用掃描靜電計(jì)記錄鍍硒鋁板上的X-射線感生電荷分布。
金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)制造技術(shù)是一種成熟工業(yè)技術(shù),按照這種技術(shù)在硅晶片上表面上或者上表面內(nèi)制作集成電路?;パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)將n-溝道和p-溝道發(fā)射極結(jié)合在一個(gè)晶片上。MOS技術(shù)在制造晶體管時(shí)通常利用單晶硅襯底作為半導(dǎo)體材料。當(dāng)我們在本申請中使用術(shù)語“單晶硅襯底”時(shí),我們指的是由排列成具有相對較少缺陷的規(guī)則晶格的硅原子構(gòu)成的襯底。單晶硅中電荷載體的高遷移率和邊界清晰的能帶隙使得能夠制成響應(yīng)速度快、體積小、噪聲低的電路系統(tǒng)。在金屬氧化物半導(dǎo)體制造中還可以使用其它的半導(dǎo)體晶體材料。這些材料包括電絕緣體上的晶體硅(例如氧化硅或藍(lán)寶石)、砷化鋁鎵和砷化銦鎵。
薄膜晶體管(TFT)技術(shù)是一種新興半導(dǎo)體制造技術(shù),按照這種技術(shù),使用薄膜半導(dǎo)體材料如無定形硅、多晶硅或淀積在絕緣襯底上的無定形硒化鎘制造晶體管。TFT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以用于制作大面積電路。但是,這些薄膜的無序分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電荷遷移率較低和在能帶隙中局部能態(tài)密度集中。與CMOS電路相比,TFT電路通常較慢,并且由于漏電流較大而存在噪聲。
目前已經(jīng)有人提出和開發(fā)出用于直接獲得數(shù)字X-射線圖象的多種方法。例如,Zhao和Rowlands(Proc.SPIE 1993;1896114-120)提出了使用硒化鎘TFT技術(shù)用無定形硒涂層制作的一種讀出陣列。Tran等人在美國專利US-5235195中公開了一種TFT陣列電路,其上首先涂覆一層“平面化”層,然后在該平面化層之上涂覆一層對能量敏感的材料。實(shí)際上,仍然需要一種改進(jìn)的X-射線成象裝置。本發(fā)明就提供了這樣一種裝置。
發(fā)明概要本發(fā)明提供利用可生成電子-空穴的輻射產(chǎn)生圖象的一種成象裝置。電子-空穴對產(chǎn)生于光電導(dǎo)材料的輻射吸收層中。這一輻射吸收層覆蓋著結(jié)合在半導(dǎo)體襯底中和形成在半導(dǎo)體襯底上的一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路陣列。每個(gè)象素電路具有一個(gè)電荷收集象素電極、與該電極相連以存儲這些電荷的一個(gè)電容器和一個(gè)電荷測量晶體管電路。一個(gè)電壓源在象素電極與覆蓋所說輻射吸收層的可透過輻射的表面電極之間的輻射吸收層上產(chǎn)生一個(gè)電場。一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并保存由電荷測量值獲得的數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算生成圖象。
圖象可以顯示在顯示器上或從打印機(jī)上打印出來。優(yōu)選實(shí)施例從X-射線、紫外光和可見光獲得圖象。還可以利用粒子輻射獲得圖象。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)TFT所具有的優(yōu)點(diǎn)來自我們對于金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)的眾多益處的開發(fā)。這些優(yōu)點(diǎn)包括非常好的電路特性,以及設(shè)計(jì)的靈活性,這使得我們,在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,能夠很容易地將象素陣列和讀出電路系統(tǒng)一起形成在一個(gè)硅晶片上。
附圖簡介

圖1為表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的主要部分的示意圖。
圖2A至圖2D為表示本發(fā)明的基本工作狀態(tài)的電路圖。
圖3為表示由本發(fā)明人制作和測試的原型傳感器的剖面圖。
圖4為原型電子讀出陣列的頂視圖。
圖5為原型讀出陣列的象素陣列的一個(gè)象素中各個(gè)元件的電路示意圖。
圖6為用于原型實(shí)施例中的電子讀出陣列的示意圖。
圖7為用于讀出電路系統(tǒng)中的移位寄存器的一個(gè)單元的電路示意圖。
圖8A和圖8B為表示用于讀出電路系統(tǒng)中的采樣和保持電路的電路示意圖。
圖9為表示象素陣列的一個(gè)象素中各個(gè)元件的實(shí)際布圖的頂視圖。
圖10-12為表示象素陣列的一個(gè)象素中實(shí)際布圖的三個(gè)剖面圖。
圖13A和圖13B表示一個(gè)金屬絲網(wǎng)篩和利用第一優(yōu)選實(shí)施例獲得的金屬絲網(wǎng)篩的X-射線圖象。
圖14A和圖14B表示縫紉針的一部分和利用第一優(yōu)選實(shí)施例獲得的針的一部分的X-射線圖象。
圖15A和圖15B表示由發(fā)明人制作的圖象傳感器的主要元件。
圖16為第二優(yōu)選實(shí)施例中電子讀出陣列的示意圖。
圖17A和圖17B為表示用于組合多個(gè)圖象傳感器以構(gòu)成較大規(guī)格的成象傳感器的一種方法的示意圖。
圖18為本發(fā)明用于乳腺X-射線照相的示意圖。
圖19為表示利用一條圖象傳感器連續(xù)地對一個(gè)物體的不同區(qū)域成象的一種方法的示意圖。
圖20A和圖20B為表示用于組合多個(gè)圖象傳感器以構(gòu)成一個(gè)較大規(guī)格圖象傳感器的一種方法的示意圖。
圖21為一個(gè)X-光透視原型讀出陣列的象素陣列的一個(gè)象素中各個(gè)元件的電路示意圖。
圖22為用于X-光透視實(shí)施例中電子讀出陣列的示意圖。
圖23A和圖23B為表示用于X-光透視原型讀出陣列的讀出電路系統(tǒng)中的采樣和保持電路的電路示意圖。
圖24為表示本發(fā)明用于紫外光/可見光成象的優(yōu)選實(shí)施例的主要部分的示意圖。
圖25A和圖25B分別為利用第一優(yōu)選實(shí)施例獲得的一個(gè)小孔的紫外光圖象和X-射線圖象的數(shù)字打印輸出。
圖26為利用本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例獲得的一只老鼠的X-射線圖象的數(shù)字打印輸出。
圖27表示一個(gè)紫外光或可見光傳感器。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述基本概念本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可以參照圖1和圖2A至2D進(jìn)行介紹。由X-射線源4產(chǎn)生的射向目標(biāo)6的X-光子2或者被目標(biāo)6吸收,或者穿過目標(biāo)6。通過目標(biāo)6的大部分X-光子還穿過X-射線透明導(dǎo)電層8,并被X-射線傳感器1的吸收層10吸收。每一個(gè)被吸收的X-光子在被吸收的過程中在吸收層10中吸收點(diǎn)附近產(chǎn)生大量的電子/空穴對。由電壓源16在透明導(dǎo)電層8與象素陣列9中的各個(gè)電極14之間施加的電壓驅(qū)使這些電子/空穴對中的空穴遷移到位于象素陣列9附近的各個(gè)電極14。象素陣列9和讀出電路18共同構(gòu)成電子讀出陣列12,并制作在一個(gè)單晶硅襯底7上或其中。由電子讀出陣列12輸出的表示吸收在吸收層10中的X-光子的電信號從象素陣列9經(jīng)由讀出電路18傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20,在數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20中這些電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),并存儲在計(jì)算機(jī)23中。利用計(jì)算機(jī)23中的軟件根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出圖象,并將目標(biāo)6的X-射線圖象顯示在監(jiān)視器22上。
象素陣列9中每個(gè)象素由一個(gè)象素電路11構(gòu)成。在圖2A至圖2D中表示了其中的三個(gè)象素電路11(用虛線隔開)。圖2A中表示三個(gè)X-光子2穿過透明導(dǎo)電層8并吸收在吸收層10中,每個(gè)X-光子在被吸收的X-光子附近產(chǎn)生多個(gè)電子/空穴對。例如,在無定形硒層中具有中等X-射線能量的一個(gè)典型的X-射線光子可以釋放大約100對電子空穴對。在圖2A-D中,我們用兩個(gè)+號和兩個(gè)-號表示這100個(gè)電子/空穴對。如圖2B所示,施加在層8上的一個(gè)正電勢迫使正電荷(空穴)17向下遷移到象素電路11中的電極14,負(fù)電荷(電子)25向上遷移到透明導(dǎo)電層8。由電壓源16施加的電壓足夠大,使得空穴17只有非常微小的橫向擴(kuò)散。電極14收集正電荷17,并將這些電荷存儲在電容器24中,于是在電容器24兩端產(chǎn)生正比于所收集電荷量的電壓。如圖2C所示,在X-射線源4關(guān)閉之后,所采集的正電荷17(進(jìn)而電容器24兩端的電壓)基本保持不變。通過連續(xù)地關(guān)閉每個(gè)象素電路11的選擇開關(guān)30以將電容器24上的電壓施加到輸出線上,表示為Col(out),可以無擾動(dòng)地記錄每個(gè)象素電容器24的端電壓。圖2D表示,通過關(guān)閉所有的復(fù)位開關(guān)26和使所有的電容器24短路接地可以使所有象素電路11所收集的電荷17同時(shí)從地電位27排出。
讀者應(yīng)當(dāng)注意,在以上描述中,透明導(dǎo)電層8由高壓電源16通以正電壓。通過使透明導(dǎo)電層8帶有負(fù)電荷可以使傳感器極性相反。在這種情況下,電子可以收集在電極14上,類似的電路系統(tǒng)利用所形成的負(fù)電荷可以生成圖象。
8×16象素傳感器原型圖3和圖4表示本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例是由發(fā)明人和他們的合作工人制造和測試的一個(gè)8×16象素的數(shù)字X-射線圖象傳感器原型。成象單元包括排列成8×16陣列的128個(gè)象素電路11構(gòu)成的象素陣列9。每個(gè)象素電路11的大小為66微米×66微米(大約相當(dāng)于人發(fā)的直徑),從而總的成象面積為0.5毫米×1毫米。讀出電路18包括用以選擇象素陣列9中的一行象素電路11進(jìn)而讀出的移位寄存器32。讀出電路18還包括用于列選擇的一個(gè)移位寄存器36、采樣和保持電路54、雙向開關(guān)56、和象素復(fù)位電路。共同構(gòu)成電子讀出陣列12的象素陣列9和讀出電路18制作在一個(gè)單晶硅襯底7中和其上。電子讀出陣列12周圍的連線焊片33將讀出電路18與數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20相連,如圖1所示。象素陣列9和讀出電路18覆蓋有一層均勻的無定形硒10,其上又覆蓋有透光電極層8。在這個(gè)實(shí)施例中電極層8為非常薄的一層銀,其對X-射線來說基本是透明的。
傳感器電路圖5為一個(gè)單獨(dú)的象素電路的電路示意圖。經(jīng)由電極14收集的電荷Q(in)使345毫微微法拉的電容器24充電產(chǎn)生正比于收集電荷Q(in)的電壓。源極輸出晶體管41用作這個(gè)電壓的緩沖器,能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的讀出。施加在線路53上的一個(gè)數(shù)字選擇信號SEL使選擇晶體管30導(dǎo)通和使源極輸出晶體管41的源極與列讀出線28相連。然后,源極輸出晶體管41與位于陣列邊沿的電流源晶體管110共同作用在列讀出線28上建立電壓COL(out),該電壓跟隨電容器24的電壓,并具有一個(gè)小的(大約0.5伏特)的正電壓偏置。在已經(jīng)讀出電容器24上的電荷量之后,施加在線路29上的復(fù)位信號RST能夠使復(fù)位晶體管26重新導(dǎo)通,并將電荷從電容器24經(jīng)地電位27排出。
參照圖5至圖8可以描述整個(gè)電子讀出陣列12的電路。圖6示意性表示了由象素陣列9和讀出電路18構(gòu)成的電子讀出陣列12。主要電路部分包括構(gòu)成象素陣列9的128個(gè)相同的象素電路11、行選移位寄存器32、列選移位寄存器36、16個(gè)采樣和保持電路54、和16個(gè)雙向開關(guān)56。
每個(gè)象素電路11中電容器24上的電壓由讀出電路按照下述方式連續(xù)記錄。當(dāng)行選移位寄存器32通過緩存器50觸發(fā)行選線路53時(shí),選定整個(gè)第一行(1.1、1.2、…1.16)象素電路11,所說緩存器關(guān)閉第一行中每一個(gè)象素11的選擇晶體管30。緩存器50由兩個(gè)常規(guī)的反相電路48構(gòu)成。然后分兩個(gè)步驟連續(xù)無擾地讀出第一行中的每個(gè)象素電路11。首先,當(dāng)一個(gè)數(shù)字信號從線路37同時(shí)施加到采樣和保持電路54上時(shí),利用獨(dú)立的采樣和保持電路54對16個(gè)象素電路11(1.1、1.2、…1.16)同時(shí)分別采樣。這個(gè)采樣過程在每個(gè)采樣和保持電路54(下文中介紹)的輸出線55上產(chǎn)生一個(gè)電壓,該電壓與每條列讀出線28的電壓相同,只是具有較小(大約1伏特)的正電壓偏置。然后,在列選移位寄存器36(下文介紹)的控制下,將由16個(gè)采樣和保持電路54采樣的輸出線55的電壓通過雙向開關(guān)56連續(xù)地傳輸?shù)捷敵鼍€71。設(shè)置有漏電流源58的源極輸出晶體管61緩沖了輸出線71上的電壓,晶體管75相對于該電壓來說用作上拉電阻。在輸出線72上的所得模擬電壓信號被傳送到數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20。讀出程序繼續(xù)進(jìn)行,連續(xù)地選擇其余7行象素電路11,并以類似方式從這些行中采集電壓數(shù)據(jù)。與在CCD陣列情況一樣,在象素電路11與讀出電路18之間不存在電荷遷移。我們開發(fā)的CMOS陣列的這種特征使得能夠進(jìn)行無損耗的讀出和只有非常低的功耗。
8單元行選移位寄存器32和16單元列選移位寄存器36具有相同的結(jié)構(gòu)特征?;驹O(shè)計(jì)包括一列主從觸發(fā)器電路44,一個(gè)觸發(fā)器44的輸出與下一個(gè)觸發(fā)器44的輸入端相連。在時(shí)鐘信號的每個(gè)全周期中移位寄存器32和36將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(高電平或低電平)從一個(gè)觸發(fā)器44轉(zhuǎn)移到下一個(gè)觸發(fā)器44。四條同步單頻時(shí)鐘線與各個(gè)觸發(fā)器44并聯(lián)連接,每一條時(shí)鐘線分別用于傳輸主時(shí)鐘信號CM、反相主時(shí)鐘信號CMB、由主時(shí)鐘CM延遲半個(gè)周期的從時(shí)鐘信號CS和反相從時(shí)鐘信號CSB。輸入數(shù)據(jù)線73在時(shí)鐘信號的一個(gè)周期內(nèi)上升為高電平,然后在其后的時(shí)鐘脈沖周期中保持低電平,一個(gè)高電平信號沿著移位寄存器輸出線67從移位寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。行選移位寄存器32在主時(shí)鐘信號VCM47和從時(shí)鐘信號VCS46的控制下連續(xù)地選擇象素陣列9中的每一行。列選移位寄存器36在主時(shí)鐘信號HCM69和從時(shí)鐘信號HCS68的控制下連續(xù)選擇每一個(gè)雙向開關(guān)56。
圖7為一個(gè)主從觸發(fā)器44的電路示意圖。其結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的相同觸發(fā)器電路,一個(gè)觸發(fā)器由主時(shí)鐘CM和CMB控制,下一個(gè)觸發(fā)器由從時(shí)鐘CS和CSB控制。主觸發(fā)器由與倒相器96串聯(lián)的雙向開關(guān)94構(gòu)成,所說雙向開關(guān)由主時(shí)鐘CM和CMB控制。三態(tài)倒相器102提供反饋以使得主觸發(fā)器能夠?qū)崿F(xiàn)雙穩(wěn)操作。從觸發(fā)器由與倒相器100串聯(lián)的雙向開關(guān)98構(gòu)成,所說雙向開關(guān)由從時(shí)鐘CS和CSB控制。三態(tài)倒相器104具有反饋以使得從觸發(fā)器能夠?qū)崿F(xiàn)雙穩(wěn)操作。雙向開關(guān)94的D輸入端73的邏輯信號(高電平或低電平)通過主時(shí)鐘CM的一次轉(zhuǎn)換傳送到雙向開關(guān)98的輸入端。然后由相對于主時(shí)鐘略微延遲的從時(shí)鐘CS的一次轉(zhuǎn)換將雙向開關(guān)98輸入端的邏輯信號傳送到輸出端Q67。
圖8為圖6所示16個(gè)采樣和保持電路54之一的示意圖。當(dāng)由移位寄存器32選擇一行象素電路11時(shí),該行所有象素中的選擇晶體管30導(dǎo)通以將每個(gè)采樣和保持電路54的輸入端28與每個(gè)象素上的源極輸出晶體管41的源極相連。由外部偏置電壓V(偏壓)偏壓的晶體管110用作象素電路11中源極輸出晶體管41的上拉電阻(參見圖5)。采樣和保持電路54中的另一個(gè)源極輸出晶體管112緩沖輸入端28的電壓,并將該電壓施加到雙向模擬開關(guān)116的輸出端。該開關(guān)116將被隔離的電壓施加到7.5pF的電容器117上,當(dāng)在數(shù)字控制信號SH37控制下導(dǎo)通時(shí)該開關(guān)可以使電流雙向流動(dòng)。源極輸出晶體管118將電容器117上的電壓傳送到輸出線55。源極輸出晶體管112和118分別使用由外加偏置電壓V(偏壓)偏壓的晶體管93作為上拉電阻。
傳感器制造原型傳感器的電子讀出陣列12是利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造技術(shù)制造的。CMOS制造技術(shù)是一種眾所周知的集成電流制造技術(shù),在許多教科書中都有記載。在授予F.M.Wanlass(1967年12月5日)的美國專利US-3356858中也詳細(xì)地介紹了這種技術(shù)。在制造我們的原型裝置時(shí),CMOS制造工藝開始時(shí)采用了一塊厚度約為500微米的單晶硅晶片,其中摻雜了一種電子受主雜質(zhì),例如硼,以生產(chǎn)出一種p-型襯底7。在這種p-型襯底7上和上部1微米厚的表層中構(gòu)成場效應(yīng)晶體管(FET’s)。這些晶體管構(gòu)成了電子讀出陣列12的基本電路元件,如圖5至圖8所示,包括數(shù)字模擬開關(guān)、電流源晶體管、和源極輸出晶體管。無源電路元件如電容器、電阻器、晶體管門極、和與各種電路元件相連的電導(dǎo)線都通過增加具有布圖結(jié)構(gòu)的交替電絕緣體層和導(dǎo)電體層而構(gòu)成。
典型的CMOS工藝開始時(shí)在襯底7上增加具有一定布圖結(jié)構(gòu)的電子受主層或電子施主雜質(zhì)層以分別形成p-型或n-型區(qū)域布圖。硅晶體中p-型區(qū)域具有多余的可移動(dòng)空穴,而n-型區(qū)域具有多余的可移動(dòng)電子。然后,在襯底7上連續(xù)地構(gòu)成不同布圖結(jié)構(gòu)的絕緣氧化物層、導(dǎo)電多晶硅層和導(dǎo)電金屬層。這些不同布圖層的制造分別需要經(jīng)過許多步驟,包括用特殊材料層涂覆襯底、用被稱為光刻膠的一種光敏有機(jī)薄膜覆蓋所說的特殊材料層,將一個(gè)掩模圖案投影到光刻膠上使之敏化,有選擇地溶解光刻膠以形成與投影圖案適配的圖案,蝕刻光刻膠下面位于光刻膠圖案敞開部分的材料層,最后清除剩余的光刻膠。通過向具有一定圖案的氧化層進(jìn)行離子注入構(gòu)成成型的n-型區(qū)域和p-型區(qū)域。
圖4為電子讀出陣列12的布圖結(jié)構(gòu)頂視圖。這個(gè)圖表示了象素陣列9中128個(gè)象素電路11和讀出電路18的布圖結(jié)構(gòu),其中所說讀出電路18包括行選移位寄存器32、列選移位寄存器36、采樣和保持電路54、模擬開關(guān)56、和連線焊片33。圖9至圖12表示了與一個(gè)象素11相關(guān)的電路的優(yōu)選布圖結(jié)構(gòu)。圖9為象素電路11的頂視圖,表示彼此重疊的每一層中的電路元件。圖10至圖12表示布圖結(jié)構(gòu)的三個(gè)不同的剖面。這些附圖共同表示出電極14、電容器24、源極輸出晶體管41、外部選擇線53、選擇晶體管30、列讀出線28、復(fù)位線29、復(fù)位晶體管26和地線27的位置。
選擇晶體管30和復(fù)位晶體管26為n-溝道晶體管,是利用離子注入方法將一種電子施主雜質(zhì)如磷加入p-行襯底7中特定區(qū)域146和145中,如圖10所示,以在襯底7的p-型區(qū)域167的兩側(cè)形成n-型源極146和n-型漏極145而制成的。n-型源極146和漏極145分別與p-型襯底7構(gòu)成n-p二極管。有意地使這些二極管相對于襯底7反向偏置或在其上不施加電壓,從而防止電流在源極146和漏極145之間流動(dòng)。由多晶硅導(dǎo)電層制成的晶體管門169由絕緣氧化物層170與p-型區(qū)域167隔開。門極169與襯底7之間的正電壓在區(qū)域167中產(chǎn)生一個(gè)電場,該電場將p-型載體(空穴)從區(qū)域167中排斥出去,而將n-型載體(電子)吸引到區(qū)域167中。這種電荷分布將區(qū)域167從p-型轉(zhuǎn)換成n-型,形成源極146與漏極145之間導(dǎo)電n-型材料的一條連續(xù)路徑,使得選擇晶體管30能夠?qū)щ?。?dāng)門極169與襯底7之間的電壓為零或負(fù)值時(shí),這些晶體管處于非導(dǎo)通狀態(tài)。
每個(gè)晶體管的源極146和漏極145區(qū)通過多晶硅導(dǎo)電層或?qū)щ娊饘黉X層與其它電路元件相連。圖12表示分別與電極14(其通過一條未示出的導(dǎo)線與電容器24相連)和地線27相連的復(fù)位晶體管26的源極146和漏極145。復(fù)位晶體管26的門極169上的正電壓使得電容器24向地線27漏電。圖10表示與Col(out)線28相連的選擇晶體管30的源極146。選擇晶體管30的漏極145經(jīng)由圖12中未示出的一條導(dǎo)電路徑與源極輸出晶體管41的源極153相連。選擇晶體管30的門極169上的正電壓使得Col(out)線28與源極輸出晶體管41的源極153電連接。晶體管41的漏極155與地線27相連。
圖10表示源極輸出晶體管41,一種p-溝道晶體管,需要采用具有n井133的n-型硅襯底。n-井133是利用離子注入方法在p-型硅襯底7上形成的一個(gè)n-型材料島。n-井島133與襯底7形成一個(gè)n-p二極管,并且相對于襯底7保持正電壓以使n-井133與襯底7電隔離。晶體管41的源極157和漏極159通過離子注入電子受主雜質(zhì)例如硼形成在n-井133中,以使源極157和漏極159轉(zhuǎn)變成p-型硅。由多晶硅導(dǎo)電層形成的晶體管門極168由絕緣氧化物層170與n-型區(qū)133隔離開。門極168上的負(fù)電壓在區(qū)域153中產(chǎn)生一個(gè)電場,該電場將n-型載體(電子)排斥出區(qū)域153,而將p-型載體(空穴)吸引到區(qū)域153中。這種電荷分布將區(qū)域153從n-型轉(zhuǎn)變?yōu)閜-型,形成源極157與漏極153之間的一條連續(xù)的p-型材料導(dǎo)電路徑,使得晶體管41能夠?qū)щ?。?dāng)選擇晶體管30導(dǎo)通時(shí),晶體管41的源極157由采樣和保持電路54中的晶體管110供給恒定電流。源極輸出晶體管41門極168的電壓幅值(它表示由電極14收集并保存在電容器24中的電荷量)控制晶體管41的導(dǎo)通性,因此晶體管41源極跟隨電容器24的電壓,只是存在大約0.5伏特的一個(gè)偏移電壓。
無源電路元件通過增加具有不同布圖結(jié)構(gòu)的絕緣層和導(dǎo)電層制成。電絕緣層156由磷化硼硅玻璃形成。絕緣層176和180由二氧化硅(SiO2)形成。摻雜多晶硅形成電容器24的兩個(gè)導(dǎo)電平行板171和173,以及復(fù)位線29。鋁銅金屬構(gòu)成導(dǎo)電列讀出線28、外部選擇線52、地線27、和電極14。
讀出電路18按照與象素電路11相似的方式制成。n-溝道和p-溝道晶體管制作在硅襯底7中。無源元件以疊層形式附加在晶體管上。
我們的原型電子讀出陣列12是在ORBIT半導(dǎo)體公司(Sunnyvale.CA.)制造的。這種小規(guī)模布圖結(jié)構(gòu)是在具有其它公司電路布圖設(shè)計(jì)的同一晶片上完成的,從而降低制造成本。我們接收到30個(gè)相同的模具,每個(gè)模具包含一個(gè)電子讀出陣列12(參見圖4)。將這些陣列粘結(jié)在一個(gè)常規(guī)的28管腳芯片載體上,并采用常規(guī)的連線技術(shù)將每個(gè)陣列的連線焊片33與芯片載體的管腳相連。用環(huán)氧樹脂有選擇地覆蓋連線焊片33和連線以保護(hù)它們,但是不覆蓋象素陣列9和讀出電路18。
利用蒸氣沉積方法在原型陣列上覆蓋無定形硒膜。硒膜在整個(gè)電子讀出陣列12,包括象素陣列9和讀出電路18上以不同厚度沉積,最大厚度達(dá)300微米。300微米的厚度對于應(yīng)用于乳腺X-射線照相的17KeV至28KeV的X-射線具有較好的吸收效果。300微米厚的硒層能夠吸收基本全部的入射X-射線,從而保護(hù)了電子讀出陣列12不受X-射線引起的破壞。但是,硒層10足夠薄,以使產(chǎn)生給定電場所需的源極16的電壓不會變得過高。硒層的擊穿場強(qiáng)大約為20伏特/微米。安全的場強(qiáng)為5伏特/微米,相當(dāng)于在300微米厚的硒層10上施加1500伏特的電壓。
然后利用蒸氣沉積方法在原型傳感器上覆蓋一層導(dǎo)電銀電極8。250埃厚的銀層可以透過99.9%的能量為17KeV至28KeV范圍的入射X-光子,并且對于在其表面上形成適合的導(dǎo)電性來說是足夠的。每一被覆蓋的陣列的導(dǎo)電電極都與芯片載體電連接。
原型傳感器與數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20電連接,它包括一個(gè)電路板,用于向傳感器提供電源線和時(shí)鐘信號線,以及通過一個(gè)放大器將輸出線72與一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。一個(gè)時(shí)序信號板產(chǎn)生移位寄存器32和36所需的時(shí)鐘信號。從模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到一臺486計(jì)算機(jī)23中,在顯示器22上顯示出圖象21。
通過將從鉬陽極X-射線源4發(fā)射的X-射線2通過各種靶6入射到傳感器1上來測試原型傳感器。圖13A和圖14B中顯示了利用這些原型傳感器之一獲得的X-射線圖象。圖13B是圖13A所示金屬線網(wǎng)篩132的一部分的X-射線。圖14B為圖14A中所示針眼136的一部分的X-射線圖象。最初的結(jié)果表明我們的原型傳感器的標(biāo)稱響應(yīng)大約為每個(gè)X-光子50個(gè)電子,標(biāo)稱均方根值暗噪聲大約為400個(gè)電子,轉(zhuǎn)換成8個(gè)X-光子的暗噪聲。
本發(fā)明的一個(gè)重要實(shí)施例是它采用了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體制造技術(shù)。這種CMOS技術(shù)在響應(yīng)速度、功耗、和漏電流等方面可以提供非常好的性能;因?yàn)樗试S電路設(shè)計(jì)者將p-型和n-型極性的晶體管結(jié)合在同一集成電路中,所以是非常方便的。CMOS技術(shù)可以將模擬和數(shù)字電路制作在同一硅晶片上,不僅包括象素電路11的陣列9,而且實(shí)際上包括所有的讀出電路系統(tǒng),其中包括移位寄存器44、采樣和保持電路54、模擬開關(guān)56、甚至還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因?yàn)镃MOS是一種非常普及和成熟的技術(shù),CMOS制造方法的成本相對較低,在大多數(shù)半導(dǎo)體制造廠可以很容易地制造多種變化形式的半導(dǎo)體芯片。
有一種可以采用的CMOS方法是一種能夠?qū)崿F(xiàn)最小2微米線度的傳統(tǒng)方法。按照這種方法,將具有電路布圖結(jié)構(gòu)的光刻掩模投影到單晶硅襯底晶片的整個(gè)表面上,而不是象大部分能夠?qū)崿F(xiàn)更小線度的現(xiàn)代方法那樣投影到晶片較小部分上。直徑為4英寸的晶片可以采用這種方法,利用6英寸直徑晶片的整個(gè)晶片投影不久也將實(shí)現(xiàn)。因此,我們的原型傳感器陣列可以按比例放大以提供滿足各種醫(yī)療X-射線成象所需的更大的傳感器。
這種CMOS設(shè)計(jì)適合于一種n-井制造方法。本說明書涉及用于在襯底上形成摻雜硅島的離子注入方法。這些島由與襯底中多數(shù)電荷載體類型相反的多數(shù)電荷載體構(gòu)成。因此,n-井方法在p-型材料的襯底中形成n-型材料的島。p-井方法在n-型硅襯底中形成p-型島。這些電路的差別涉及電路電壓相對于襯底是否為正電壓或負(fù)電壓。在我們的第一個(gè)全刻度裝置中我們在p-摻雜晶片中采用了n-井方法,因?yàn)槲覀兊男⌒驮完嚵惺且粋€(gè)n-井裝置,性能非常好。但是,我們也可以使用具有p-井的n-摻雜晶片,我們的發(fā)明覆蓋這兩種方法。
電路缺陷對策本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有足以覆蓋4英寸或6英寸直徑硅晶片的正方形或長方形圖象格式的大尺寸傳感器。圖15A和圖15B所示的這種大尺寸傳感器190的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的面積為46平方厘米。由于大面積芯片出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的概率非常高,所以用這種方法制造這種尺寸的常規(guī)CMOS結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)量很低。盡管有非常嚴(yán)格的清潔要求,但是在掩?;蚓砻嫔先匀粫豢杀苊獯嬖诨覊m和塵埃,從而造成缺陷。
全尺寸傳感器的設(shè)計(jì)對策的基礎(chǔ)來自以下發(fā)現(xiàn),我們的集成電路所占據(jù)的面積可以分成兩個(gè)不同性質(zhì)的區(qū)域一個(gè)區(qū)域是由象素陣列183占據(jù)的非常大的面積,另一個(gè)區(qū)域是由位于陣列邊緣的讀出電路133和186(參見圖5)占據(jù)的較小區(qū)域,其面積小于總面積的百分之一。在讀出電路133和186區(qū)域出現(xiàn)缺陷有可能使整個(gè)集成電路作廢。但是,因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域的面積很小,所以在這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)缺陷的幾率非常??;因此設(shè)計(jì)中正常的注意諸如保持電路功能部件的良好隔離和避免使用不必要或易損壞的部件對于這個(gè)區(qū)域來說就足夠了。另一方面,因?yàn)樵谙笏仃嚵?83大區(qū)域中出現(xiàn)缺陷幾乎是不可避免的,因此,我們必須接受其必然性,并采取措施使它們對于裝置性能的影響最小。
電路缺陷有兩種主要類型導(dǎo)致傳導(dǎo)線路中斷的缺陷,和線路或元件之間短路的缺陷。在象素陣列183中,第一種類型缺陷的影響限于單個(gè)象素184出現(xiàn)缺陷部分功能的喪失,或者是一個(gè)象素或一行或一列象素的一部分。但是,如果短路在周圍讀出電路133和186的主要部分中產(chǎn)生大電流,則象素區(qū)域中的第二種類型的缺陷可能導(dǎo)致陣列中所有象素功能的喪失。所以,我們的一部分對策是通過在連接象素區(qū)域與周圍電路的大部分線路中增加緩沖放大器50和電阻器51(參見圖16)以在出現(xiàn)少量短路缺陷的情況下將外部電路中的漏電流限制在可以允許的量值,從而消除產(chǎn)生致命損壞的機(jī)會。例如,如果電路設(shè)計(jì)成所有復(fù)位線都并聯(lián)地與一條公用總線相連,則使一根復(fù)位線與接地襯底短路的缺陷會使讀出電路的全部復(fù)位能力喪失。所以,我們通過緩沖器51(圖6)或電阻器51(圖16)將復(fù)位總線66與復(fù)位線29相連,以使陣列邊緣上的控制電路與象素區(qū)域中發(fā)生問題的下游部分隔離。由于同樣的原因,利用緩沖器50使象素區(qū)域中的讀出選擇線53與陣列邊緣上的選擇移位寄存器186隔離。否則,一個(gè)象素的一條讀出選擇線的損壞會使控制整個(gè)讀出程序的移位寄存器失效。在每個(gè)象素中電源電壓總線的連接方面也存在類似的問題,因?yàn)槭闺娫措妷壕€短路的象素缺陷會使所有象素的電源電壓失效。所以,象素中有源元件使用的電壓必須由某些非直接裝置提供。象素電路11不是由一條獨(dú)立的電源線供電。而是通過列輸出線28為象素供電,所說列輸出線28與陣列邊緣的采樣和保持電流54(參見圖8)中的電流源晶體管110相連。
盡管我們在設(shè)計(jì)上采取了一些對策,但是缺陷的影響仍然是一個(gè)問題缺陷造成某些行或列中所有象素功能的喪失,甚至成對地破壞相鄰行或列的象素,而剩余的象素仍然正常工作。通過利用計(jì)算機(jī)23將相鄰象素值之間的內(nèi)插值指定為發(fā)生故障象素的值可以校正發(fā)生故障的個(gè)別象素以及發(fā)生故障的行或列象素,只丟失非常少的診斷值。處理有缺陷象素的一種更為準(zhǔn)確的方法是連續(xù)輻照兩次,使由10到20個(gè)象素構(gòu)成的整個(gè)傳感器190在兩次輻照之間沿對角線產(chǎn)生小位移。然后計(jì)算機(jī)23將兩次的輻照結(jié)合在一幅圖象中,這樣的圖象只有非常少的丟失象素。如果要更加準(zhǔn)確,可以將該方法擴(kuò)展為三次連續(xù)輻照,使傳感器190在每次輻照之間沿對角線位移。
采用沿對角線作小位移的三次連續(xù)輻照還有助于解決將這些傳感器結(jié)合成一個(gè)全幅傳感器的問題。全幅傳感器在各個(gè)傳感器之間具有間隙,這些間隙對于X-射線沒有響應(yīng)。三次輻照技術(shù)校正了丟失的行或列象素,還使我們可以用各個(gè)傳感器之間的X-射線信息填充這些間隙。三次輻照技術(shù)的另一個(gè)益處就是能夠構(gòu)成更有效抑制X-射線散射的裝置,如下所述。
832×1024象素圖象傳感器圖15A和圖15B所示的本發(fā)明第二實(shí)施例提供了由象素電路11的832×1024象素陣列183和讀出電路133構(gòu)成的一種電子讀出陣列190。這個(gè)實(shí)施例已經(jīng)由本發(fā)明人和工人制造并加以測試。每個(gè)象素電路11的尺寸為66微米×66微米,從而圖幅尺寸為5.5厘米×6.75厘米。圖15表示了如我們的原型中的讀出陣列190的輪廓圖。行選移位寄存器186占據(jù)大約100微米的寬度(小于兩個(gè)象素)和沿象素陣列183的一個(gè)邊緣整個(gè)長度延伸。電子讀出電路190的三個(gè)側(cè)邊具有非常窄(小于250微米)的邊緣189。讀出電路133需要相對較小的面積,大約0.1厘米×6.75厘米,在這條邊緣上設(shè)置有連線焊片185以實(shí)現(xiàn)控制、輸出、和電源連接。
圖16為電子讀出陣列190的示意圖。行選移位寄存器186包含832個(gè)觸發(fā)器44,每行一個(gè)觸發(fā)器,控制讀出時(shí)的行選。讀出電路133使1024列象素電路11中的每一個(gè)象素電路包含一個(gè)采樣和保持電路54和一個(gè)雙向開關(guān)56。列選移位寄存器191包含104個(gè)觸發(fā)器44,每8列一個(gè)觸發(fā)器。各個(gè)觸發(fā)器44的輸出控制8個(gè)雙向開關(guān)56,它們同時(shí)將每組采樣和保持電路54的8個(gè)輸出與8條平行輸出線71相連。輸出線71的電壓被緩存和傳送到數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20。圖7和圖8分別表示觸發(fā)器44,和采樣和保持電路54。
8個(gè)獨(dú)立的輸出具有重要的益處。我們?yōu)檎麄€(gè)陣列設(shè)計(jì)的讀出時(shí)間為125毫秒。如果僅有一條輸出線,對于1百萬個(gè)象素就需要8MHz的數(shù)據(jù)采集速率。這樣高的數(shù)據(jù)速率要求輸出驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生大電流以滿足為輸出線71的寄生電容迅速充放電的需要。而大電流需要沿讀出電路133邊緣長度方向延伸的輸出線71較寬,從而增大了輸出線71的寄生電容值。將具有總數(shù)據(jù)速率八分之一的8條并聯(lián)輸出線71結(jié)合減小了電流值,進(jìn)而減小了每條輸出線71的寬度。圖14中所示的8個(gè)輸出的具體結(jié)構(gòu)使得交叉線路網(wǎng)絡(luò)具有簡單的構(gòu)型,并且還還便于使用與電子讀出陣列190外接的數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20中的一個(gè)快速8對1模擬多路復(fù)用器和一個(gè)快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器按照正常的格柵掃描次序讀出象素。如果不是按照逐行的次序讀出象素,則快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路中固有的正常串?dāng)_將出現(xiàn)在非相鄰象素之間,從而導(dǎo)致明顯的虛影圖象。
圖16所示的復(fù)位電路與小型原型陣列中的復(fù)位電路相似,不同之處在于圖5所示的復(fù)位緩存器50用多晶硅電阻器51代替。這種改變使得能夠用反向的門極-源極電壓(在本實(shí)施例中為-2伏)使復(fù)位晶體管26截止,以避免電荷從復(fù)位晶體管26中泄漏。
每個(gè)電子讀出陣列190利用前述的CMOS制造方法制作在一個(gè)4英寸直徑的硅晶片上。為了使陣列易于密合對接,用一個(gè)鉆石鋸切割每個(gè)晶片,以在不含有讀出電路133和連線焊片185的三個(gè)側(cè)邊形成較窄的邊界區(qū)域189。
讀出陣列190覆蓋有無定形硒層10。對于用于乳腺X-射線照相的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,硒層為在80℃溫度下蒸發(fā)沉積到讀出陣列190上的300微米厚的無定形覆層。硒中摻雜有0.3%的砷以防止無定形硒的再結(jié)晶。在混合物中加入微量氯(12ppm)以使硒/砷混合物中空穴陷井鈍化。然后用導(dǎo)電電極8覆蓋涂覆硒的讀出陣列190。優(yōu)選的電極為12微米厚的飽含石墨的漆層(膠體石墨、阿切孫膠)。這種電極應(yīng)當(dāng)是不易剝落、對于X-射線具有高透過率、導(dǎo)電性能良好和可以在室溫下工作。
如圖15B所示,電子讀出陣列190設(shè)置在芯片載體153上,它是用一種電絕緣熱穩(wěn)定材料如氧化鋁(Al2O3)或FP4印刷電路板材料制成的。芯片載體153上制作有導(dǎo)電線路182,讀出陣列190與線路182之間的電連接是利用連線點(diǎn)157實(shí)現(xiàn)的。在安裝到芯片載體153上之前,將讀出陣列190用無定形硒層10覆蓋,然后覆蓋導(dǎo)電電極8。8條模擬輸出線71從讀出陣列190經(jīng)由線路182與晶體管緩存放大器188相連,該放大器將經(jīng)過放大的模擬信號經(jīng)由聯(lián)接器184傳送到帶狀電纜167。帶狀電纜167將信號傳送到外部電路系統(tǒng)中,由該電路系統(tǒng)將輸出線71的電壓信號放大,并利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。帶狀電纜167還用于連接時(shí)鐘和控制電路以向移位寄存器191和186傳送時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號,向采樣和保持電路傳送控制信號和復(fù)位功能信號,與數(shù)字傳輸電路連接以將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)23,和與電源電路相連以向讀出陣列190供電。芯片載體153的尺寸與電子讀出陣列190基本相同,從而易于將圖象傳感器對接構(gòu)成一個(gè)全幅圖象傳感器。
圖26為用我們制造的一個(gè)832×1024象素圖象傳感器獲得的一只老鼠的X-射線圖象的數(shù)字打印輸出圖。
數(shù)字乳腺X-射線照相用全幅圖象傳感器本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種高分辨率數(shù)字X-射線圖象傳感器,其尺寸足夠大以便能夠?qū)θ梭w的較大面積區(qū)域,例如整個(gè)乳房成象。膠片/屏幕乳腺X-射線照相術(shù)中使用的兩種標(biāo)準(zhǔn)膠片尺寸,18厘米×24厘米和24厘米×32厘米,與應(yīng)用于乳腺成象的全幅數(shù)字傳感器的優(yōu)選尺寸近似。當(dāng)前的CMOS制造技術(shù)限定了對于4英寸直徑的晶片最大單片數(shù)字傳感器尺寸為5.5厘米×6.75厘米(或者對于6英寸直徑晶片為10.1厘米×10.1厘米)。這個(gè)尺寸使得必須將許多這樣的較小圖象幅面的傳感器組合在一起構(gòu)成一個(gè)全幅傳感器。
圖17A和圖17B表示制作全幅圖象傳感器的一種優(yōu)選方法。15個(gè)832×1024象素圖象傳感器組件192組合成一個(gè)3×5陣列以構(gòu)成20厘米×27厘米的成象面積,其中包含形成3072×4160象素陣列的12.8百萬個(gè)象素。我們首先將5個(gè)圖象傳感器組件接合在一起構(gòu)成一行。然后將三行這樣的傳感器以及讀出電路133和連線焊片185搭迭在一起,如圖17B所示使每一連續(xù)行位于前一行的下面。從15個(gè)圖象傳感器組件192中每一個(gè)輸出的8個(gè)模擬信號通過帶狀電纜傳送到一個(gè)定制數(shù)據(jù)采集板。這個(gè)電路板相對于每個(gè)傳感器組件192包括兩個(gè)4-1模擬多路復(fù)用器和兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。使用軟件編程的電壓增益和偏移放大器調(diào)整多路傳輸?shù)哪M信號以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入最佳。從30個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的12位數(shù)字信號通過帶狀電纜傳送到一個(gè)定制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集板,該采集板上為每個(gè)圖象傳感器組件192配置了一個(gè)8M字節(jié)的隨機(jī)存取存儲器(RAM),從而能夠存儲4幅圖象的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后將RAM中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)TAXI傳輸器串行傳輸?shù)今v留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)23中的一個(gè)定制TAXI/PCI接口板,該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最好是基于Pentium的系統(tǒng)或等價(jià)系統(tǒng)。處理這些圖象并在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器22上顯示出來或者在高分辨率激光打印機(jī)上打印出來。圖17A和圖17B所示的全幅圖象傳感器194在相鄰的圖象傳感器192之間存在間隙186和189,它們對于X-射線沒有響應(yīng)。
圖18表示結(jié)合在一臺數(shù)字X-射線乳腺照相裝置中的本發(fā)明的全幅圖象傳感器。該裝置包括圖17B中所示的傳感器/格柵組件220,其中包含所說全幅數(shù)字圖象傳感器194和下述的X-射線防散射格柵201。X-射線源4向壓縮在壓縮板198與乳房托板205之間的乳房發(fā)射X-射線2。X-射線2穿過乳房托板205進(jìn)入組件220。利用數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20獲取圖象數(shù)據(jù),所說數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,并將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)23,計(jì)算機(jī)23處理這些數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器22上產(chǎn)生圖象21。
防散射格柵在大多數(shù)X-射線成象狀態(tài)下,大量輻射在被成象物體上發(fā)生散射。這些散射X-射線不包含有用的成象信息,但是其強(qiáng)度可能等于或大于包含成象信息的未散射主輻射的強(qiáng)度。如果讓這些散射輻射進(jìn)入成象傳感器,不僅會使圖象模糊和降低對比度,而且由于X-射線產(chǎn)生、吸收和散射過程的隨機(jī)飽和特性,散射的輻射也會增加包含成象信息的主X-射線中的正常隨機(jī)波動(dòng)之上的隨機(jī)波動(dòng)。信噪比有可能降低到這樣一種程度,即必須將對病人的輻照劑量增大100%以補(bǔ)償圖象質(zhì)量的下降。
對于醫(yī)療屏幕/膠片成象方法來說,通常是利用X-射線格柵或Buckey來減少散射,所說Buckey是設(shè)置在發(fā)生散射物體下面的一種裝置,它是由多個(gè)X-射線吸收板條構(gòu)成的,所說多個(gè)板條的取向使得僅僅讓與X-射線源發(fā)射方向一致的那些X-射線通過,而擋住由于有角度散射而改變方向的那些X-射線。這種格柵本身也帶來嚴(yán)重的問題格柵的結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)在圖象中,并且格柵阻擋或吸收了主輻射束中的大部分。通常解決這個(gè)問題的方法是使用非常細(xì)和非常昂貴的格柵,這種格柵由多層交迭的低吸收率和高吸收率材料構(gòu)成,并且層平面與X-射線源方向成一定角度。在只需要低分辨率例如作X-射線胸部透視的情況下,這些格柵一般是固定的,而在需要高分辨率例如乳房照相的情況下,在曝光過程中格柵是移動(dòng)的以減少格柵的成象。為使這些格柵在各種應(yīng)用中都達(dá)到最佳而作出的設(shè)計(jì)折衷方案使得對板條間隔、厚度、和寬度實(shí)行特定組合以兼顧兩方面的性能,即通過不完全清除散射來換取主輻射束的較少損失。主輻射束的損失可以高達(dá)50%,而常常使散射減少帶來的信噪比的增加無效。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括設(shè)計(jì)用于利用由本發(fā)明特征提供機(jī)會的一種防散射格柵。這種格柵由0.002英寸厚,1英寸寬,間隔為0.2英寸的鉭或鎢條陣列構(gòu)成。這些條帶拉伸在一個(gè)框架上,該框架使這些條帶平面保持與主X-射線束平行。這種格柵可以擋住大部分散射輻射,但是,對于非常平展和精確定向的條帶來說,只擋住1%的主X-射線束。與獨(dú)立移動(dòng)格柵組件以減少格柵成象的方式不同,這種格柵組件固定在位于該格柵組件下面的X-射線傳感器上。被格柵條遮擋的象素被處理為缺失象素,并利用三次輻照技術(shù),按照與處理對接陣列之間間隙中缺失象素和缺陷損壞行列中缺失象素相同的方法通過對角線移動(dòng),進(jìn)行填充。于是我們獲得了一種提供具有接近理想特性的成本低廉的防散射格柵的方法。
圖象采集和處理初始化電路和軟件本發(fā)明實(shí)施例的特征在于要先識別硬件缺陷,包括各個(gè)傳感器192中的壞象素和弱響應(yīng)象素,不同的圖象傳感器192之間的間隙,X-射線源4的空間變化照度,和象素11的增益變化。利用硬件缺陷的特征信息處理用乳腺成象系統(tǒng)獲得的乳房圖象數(shù)據(jù)以使最終圖象質(zhì)量最佳。
本發(fā)明的優(yōu)選方法需要在關(guān)閉X-射線源時(shí)采集8幅暗場圖象,和利用放置在乳房托板205上的一個(gè)2厘米厚有機(jī)熒光玻璃板和用X-射線源4照射全幅傳感器194獲得8幅亮場圖象。將一個(gè)暗場圖象從一個(gè)亮場圖象中減去以生成一個(gè)剩余框架,將8個(gè)剩余框架平均形成一個(gè)標(biāo)定框架。按照具有大于15%照度變化的定義,將標(biāo)定圖象中每個(gè)傳感器192中的失效象素或弱響應(yīng)象素,和不同傳感器192之間的間隙,標(biāo)識為故障象素。對于點(diǎn)缺陷利用8個(gè)最接近的相鄰象素的內(nèi)插值校正標(biāo)定圖象中的故障象素,對于列或行缺陷利用6個(gè)最接近的相鄰象素的內(nèi)插值進(jìn)行校正。然后將標(biāo)定圖象按照象素值矩陣形式存儲在計(jì)算機(jī)23中,而將每個(gè)故障象素的位置作為缺陷分布存儲在計(jì)算機(jī)中。我們還將標(biāo)定圖象中的象素值求平均并存儲這個(gè)平均值。對于該優(yōu)選實(shí)施例,有多達(dá)12779520(3072×4160)個(gè)象素值。
圖象數(shù)據(jù)采集對于乳腺X-射線照相應(yīng)用優(yōu)選的X-射線源4為具有50微米厚鉬濾光片的鉬陽極X-射線管,它所產(chǎn)生的X-射線主要包含17.9keV和19.5keV兩條尖銳光譜線。對于乳腺X-射線照相應(yīng)用優(yōu)選的第二種射線源4為具有50微米厚銀濾光片的鎢陽極X-射線管,它產(chǎn)生中心為26keV的X-射線譜。在進(jìn)行乳腺X-射線照相時(shí)X-射線劑量一般為每幅圖象200毫拉德(平均腺劑量)。
獲得乳腺X-射線照片的優(yōu)選方法如下所述連續(xù)獲得兩幅乳房196的X-射線圖象。使用膠片/屏幕乳腺X-射線照相所用X-射線劑量的一半劑量獲得第一幅圖象。這個(gè)圖象包含傳感器192之間的多個(gè)間隙186和189,被X-射線格柵201遮擋的象素列和象素行,和每個(gè)傳感器190中的失效象素。由全幅傳感器194和X-射線格柵201構(gòu)成的整個(gè)組件220移動(dòng)到第二位置,該位置距第一位置為沿X-方向20個(gè)象素和沿Y-方向20個(gè)象素。利用位于第二位置的傳感器/格柵組件220用與獲得第一幅圖象相同的X-射線劑量獲得第二幅圖象。
為了獲得更加精確的圖象,可以將前述方法擴(kuò)展到如下所述的三次成象連續(xù)獲得三幅乳房196的原始圖象。用膠片/屏幕乳腺X-射線照相術(shù)中所用X-射線劑量的三分之一的劑量獲得第一幅圖象。這個(gè)圖象中包含傳感器192之間的多個(gè)間隙186和189,被X-射線格柵201遮擋的象素列和象素行,和每個(gè)傳感器190中的失效象素。由全幅傳感器194和X-射線格柵201構(gòu)成的整個(gè)組件220移動(dòng)到第二位置,這個(gè)位置偏離第一位置的距離為沿正x-方向20個(gè)象素和沿正y-方向20個(gè)象素。利用位于第二位置的傳感器/格柵組件220使用與獲得第一幅圖象相同的X-射線劑量獲得第二幅圖象。將整個(gè)組件220移動(dòng)到第三位置,這個(gè)位置相對于第二位置的位置是沿正x-方向20個(gè)象素和沿正y-方向20個(gè)象素。利用位于第三位置的傳感器/格柵組件220使用與獲得第一幅圖象相同的X-射線劑量獲得第三幅圖象。將這三幅圖象存儲在計(jì)算機(jī)23中。還獲得一幅具有與所說三幅圖象中每一幅相同積分時(shí)間的一幅暗場圖象(沒有X-射線時(shí)的圖象),并存儲起來以便在后面處理時(shí)減去電子噪聲。
從圖象數(shù)據(jù)生成圖象利用通常被稱為“等比場”(flat fielding)的一種方法可以校正三幅圖象的傳感器象素增益變化和X-射線源4的空間變化。將暗場圖象象素值從標(biāo)定圖象中對應(yīng)象素值中減去,然后乘以標(biāo)定圖象平均值獲得校正圖象中每個(gè)象素值。
由于X-射線曝光過程中的微小變化使得三幅經(jīng)過校正的圖象的平均象素值存在微小的差別。為了修正這個(gè)效應(yīng),我們通過將第二幅校正圖象中的所有象素值乘以第一和第二圖象的平均值與第一和第三圖象的平均值的比值而將圖象2和圖象3相對于圖象1歸一化。在象素值矩陣中將所有已知的故障象素和被格柵條擋住的象素值指定為零,在兩個(gè)矩陣中還用零值象素填充傳感器194之間的間隙。然后將三個(gè)象素值矩陣彼此相對移動(dòng)(在計(jì)算機(jī)23中)以計(jì)入在不同的X-射線輻照之間傳感器/格柵組件220的機(jī)械位移因素,并且將逐個(gè)象素相加以形成一幅復(fù)合圖象。當(dāng)將一個(gè)零值失效象素或故障象素與兩個(gè)正常象素值相加時(shí),應(yīng)當(dāng)將兩個(gè)正常象素值乘以1.5以校正對于和值喪失的貢獻(xiàn)。當(dāng)構(gòu)成和值的兩個(gè)象素值為零時(shí),則將另一個(gè)正常象素值乘以3。所得的復(fù)合圖象沒有顯現(xiàn)出表示格柵或傳感器之間間隙的線條。
圖象增強(qiáng)在計(jì)算機(jī)23中處理整個(gè)乳房196的最終復(fù)合圖象以使乳房中特征之間的對比度最佳。優(yōu)選的圖象增強(qiáng)方法在保留大區(qū)域?qū)Ρ榷鹊耐瑫r(shí)優(yōu)先增強(qiáng)圖象中的細(xì)節(jié)。這種增強(qiáng)方法計(jì)算出圖象象素值的自然對數(shù)變換值以降低對比度差別。然后對該圖象實(shí)施被稱為“模糊掩?!钡囊环N增強(qiáng)處理方法。在Anil K.Jain,Prentice Hall.New Jersey(1989年)所寫的“Fundamentals of Digital Image Processing”第7.4節(jié)中介紹了這種方法,該書以引用方式結(jié)合在本申請中。
此外,在觀察圖象時(shí),放射科醫(yī)師可以調(diào)整控制整個(gè)對比度的參數(shù)以有選擇地增強(qiáng)圖象不同部分中的特征可見度。
熒光圖象傳感器本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供一種用于熒光成象的數(shù)字X-射線圖象傳感器。常規(guī)的熒光成象裝置包括一個(gè)可變重復(fù)速率(每秒7至90幀)X-射線源和圖象傳感器以記錄X-射線通過人體各個(gè)部分的衰減的運(yùn)動(dòng)圖象。這些成象裝置通常用于在血管成形術(shù)中監(jiān)視導(dǎo)尿管的位置;檢查消化道或血管時(shí)監(jiān)視造影劑如鋇的攝入或注入過程;和檢查心臟搏動(dòng)。這些裝置中的常規(guī)圖象傳感器包括一個(gè)圖象增強(qiáng)器(II)管,該增強(qiáng)器管將每個(gè)入射的X-光子轉(zhuǎn)換成許多電子,這些電子穿過一個(gè)真空管撞擊到一個(gè)閃爍體上。這些閃爍體將每個(gè)入射電子轉(zhuǎn)換成許多可見光光子,然后用一個(gè)可見光圖象傳感器,例如電荷耦合器件(CCD)成象。由CCD獲得的可見光圖象可以在監(jiān)視器上觀看或者記錄在膠片上。
本發(fā)明的熒光實(shí)施例用于直接替代熒光成象裝置中的圖象傳感器。圖20A和圖20B中所示的熒光圖象傳感器240的優(yōu)選實(shí)施例由200微米象素的一個(gè)1024×1024象素陣列構(gòu)成。這個(gè)圖象傳感器的成象面積為20.5厘米×20.5厘米。該圖象傳感器是用16個(gè)較小的傳感器子組件242制成的,每個(gè)子組件由200微米象素的一個(gè)256×256象素陣列構(gòu)成,形成5.12厘米×5.12厘米的圖幅大小。這16個(gè)子組件242排列成一個(gè)4×4傳感器陣列,從而12個(gè)傳感器子組件242接合在一起構(gòu)成圖象傳感器240的周邊。其余4個(gè)圖象傳感器242在一個(gè)不同的平面接合在一起構(gòu)成該圖象傳感器240的中央?yún)^(qū)域。
熒光傳感器電路熒光圖象傳感器組件242與圖15A和圖15B所示的數(shù)字乳腺X-射線圖象傳感器組件192基本相同。制作在硅晶片上的電子讀出陣列220安裝到一個(gè)芯片載體221上。用硒和導(dǎo)電電極覆蓋讀出陣列220。讀出陣列190之間的主要區(qū)別在于讀出陣列220具有較大(200微米)的象素,256×256的象素陣列,耐X-射線輻射的p-井CMOS電路設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)較短讀出時(shí)間而采用的從每個(gè)采樣和保持電路輸出的電流模式,和兩路電流輸出。
圖21中所示的單個(gè)象素電路245的電路示意圖與圖5所示的象素電路11相似。象素電路245包括一個(gè)收集電極247、收集電容器246、源極輸出緩存器248、選擇晶體管260、和復(fù)位晶體管250。象素電路245與象素電路11之間的主要差別是極性相反。象素電路245使用p-溝道晶體管作為選擇晶體管248和復(fù)位晶體管250,使用n-溝道晶體管作為源極輸出晶體管248。輸出端COL(out)255的電壓反比于所收集的正電荷Q(in)。象素電路245對應(yīng)于節(jié)點(diǎn)262的正電壓Vcc(一般為6至10伏),而象素電路11對應(yīng)于地電位27。象素電路245適于配合較大的200×200微米的象素面積。象素電路245能夠在復(fù)位階段在電容器246上設(shè)置使用者選定的電壓VRST。電壓VRST通過線路255施加,該線路還在不同的時(shí)間用于讀出象素電容器246上的電壓COL(out)。
圖22所示的熒光傳感器220的電子讀出電路與以上參照圖16和圖5至圖8所述的電子讀出電路12基本相似。電子讀出陣列220由象素電路245的一個(gè)256×256陣列構(gòu)成。每行象素電路245由行選移位寄存器186連續(xù)選擇。一行256個(gè)采樣和保持電路280對每個(gè)象素輸出端COL(out)255的電壓進(jìn)行采樣,并將該電壓轉(zhuǎn)換成正比于輸入電壓的電流值。在列選移位寄存器191的128個(gè)單元44的控制下,將每個(gè)采樣和保持電路280的電流輸出連續(xù)地通過256個(gè)模擬多路復(fù)用器56傳送到兩個(gè)電流輸出端272。
圖23A和圖23B所示的采樣和保持電路280與圖8A和圖8B所示的采樣和保持電路54相似。其差別在于電路280具有一個(gè)電流輸出端,而電路54具有一個(gè)電壓輸出端;電路280具有開關(guān)以使得可以通過線路255施加使用者選定電壓或者用電路280對電壓COL(out)進(jìn)行采樣。當(dāng)移位寄存器186選定一行象素電路245時(shí),該行所有象素中的選擇晶體管260導(dǎo)通以將每個(gè)采樣和保持電路280的輸入端255與每個(gè)象素的源極輸出晶體管248相連。源極輸出晶體管272緩沖輸入端255的電壓,并將該電壓傳送到雙向模擬開關(guān)268的輸入端。模擬開關(guān)268將緩沖電壓施加到7.5pF電容器266上,當(dāng)該開關(guān)在數(shù)字控制信號SH274控制下導(dǎo)通時(shí)允許電流任一方向流動(dòng)。與30千歐姆電阻270串聯(lián)的源極輸出晶體管276將電容器266的電壓轉(zhuǎn)換成電流信號。電流鏡象電路275在輸出端278再現(xiàn)該電流信號,該鏡象電路可以由SEL輸入端258控制導(dǎo)通和截止。雙向開關(guān)279用于在復(fù)位過程中使線路255與線路VRST 283上的特定復(fù)位電壓相連。在其它情況下線路255用于對線路255上的電壓COL(out)進(jìn)行采樣。
輻射破壞設(shè)計(jì)問題CMOS設(shè)計(jì)的靈活性使得可以考慮耐輻射設(shè)計(jì)。X-射線和咖嗎輻射對于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電路的主要破壞作用是釋放SiO2層中的電子/空穴對,該SiO2層用于使晶體管門極與晶體管導(dǎo)電通道隔離。電子在外加偏置電場的作用下被清除出絕緣層,而遷移性低得多的空穴則被捕集在氧化物層中,對晶體管溝道中的電場產(chǎn)生影響。對于n-溝道晶體管,大部分被釋放的空穴被捕集在恰好位于導(dǎo)電溝道之上的氧化物-硅界面中,并使得晶體管導(dǎo)通。構(gòu)成導(dǎo)電溝道所需的閾值門極電壓隨著輻射效應(yīng)的累積而下降,直到晶體管不能截止為止(可使用范圍一般為0.6伏特)。對于p-溝道裝置,構(gòu)成導(dǎo)電溝道所需的閾值門極電壓由于X-射線的輻照而增大。在p-溝道晶體管中閾值電壓的增大沒有在n-溝道晶體管中閾值減小那樣嚴(yán)重,因?yàn)檠剌^大閾值電壓值方向存在更大的可使用范圍,高達(dá)6伏特。此外,對于p-溝道晶體管來說,空穴被捕集在遠(yuǎn)離導(dǎo)電溝道并位于絕緣層相反一側(cè)的金屬門極附近;因此與n-溝道裝置相比減小了這種效應(yīng)的影響。
結(jié)合了耐輻射設(shè)計(jì)因素的電子讀出陣列220的設(shè)計(jì)符合常規(guī)CMOS制造工藝要求。這些設(shè)計(jì)因素包括1)有源象素電路和讀出電路采用p-井設(shè)計(jì),2)對傳感器的非成象區(qū)域采取輻射屏蔽措施。p-井設(shè)計(jì)使得能夠采用耐輻射p-溝道晶體管作為復(fù)位開關(guān)和選擇開關(guān)。源極輸出晶體管是位于p-井中的一個(gè)n-溝道器件。這個(gè)晶體管不需要關(guān)閉,比復(fù)位晶體管和選擇晶體管更加耐輻射破壞??梢杂勉U屏蔽讀出電路,因?yàn)樗鼘?shí)際上位于CMOS陣列中與象素電路不同的區(qū)域。此外,CMOS陣列覆蓋有硒,它在吸收X-射線方面是相當(dāng)有效的。
通過使用特殊的耐輻射制造方法可以進(jìn)一步提高這些傳感器的耐輻射性。但是,這些方法可能大大增加制造成本。常規(guī)的耐輻射制造方法包括使用較薄的氧化物層,它要求厚度誤差和質(zhì)量變化最小。此外,可以在氧化物層中增加雜質(zhì)以使被捕集的空穴從氧化物層中遷移出去。
傳感器制造電子讀出陣列220的布局與電子讀出陣列190的布局相似,與各個(gè)象素245相關(guān)的電路布局與參照圖9至圖12所述象素電路11的布局基本相似。主要差別在于讀出陣列220適于CMOS p-井制造方法,而讀出陣列190適于n-井制造方法。p-井方法開始時(shí)采用n-型襯底7。選擇晶體管260和復(fù)位晶體管250為p-溝道晶體管。源極輸出晶體管248為嵌入p-井中的一個(gè)n-溝道晶體管。讀出電路233按照與象素電路245相似的方式制作。
讀出陣列220使用CMOS p-井制造技術(shù)按照與所述讀出陣列190相似方式制作在一個(gè)4英寸直徑硅晶片上。讀出陣列220由1000微米厚的覆層覆蓋,將帶有覆層的讀出陣列220安裝到芯片載體221上以構(gòu)成一個(gè)熒光圖象傳感器242。在無定形硒覆層和導(dǎo)電電極上施加電壓。
圖象傳感器242與兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連,每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器以8兆字節(jié)/秒的速率進(jìn)行采樣。這樣可以在8毫秒時(shí)間內(nèi)讀出整個(gè)傳感器。另一個(gè)8毫秒用于使象素電容器246復(fù)位和對象素電容器246積分以及對由X-射線輻射產(chǎn)生的電荷積分??偣?6毫秒的圖象采集時(shí)間使圖象傳感器242可以達(dá)到60Hz的幀速率。
圖象傳感器242被組合成全幅圖象傳感器240。16個(gè)圖象傳感器242的電聯(lián)接器循環(huán)連接到數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng),經(jīng)過數(shù)字圖象處理電路處理,然后到達(dá)監(jiān)視器或膠片記錄器上。圖象傳感器240設(shè)置在常規(guī)C-形臂的一端,而在C-形臂的另一端安裝著50-100keV的X-射線源。
紫外線/可見光圖象傳感器原型傳感器本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例提供一種用于紫外線和可見光成象的圖象傳感器。圖24所示的本發(fā)明的一個(gè)原型實(shí)施例為一個(gè)96×128象素原型圖象傳感器200,它是由發(fā)明人和工人制造和測試的。這個(gè)96×128電子讀出陣列12采用與上文中參照圖3至圖10所述的8×16象素原型數(shù)字X-射線圖象傳感器所用相同的象素電路。將讀出陣列12用150微米厚的硒層10覆蓋,然后用導(dǎo)電電極203覆蓋,這種電極對于紫外線和可見光至少是部分透明的。為了形成這種電極,第一實(shí)施例使用了印制在硒層上的一層硅酸鈉(Na2SiO3),所說印制過程是在液體擦手皂水溶液中進(jìn)行的以提高可沾性。
圖25A表示用原型紫外線/可見光圖象傳感器200獲得的一幅實(shí)際的紫外線圖象。為了獲得紫外線圖象,我們在一個(gè)汞燈208和成象傳感器200之間設(shè)置了紫外線陷波濾波器204和孔徑206(十字形)。在硒層10上施加600伏特(4伏特/微米)的偏置電壓。圖25A中的紫外線圖象表明了流過高電阻頂面電極電流產(chǎn)生的電壓降的影響。為了便于比較,在圖25B中還顯示了用傳感器200獲得的一幅X-射線(18keV)圖象。
紫外線/可見光圖象傳感器本發(fā)明用于紫外線或可見光成象的另一個(gè)實(shí)施例由27微米象素的512×512象素陣列構(gòu)成,從而形成1.4厘米×1.4厘米的成象面積??梢姽鈭D象傳感器的電子讀出陣列與熒光圖象傳感器242(圖20B中所示)的讀出陣列220基本相似,具有與圖21所示類似的p-井CMOS電路布局,為了縮短讀出時(shí)間采用從每個(gè)采樣和保持電路輸出的電流模式,以及兩個(gè)電流輸出。
這種圖象傳感器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例使用1微米厚的無定形硅氫化物層作為輻射吸收介質(zhì),覆蓋在電子讀出陣列之上。純凈的無定形硅不滿足這個(gè)要求,因?yàn)樵跓o序的無定形結(jié)構(gòu)中有許多懸空硅鍵,這些懸空鍵形成能帶隙中大量的局部狀態(tài),導(dǎo)致材料的電阻率非常低。但是,可以使用一種具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)的無定形硅,這種無定形硅被稱為等離子體沉積無定形硅氫化物。它是通過硅烷氣體(SiH4)的輝光放電離解作用產(chǎn)生的;并且由于在硅原子通常具有懸空鍵的位置上含有結(jié)合的氫原子,所以能量帶隙中狀態(tài)密度較低,電阻率高到足以使之成為可使用的半導(dǎo)體材料。通過在等離子體室中的硅烷氣體中加入乙硼烷(B2H6),可以在無定形硅中摻雜硼以生成p-型材料;如果加入磷化氫(PH3),則在無定形硅中摻雜磷以增強(qiáng)這種材料的正常n-型特性。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,無定形硅中摻雜少量的硼(小于10ppm硼電子受主)以抑制正常的n-型特性和進(jìn)一步增大材料的電阻率。這種少量摻雜控制了熱生成電荷載體的數(shù)量,但是仍然解決在無定形硅層兩個(gè)表面注入載體的問題。
在優(yōu)選實(shí)施例中,在陣列與無定形硅之間的表面上需要一薄層(一微米的數(shù)百分之一)絕緣注入阻擋層。這層材料可以是氧化鋁或能夠用與沉積無定形硅相同的等離子體沉積裝置沉積的材料如氮化硅或二氧化硅等幾種材料之一。阻擋層的另一種構(gòu)成是重?fù)诫s硼的p-型無定形硅層(200ppm硼,0.3微米厚)。這層材料不是絕緣層,而是與主體層構(gòu)成一個(gè)p-n結(jié)。在主體層頂面上施加大約10伏特的正電壓,將使該p-n結(jié)后向偏置,因此不允許電子向上注入主體材料的下表面,而在光敏層中產(chǎn)生的正電荷載體(空穴)能夠自由地向下流動(dòng)穿過p-n結(jié)進(jìn)入強(qiáng)p-型材料中。該層的厚度和摻雜程度應(yīng)當(dāng)最小化以控制由橫向電荷移動(dòng)引起的模糊。
對于頂面電極也涉及類似的考慮。如果是處于正電位,該電極一定不會將空穴注入光敏層中。在頂面電極與主體材料之間設(shè)置絕緣阻擋層也會解決這個(gè)問題,或者可以使阻擋層為一薄層(小于1微米)重?fù)诫s磷的n-型無定形硅。可以將該p-n結(jié)反向偏置,使之不能向其下方的材料提供空穴,但是它可以比較容易地從下方接受電子。于是僅僅當(dāng)由入射輻射在該層中產(chǎn)生電荷載體對時(shí)才有電流流過光敏層。當(dāng)然,頂面電極還對于所需波長范圍的光是透明的,所以,不應(yīng)厚于所需厚度以獲得大約每平方1兆歐姆的表面電阻率,這是足夠低的電阻率,從而由于在頂面電極中流動(dòng)的小電流所產(chǎn)生的橫向電壓降不會干擾所獲得的圖象。我們推薦使用氧化銦錫(一種具有半導(dǎo)體特性的材料)作為表面電極。適合作為透明頂面電極的其它材料包括非常薄的金屬層如金或鉑,或者任何其它導(dǎo)電聚合物例如聚苯胺。如果使重?fù)诫s磷的n-型層具有足夠的導(dǎo)電性,還可用其作為表面導(dǎo)體。
襯底溫度是該方法中可變參數(shù)之一,已經(jīng)證明在沉積過程中當(dāng)襯底溫度為230℃時(shí)可以獲得光電流與暗電流的最佳比值。幸運(yùn)的是,這個(gè)溫度正是CMOS讀出陣列在沒有嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)能夠忍受的溫度。
圖27表示上述類型的傳感器的優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)象素剖面結(jié)構(gòu)。
其它光電導(dǎo)體也是可以采用的。這些光電導(dǎo)體可以是本征材料(除非在受到光照的情況下,這種材料具有高電阻率),或者具有二極管結(jié)構(gòu)(除非在受到光照的情況下,這種材料由于二極管結(jié)的封閉效應(yīng)而具有較小的電流)。類似的可以作為可見光光電導(dǎo)體的材料包括碲化鎘、碲化鎘/硫化鎘二極管、硒化鎘、硒、硒/砷、硒/碲、和有機(jī)光電導(dǎo)體如pthalocyanine。這不是窮舉,而只是可以沉積的光電導(dǎo)體的一些實(shí)例。
二極管結(jié)構(gòu)在零電壓下還可以以一種被稱為光致電壓模式的模式工作。這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于在零光照度時(shí)為零電流,能夠提高探測器性能。我們認(rèn)為我們所使用的術(shù)語“光電導(dǎo)體”包括光電二極管檢測以及光致電壓檢測。
二極管可以具有p-i-n結(jié)構(gòu)或者p-n結(jié)構(gòu)。與電極接觸的層應(yīng)為不連續(xù)的或者具有足夠高的電阻率以防止象素之間的漏電。電阻率由摻雜程度決定。
輻射吸收層可以由兩層或多層彼此分開的不同的光電導(dǎo)體層構(gòu)成。優(yōu)選的組合層包括一層碲化鎘和一層硫化鎘。沉積碲化鎘,則它是一種p-型材料(過多空穴)。沉積硫化鎘,則它是一種n-型材料(過多電子)。在兩種材料的異質(zhì)結(jié)上的外加電壓形成用作光電二極管的p-n結(jié)。這個(gè)p-n結(jié)是反向偏置的,禁止暗電流流過該結(jié)。但是,輻射產(chǎn)生的電子空穴對增大了電流,所說電流正比于入射輻射。其它實(shí)施例包括在p-型區(qū)和n-型區(qū)之間有一薄層絕緣層的p-i-n光電二極管,和形成在一部分金屬和一部分半導(dǎo)體之間的肖特基光電二極管。
骨密度測量儀圖象傳感器本發(fā)明的其它實(shí)施例是用于對骨骼例如前臂或手指的X-射線衰減特性進(jìn)行成象的一種數(shù)字X-射線成象裝置。對于這些圖象的自動(dòng)軟件分析可以測量出骨骼中礦物質(zhì)含量。這一信息然后被醫(yī)生采用,就骨礦物質(zhì)含量較低病例開出處方。
裝置介紹圖1中所示的本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括一個(gè)X-射線源和一個(gè)數(shù)字X-射線圖象傳感器。圖15A和圖15B所示的優(yōu)選的數(shù)字X-射線圖象傳感器包括66微米象素的一個(gè)832×1024象素CMOS讀出陣列12。讀出陣列12覆蓋有300微米厚的無定形硒層和導(dǎo)電電極8。優(yōu)選的X-射線源4為鎢陽極X-射線管,其X-射線輸出能量在30keV-60keV范圍內(nèi)。X-射線源4和圖象傳感器1設(shè)置在一個(gè)襯鉛箱中,X-射線源5與傳感器之間的距離為100厘米。在接近X-射線源4的X-射線路徑中設(shè)置有一個(gè)鉛變跡器以阻擋不直接入射到傳感器1中的X-射線??梢酝ㄟ^襯鉛箱中的一個(gè)開口將手或前臂放入X-射線路徑中。用數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)20采集數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)23中以用于分析這些圖象數(shù)據(jù)。
圖象數(shù)據(jù)采集和分析用于骨礦物質(zhì)密度測量的一種優(yōu)選方法是所謂的數(shù)字X-射線照相吸收測量法(DRA)。這里參照“Radiographic Absorptiometry forBone Mineral Measurement of the PhalangesPrecision andAccuracy Study”一文(Seoung-Oh Yang等人撰寫,Radiology,Vol192,857-859)介紹這種方法。這種方法包括采集由中指骨(手指骨骼)構(gòu)成的手的至少一部分的數(shù)字X-射線。在圖象視場內(nèi)還放置了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)密度部件例如一個(gè)鋁楔。用計(jì)算機(jī)分析該數(shù)字X-射線圖象以將中指骨剖面片層中平均X-射線衰減值與對應(yīng)于相同X-射線衰減的鋁楔厚度進(jìn)行比較。用鋁楔的等價(jià)厚度作為計(jì)算機(jī)算法的輸入值,該算法將這個(gè)值與過去測量的尸體指骨骨灰重量相對于這些尸體指骨的數(shù)字X-射線吸收測量值的查閱表進(jìn)行比較。已經(jīng)將尸體指骨的骨灰重量與病人大數(shù)據(jù)庫的骨礦物質(zhì)密度和骨礦物質(zhì)含量建立相關(guān)關(guān)系。對DRA測量值與同一年齡組病人的高斯分布的比較可以獲得與正常骨礦物質(zhì)含量的偏差的一個(gè)測量結(jié)果,表示為與正常值的一組標(biāo)準(zhǔn)偏差(∑)。
通過在多個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測量并將這些測量結(jié)果求平均可以進(jìn)一步提高DRA方法的精度。這些點(diǎn)可以是沿中指骨的不同位置,在兩個(gè)相鄰指骨上,或者在前臂末端(橈骨)。此外,可以將利用兩種略微不同的X-射線能量,例如30keV和35keV獲得的測量值平均以使測量結(jié)果對于X-射線源的時(shí)間變化不敏感。
該方法的另一個(gè)實(shí)施例利用兩種X-射線能量,例如30keV和60keV獲得數(shù)字X-射線圖象,并使用兩幅圖象中的信息去掉骨骼周圍組織的X-射線衰減特征以提供更加準(zhǔn)確的骨礦物質(zhì)密度測量結(jié)果。有關(guān)這個(gè)方法的現(xiàn)有技術(shù)公開在授予Andrew Karellas(1992年9月22日)的專利US-5150394中(發(fā)明名稱為“用于定量X-射線成象的雙能量系統(tǒng)”),該專利以引用方式結(jié)合在本申請中。
再一個(gè)實(shí)施例涉及利用對所獲得圖象的直觀和軟件分析獲得股骨頸骨、髖骨和脊骨的微觀結(jié)構(gòu)。
替換實(shí)施例雖然以上描述包含許多具體細(xì)節(jié),但是讀者不應(yīng)將其視為對本發(fā)明范圍的限制,而只應(yīng)將其看作是對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的示例性說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想象得到在本發(fā)明范圍內(nèi)可以有許多其它可能的改進(jìn)。
例如,可以使用除單晶硅晶片以外的其它襯底。其它的這類襯底包括絕緣體上的晶體硅(例如藍(lán)寶石上的硅或二氧化硅或氧化硅酮)、砷化鋁鎵或砷化銦鎵。將來還可能使用鉆石襯底。也可以用PMOS或NMOS電路代替我們優(yōu)選的CMOS電路。
薄膜晶體管制造方法的現(xiàn)有技術(shù)包括在玻璃上涂覆無定形硅,和在無定形硅上和其中制作電路。與晶體硅相比無定形硅具有相對較低的電子和空穴遷移率,這樣禁止在無定形硅中制作除簡單的晶體管開關(guān)以外的有源電路。有許多公司試圖將涂覆的無定形硅層轉(zhuǎn)變成純晶體硅,而只取得了有限的成功。一種具體方法是用激光對無定形硅進(jìn)行處理以生成多晶硅,其硅晶格部分晶體化,但是存在大量的缺陷。多晶硅具有非常高的電子和空穴遷移率,從而能夠在多晶硅中和其上制作更加精細(xì)的電路。將來有可能從無定形硅覆層制成單晶硅。這種單晶硅,與用于CMOS制造的晶片一樣,具有非常少量的缺陷。本發(fā)明的范圍中包括這種應(yīng)用。
我們可以使圖5中所示的兩個(gè)象素電路11在各個(gè)象素位置邊靠邊。分別通過獨(dú)立的開關(guān)與電極14相連的兩個(gè)電容器78可以存儲兩個(gè)連續(xù)的圖象,不需要中間讀出。另一個(gè)實(shí)施例在電子讀出陣列12的每列象素電路中加入了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的讀出電路可以利用一個(gè)鑒別器電路構(gòu)成以進(jìn)一步減小累積暗噪聲。當(dāng)每個(gè)X-射線光子產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖時(shí),一個(gè)比較器電路將該脈沖高度與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果一個(gè)脈沖超過閾值電壓,則該脈沖啟動(dòng)觸發(fā)器,一個(gè)單程觸發(fā)器(單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器)向累積電容器輸送固定量電荷。每個(gè)象素上的脈沖成形電路累加每個(gè)X-射線光子的固定量電荷。這種電路結(jié)構(gòu)用于濾掉暗電流和提供量子化X-射線計(jì)數(shù)。另一個(gè)實(shí)施例包括兩個(gè)鑒別器電路的結(jié)構(gòu),從而可以將高低能量的X-射線光子分開,以便進(jìn)行雙能量圖象分析。
另一種制造電子讀出陣列190的方法使用6英寸直徑的硅晶片。該晶片由66微米象素的1536×1536陣列構(gòu)成,圖幅為10厘米×10厘米??梢詫?個(gè)10厘米×10厘米的圖象傳感器按照2×3陣列組合構(gòu)成一個(gè)20厘米×30厘米的全幅圖象傳感器。
除了將12個(gè)傳感器按照3×4陣列組合構(gòu)成一個(gè)全幅傳感器之外,另一個(gè)實(shí)施例還可以將4個(gè)傳感器190組合成如圖19所示的一行。這樣構(gòu)成了一個(gè)1024×4096象素的圖象傳感器組件215,其成象面積約為6.7厘米×27厘米,三條間隙210的面積約為1毫米×6.7厘米(大約包含15×1024個(gè)象素),這些間隙不能提供X-射線信息。這個(gè)傳感器組件215在所需圖象區(qū)域中兩個(gè)分離的略微重疊位置244和218之間移動(dòng),在每個(gè)位置進(jìn)行一次X-射線曝光,將曝光獲得數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)23中結(jié)合生成一個(gè)全幅圖象??梢岳迷诿總€(gè)步進(jìn)位置處各一半劑量的兩次曝光之間的沿對角線的附加小量移動(dòng)填充間隙以及其它故障象素丟失的信息,如上所述??梢岳糜?jì)算機(jī)算法將三條數(shù)字X-射線圖象信息組合形成一幅圖象,所說算法使用將這些圖象與重疊區(qū)域的混合部分結(jié)合的相關(guān)方法記錄重疊圖象。當(dāng)傳感器組件移動(dòng)到一個(gè)新位置時(shí),X-射線管組件及其限束孔一起圍繞固定的X-射線源點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)以跟隨傳感器組件的移動(dòng)。所說孔徑將X-射線束限制在1×4傳感器組件的敏感區(qū)域,防止病人受到對于成象沒有貢獻(xiàn)的X-射線輻照。
這種1×4傳感器陣列特別適合于前文所述的條帶格柵原理。在這個(gè)實(shí)施例中,鉭條或鎢條必須沿主要步進(jìn)移動(dòng)方向延伸,從而使條帶平面在每個(gè)步進(jìn)位置與從X-射線源呈扇形發(fā)射出的X-射線束保持平行。由于該移動(dòng)方向平行于傳感器組件的短邊,而條帶段較短,因此更有可能保持平整和根據(jù)條帶段末端的約束精確定位,所以更為有利。需要幾乎理想的平整度和角度對準(zhǔn)以使被格柵遮擋的象素?cái)?shù)目最少。這些被遮擋的象素的信號值利用如上所述的對角線移動(dòng)二次曝光方法進(jìn)行恢復(fù),但是如果有過多的象素的信號值是由總X-射線曝光量的一半獲得的,則會使圖象的整體信噪比下降。此外,格柵條帶的這種取向?qū)τ跍p少散射是最佳選擇。散射X-射線的路徑起點(diǎn)在1×4縱橫比的主X-射線扇束與被成象物體交匯的延長區(qū)域中。沿接近平行于條帶平面方向的散射不會被格柵擋住,但是對于這種結(jié)構(gòu)來說散射只限于在散射X-射線起點(diǎn)區(qū)域的短邊控制下的小角度范圍。更多的散射X-射線具有沿傳感器陣列長邊方向的分量,但是這些射線大部分被格柵條帶擋住。這種格柵設(shè)計(jì)與步進(jìn)探測器陣列結(jié)合能夠比目前銷售的用于乳腺X-射線照相的格柵更加有效地去除散射射線,并且能夠更好地保持非散射射線的強(qiáng)度。
根據(jù)另一種方法,我們在乳腺X-射線照相裝置中使用了一個(gè)6.75厘米×5.5厘米的硒覆蓋圖象傳感器。這種X-射線傳感器連續(xù)地移動(dòng)以對乳房的16個(gè)不同區(qū)域成象。然后將這些略微重疊的圖象利用相關(guān)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中組合,以構(gòu)成整個(gè)乳房的全幅無縫圖象。
另一個(gè)實(shí)施例至少對于目標(biāo)6的一個(gè)小部分,例如乳房使用非常小劑量的X-射線曝光量,以確定最終圖象的最佳X-射線曝光量值。最佳X-射線曝光量取決于乳房大小和成分。在全量X-射線曝光之前,這種預(yù)曝光X-射線脈沖可以在壓縮乳房196上施加大約2毫秒時(shí)間。這個(gè)預(yù)曝光脈沖可以施加到整個(gè)乳房上或者利用位于X-射線源4附近的一個(gè)小孔施加到乳房的一部分上??梢詮娜鶊D象傳感器194的至少一部分獲得數(shù)字信息,并利用該數(shù)字信息確定完全X-射線曝光量值。預(yù)曝光脈沖的一個(gè)實(shí)施例涉及從位于乳房196的最終圖象21的大約中央?yún)^(qū)域中的一個(gè)100×100象素11陣列獲得數(shù)字信息。然后利用從該100×100象素陣列獲得的平均數(shù)字值確定曝光量值。另一個(gè)實(shí)施例使用三個(gè)獨(dú)立的100×100象素陣列,以對乳房196的不同部分進(jìn)行采樣。然后使用由這三個(gè)陣列獲得的數(shù)字信息的加權(quán)平均值確定曝光量值。
預(yù)曝光X-射線脈沖的另一個(gè)實(shí)施例使用至少兩個(gè)具有不同X-射線能量的這種脈沖。通過調(diào)整施加到X-射線源4的電壓或者在兩個(gè)脈沖之間變換X-射線濾光器,例如由銀改變?yōu)殂?,可以改變兩個(gè)脈沖的X-射線能量。然后利用這些信息確定最佳X-射線能量和獲得乳房X-射線圖象的X-射線劑量。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是具有由125平方微米象素構(gòu)成的一個(gè)30厘米×45厘米圖象面積的一種胸部X-射線裝置。通過以如圖17A和圖17B所示類似方式將12個(gè)10厘米×10厘米的圖象傳感器按照3×4傳感器陣列組合,或者將4個(gè)10厘米×10厘米傳感器組合成一行,然后將該組件步進(jìn)移動(dòng)到三個(gè)不同位置以獲得全幅圖象,可以實(shí)現(xiàn)這種圖象幅面。
胸部X-射線圖象通常需要X-射線的光子能量譜以60-70keV為中心。硒層10為1200微米厚以吸收大部分的入射X-射線?;蛘?,輻射吸收層10可以由氧化鉛構(gòu)成,氧化鉛的吸收常數(shù)比硒高4倍。300微米厚的氧化物層可以吸收60-70keV之間的大部分X-射線。
本發(fā)明可以用于對電路板進(jìn)行成象。在這種應(yīng)用中優(yōu)選的輻射為60-70keV能量的X射線光子,并且需要1000微米的硒吸收大部分的X-射線光子。該優(yōu)選實(shí)施例具有由25平方微米的象素構(gòu)成的3平方厘米成象面積。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例涉及用于X-射線計(jì)算機(jī)層析攝影(X-射線CT)成象裝置的一種傳感器。該實(shí)施例使用一個(gè)扇形束X-射線源,并利用位于X-射線源對面的局部弧形X-射線探測器探測X-射線。優(yōu)選的傳感器包括480個(gè)象素單元,每個(gè)單元面積為2平方毫米,設(shè)置在一個(gè)46厘米半徑的圓弧上。每個(gè)傳感器單元具有1200微米厚的硒層以吸收大部分的70keV能量的X-射線光子。X-射線源和傳感器圍繞目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng),在轉(zhuǎn)動(dòng)的X-射線源和傳感器的各個(gè)角度位置從所有象素單元中獲取X-射線信息。按照眾所周知的方法將這些X-射線信息用于數(shù)學(xué)重構(gòu)算法以建立目標(biāo)的層析圖象。
對于特殊的應(yīng)用,我們還可以將本發(fā)明的原理應(yīng)用于其它輻射源例如α輻射源或β輻射源。
制造具有CMOS讀出陣列的大幅面X-射線圖象傳感器通常需要采用對接或疊置方式組合多個(gè)較小的傳感器陣列。組合陣列的另一個(gè)實(shí)施例涉及具有用象素陣列集成的讀出電路的一種四邊可對接陣列的制造。這種結(jié)構(gòu)可以用于較大象素尺寸的熒光圖象傳感器,其中每個(gè)象素的象素電路占據(jù)200微米象素面積的一小部分(15%)。采樣和保持電路、移位寄存器、和模擬多路復(fù)用器集成在沒有被象素電路占據(jù)的其余區(qū)域中。在陣列周圍選定象素位置設(shè)置有連線接點(diǎn)。這些象素位置作為失效象素處理。連線接點(diǎn)設(shè)置在陣列頂面或者設(shè)置在陣列下面以與陣列的底部連接。優(yōu)選的實(shí)施例為用200微米象素的70×70象素陣列,形成1.4厘米×1.4厘米的成象面積。這種結(jié)構(gòu)是適合于1.2微米CMOS p-井制造方法的最大尺寸。這些陣列以10個(gè)為一條接合在一起并固定在例如FR4電路板上。相鄰陣列利用陣列周邊的連線焊片按照串行遞鏈形式連接在一起??扇〉氖牵ㄟ^將這些陣列條接合在一起排列成一個(gè)14厘米×14厘米的成象陣列。用硒層和導(dǎo)電電極覆蓋所得的14厘米×14厘米成象陣列以構(gòu)成一個(gè)熒光圖象傳感器。另一個(gè)實(shí)施例將未加覆蓋的14厘米×14厘米圖象陣列放置在一個(gè)盛有高壓氙氣的容器中,用作光電導(dǎo)體材料。再一個(gè)實(shí)施例用硒層和導(dǎo)電電極覆蓋這些陣列條,然后將這些陣列條組裝到一起或者用硒和導(dǎo)電電極覆蓋各個(gè)陣列,然后組裝這些陣列條。
也可以使用除硒和氧化鉛之外的其它光電導(dǎo)體材料作為X-射線輻射吸收層??扇〉氖沁@層材料足夠厚以吸收大部分的輻射。其它適合的材料包括無定形硅、硫化鉛、氧化鋅、硫化鋅、碲化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鎘、碘化鉛、三硫化銻和金剛石薄膜。此外,還可以使用各種氣體包括氙氣和氪氣作為光電導(dǎo)體。
硒在從X-射線到可見光頻譜范圍內(nèi)都具有光電導(dǎo)響應(yīng),在500nm以上頻譜范圍內(nèi)響應(yīng)變?nèi)酢T谖刑砑?0%的碲可以增強(qiáng)在可見光區(qū)域的光電導(dǎo)響應(yīng),并將響應(yīng)范圍擴(kuò)展到800nm。
因此,讀者需要根據(jù)所附權(quán)利要求和它們的法律請求,而不是根據(jù)已經(jīng)給出的示例來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.用于利用產(chǎn)生電子-空穴的輻射獲得圖象的一種成象裝置,該裝置包括A.至少一個(gè)固態(tài)輻射探測單元,該單元包括1)由摻雜的晶體半導(dǎo)體材料構(gòu)成的一個(gè)襯底,2)結(jié)合在所說襯底中和所說襯底上以構(gòu)成一個(gè)象素電路陣列的一組金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路,每個(gè)所說半導(dǎo)體象素電路限定一個(gè)象素,并且包括;a)一個(gè)電荷收集象素電極,b)與所說電荷收集電極電連接以存儲由所說電荷收集電極收集的電荷的一個(gè)象素電容器,c)一個(gè)電荷測量晶體管電路,其中包含至少一個(gè)用于測量存儲在所說象素電容器中的電荷量的晶體管,3)由覆蓋所說象素電路陣列的一層光電導(dǎo)材料構(gòu)成的一個(gè)輻射吸收層,所說材料在受到所說產(chǎn)生電子-空穴輻射輻照時(shí)具有光電導(dǎo)特性,4)由沉積在所說輻射吸收層上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的一個(gè)表面電極層,所說電極層對于所說輻射至少是部分透明的,可以與一個(gè)電壓源連接以在所說輻射吸收層,以及所說表面電極層與所說電荷收集電極之間建立一個(gè)電場;B.用于利用所說測量晶體管電路測量存儲在每個(gè)所說象素電容器中的電荷量的一個(gè)象素電荷測量電路,C.用于采集和存儲從所說電荷測量結(jié)果中獲得的數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),所說數(shù)據(jù)包含構(gòu)成一幅圖象的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底由摻雜單晶硅構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底為一晶片。
4.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底由電絕緣體上的硅層構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的一種成象裝置,其特征在于所說絕緣體由二氧化硅或藍(lán)寶石構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底由砷化鋁鎵構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底由砷化銦鎵構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路。
9.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說金屬氧化物半導(dǎo)體電路為n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路。
10.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說金屬氧化物半導(dǎo)體電路為p-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路。
11.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射包括X-射線輻射。
12.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射包括紫外線輻射。
13.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射包括可見光。
14.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于產(chǎn)生電子-空穴的輻射包括粒子輻射。
15.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括用于所說所說圖象的一個(gè)監(jiān)視器。
16.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括用于打印所說圖象的一個(gè)打印機(jī)。
17.如權(quán)利要求2所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)所說的象素電容器包括夾在兩層重?fù)诫s的多晶硅之間的一絕緣氧化物層。
18.如權(quán)利要求17所述的一種成象裝置,其特征在于所說氧化物層為SiO2玻璃。
19.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)電荷收集象素電極由鋁構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)電荷測量晶體管包括至少兩個(gè)設(shè)置在電路中的場效應(yīng)晶體管,從而可以無損地測量所說電荷。
21.如權(quán)利要求20所述的一種成象裝置,其特征在于所說至少兩個(gè)場效應(yīng)晶體管包括一個(gè)源極輸出晶體管和一個(gè)選擇晶體管。
22.如權(quán)利要求20所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)象素電容器限定了兩個(gè)平行平板,每個(gè)源極輸出晶體管限定了一個(gè)門極,所說平板之一與所說門極電連接。
23.如權(quán)利要求22所述的一種成象裝置,其特征在于所說的每個(gè)半導(dǎo)體象素電路還包括用于將每個(gè)所說象素電路復(fù)位的一個(gè)復(fù)位晶體管。
24.如權(quán)利要求23所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)所說復(fù)位晶體管包括用于將相關(guān)的象素電容器短路接地的一個(gè)電路。
25.如權(quán)利要求24所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)復(fù)位晶體管包括一個(gè)反向偏置復(fù)位晶體管。
26.如權(quán)利要求25所述的一種成象裝置,其特征在于所說光電導(dǎo)材料包括無定形硒。
27.如權(quán)利要求26所述的一種成象裝置,其特征在于所說硒沉積為薄膜形式。
28.如權(quán)利要求27所述的一種成象裝置,其特征在于所說薄膜是蒸氣沉積的。
29.如權(quán)利要求28所述的一種成象裝置,其特征在于所說硒是與砷的熔合物。
30.如權(quán)利要求29所述的一種成象裝置,其特征在于所說表面電極層包括銀。
31.如權(quán)利要求30所述的一種成象裝置,其特征在于所說電壓源用于在所說輻射吸收層中產(chǎn)生每微米2至20伏特的電場。
32.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說光電導(dǎo)材料包括至少兩層光電導(dǎo)材料。
33.如權(quán)利要求32所述的一種成象裝置,其特征在于所說至少兩層構(gòu)成了一個(gè)光電二極管。
34.如權(quán)利要求33所述的一種成象裝置,其特征在于所說光電二極管包括一個(gè)p-n結(jié)。
35.如權(quán)利要求33所述的一種成象裝置,其特征在于所說光電二極管包括一個(gè)p-i-n結(jié)。
36.如權(quán)利要求33所述的一種成象裝置,其特征在于所說光電二極管包括一個(gè)肖特基結(jié)。
37.如權(quán)利要求11所述的一種成象裝置,其特征在于所說電荷收集象素電極與所說表面電極層之間被至少10微米厚度的所說光電導(dǎo)材料分隔開。
38.如權(quán)利要求37所述的一種成象裝置,其特征在于所說陣列設(shè)置成若干行和若干列,所說象素電荷測量裝置在每一列包括一個(gè)采樣和保持電路,以及用于選擇行的一個(gè)移位寄存器和用于選擇列的一個(gè)獨(dú)立的移位寄存器。
39.如權(quán)利要求38所述的一種成象裝置,其特征在于所說數(shù)據(jù)采集裝置包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
40.如權(quán)利要求2所述的一種成象裝置,其特征在于在所說單晶硅襯底中摻雜以生成n-型硅。
41.如權(quán)利要求2所述的一種成象裝置,其特征在于在所說單晶硅襯底中摻雜以生成p-型硅。
42.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說電壓源裝置用于相對于所說電荷收集電極在所說表面電極層上施加正電壓。
43.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說電壓源裝置用于相對于所說電荷收集電極在所說表面電極層上施加負(fù)電壓。
44.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說至少一個(gè)探測單元為一組探測單元。
45.如權(quán)利要求44所述的一種成象裝置,其特征在于所說的一組探測單元包括至少一行的至少四個(gè)探測單元。
46.如權(quán)利要求45所述的一種成象裝置,其特征在于所說的至少一行為彼此平行設(shè)置的至少三行。
47.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括用于根據(jù)所說數(shù)據(jù)計(jì)算圖象的一個(gè)計(jì)算機(jī)。
48.如權(quán)利要求1所述的一種成象裝置,其特征在于所說成象裝置是作為骨密度測量儀的一個(gè)單元安裝的。
49.如權(quán)利要求48所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括利用根據(jù)所說數(shù)據(jù)確定骨密度的一種算法編程的一個(gè)計(jì)算機(jī)。
50.如權(quán)利要求49所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括設(shè)置在所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射的路徑中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)密度元件。
51.如權(quán)利要求50所述的一種成象裝置,其特征在于所說用于確定骨密度的數(shù)據(jù)包括至少兩組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)對應(yīng)于選定X-射線能量的輻射。
52.用于生成被產(chǎn)生電子-空穴的輻射輻照的目標(biāo)之圖象的一種成象裝置,它包括A.發(fā)射指向所說目標(biāo)的所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射束的輻射源,所說輻射束限定了一條輻射路徑,B.位于所說目標(biāo)下游的輻射束路徑中的至少一個(gè)固態(tài)輻射探測單元,所說單元包括1)由摻雜單晶硅構(gòu)成的一個(gè)襯底,2)形成在所說單晶硅中和之上以形成一個(gè)陣列的許多互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路,其限定了一個(gè)象素電路陣列,每個(gè)所說的半導(dǎo)體象素電路限定了一個(gè)象素,并且包括a)一個(gè)電荷收集象素電極,b)與所說電荷收集電極電連接以存儲由所說電荷收集電極收集的電荷的一個(gè)象素電容器,c)一個(gè)電荷測量晶體管電路,它包括至少一個(gè)晶體管,以測量存儲在所說象素電容器中的電荷,3)由覆蓋所說象素電路陣列的光電導(dǎo)材料構(gòu)成的一輻射吸收層,所說材料在受到所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射照射下具有光電導(dǎo)特性,4)由沉積在所說輻射吸收層上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的一表面電極層,所說電極層對于所說輻射至少是部分透明的,和5)在所說輻射吸收層上和所說表面電極層與所說電荷收集電極之間產(chǎn)生電場的電壓源,D.用于利用所說測量晶體管電路測量存儲在每個(gè)所說象素電容器中的電荷的一個(gè)象素電荷測量電路,E.用于采集和存儲從所說電荷測量中獲得的數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),F(xiàn).用于根據(jù)所說數(shù)據(jù)計(jì)算所說目標(biāo)圖象的一個(gè)計(jì)算機(jī)。
53.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射包括X-射線輻射。
54.如權(quán)利要求53所述的一種成象裝置,其特征在于所說至少一個(gè)探測單元為排列成至少一行,每行至少四個(gè)探測單元的許多探測單元。
55.如權(quán)利要求54所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括用于相對于所說目標(biāo)移動(dòng)所說的至少一行探測單元的一個(gè)定位裝置。
56.如權(quán)利要求55所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括設(shè)置在所說目標(biāo)與所說探測單元之間的一個(gè)防散射格柵。
57.如權(quán)利要求56所述的一種成象裝置,其特征在于所說防散射格柵相對于所說探測單元是固定的。
58.如權(quán)利要求57所述的一種成象裝置,其特征在于所說計(jì)算機(jī)包括軟件以根據(jù)所說目標(biāo)的多個(gè)部分的多個(gè)圖象生成所說目標(biāo)的至少一個(gè)部分的一個(gè)復(fù)合圖象。
59.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括用于限制輻射到所說目標(biāo)上的X-射線劑量的一個(gè)X-射線劑量限制裝置。
60.如權(quán)利要求59所述的一種成象裝置,其特征在于所說劑量限制裝置包括用于收集預(yù)曝光X-射線數(shù)據(jù)的一個(gè)裝置。
61.如權(quán)利要求60所述的一種成象裝置,其特征在于它還包括用于根據(jù)所說預(yù)曝光X-射線數(shù)據(jù)選擇X-射線能譜的能譜選擇裝置。
62.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說輻射源、所說目標(biāo)定位裝置和所說至少一個(gè)探測單元用于獲得人體至少一部分的圖象。
63.如權(quán)利要求62所述的一種成象裝置,其特征在于所說成象裝置用于為女性乳房成象。
64.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說輻射源、和所說至少一個(gè)探測單元用于為一個(gè)電路板成象。
65.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說輻射源、和所說至少一個(gè)探測單元用于構(gòu)成一個(gè)X-射線計(jì)算機(jī)層析攝影裝置。
66.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說光電導(dǎo)材料包括摻雜碲的無定形硒。
67.如權(quán)利要求66所述的一種成象裝置,其特征在于所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射包括可見光輻射。
68.如權(quán)利要求66所述的一種成象裝置,其特征在于所說電磁輻射包括紅外線輻射。
69.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底為一個(gè)晶片。
70.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說襯底由摻雜單晶硅構(gòu)成。
71.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)所說的象素電路包括一個(gè)復(fù)位開關(guān)和一條復(fù)位線。
72.如權(quán)利要求71所述的一種成象裝置,其特征在于每個(gè)所說的象素電路包括用于將所說電路與所說復(fù)位線隔離的一個(gè)隔離裝置。
73.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說的許多象素電路中的每一個(gè)象素電路包括與所說電極連接的一個(gè)第二象素電容器。
74.如權(quán)利要求55所述的一種成象裝置,其特征在于所說計(jì)算機(jī)是利用將象素值混合以生成無縫圖象的一種算法編程的。
75.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說成象裝置用于進(jìn)行胸部X-射線成象。
76.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說成象裝置用于為集成電路板成象。
77.如權(quán)利要求52所述的一種成象裝置,其特征在于所說成象裝置用于獲得層析攝影圖象。
78.利用產(chǎn)生電子-空穴的輻射生成圖象的一種成象裝置,它包括A.至少一個(gè)固態(tài)輻射探測單元,該單元包括1)由摻雜晶體半導(dǎo)體材料構(gòu)成的一個(gè)襯底,2)形成在所說襯底中和之上以構(gòu)成一個(gè)陣列的多個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路,其限定了一個(gè)象素電路陣列,每個(gè)所說的半導(dǎo)體象素電路限定一個(gè)象素,并且包括a)一個(gè)電荷收集象素電極,b)與所說電荷收集電極電連接以存儲由所說電荷收集電極收集的電荷的一個(gè)象素電容器,c)一個(gè)電荷測量晶體管電路,該電路包括至少一個(gè)用于測量存儲在所說象素電容器中的電荷的晶體管,3)由覆蓋所說象素電路陣列的至少兩分層光電導(dǎo)材料構(gòu)成的一輻射吸收層,所說至少兩層在受到所說產(chǎn)生電子-空穴的輻射輻照時(shí)具有光電導(dǎo)特性,所說至少兩層形成一個(gè)半導(dǎo)體結(jié),4)由沉積在所說輻射吸收層上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的一表面電極層,所說電極層對于所說輻射至少是部分透明的,B.用于利用所說測量晶體管電路測量存儲在每個(gè)所說的象素電容器中的電荷量的一個(gè)象素電荷測量電路,C.用于采集和存儲從所說電荷測量中獲得的數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),所說數(shù)據(jù)包含構(gòu)成一幅圖象的信息。
79.如權(quán)利要求78所述的一種成象裝置,其特征在于所說半導(dǎo)體結(jié)為p-n結(jié)。
80.如權(quán)利要求78所述的一種成象裝置,其特征在于所說半導(dǎo)體結(jié)為p-i-n結(jié)。
全文摘要
利用產(chǎn)生電子-空穴的輻射(2)生成圖象的一種成象裝置。電子-空穴對產(chǎn)生于由一種光電導(dǎo)材料構(gòu)成的輻射吸收層(10)中。這層(10)材料覆蓋著形成在一個(gè)晶體半導(dǎo)體襯底(7)中和之上的金屬氧化物半導(dǎo)體象素電路。每個(gè)象素電路包括一個(gè)電荷收集象素電極、與該電極相連以存儲電荷的一個(gè)電容器和一個(gè)電荷測量晶體管電路。一個(gè)電壓源(16)在象素電極與覆蓋輻射吸收層(10)的可透過輻射的表面電極(8)之間施加一個(gè)電場。一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(20)采集并存儲從電荷測量獲得的數(shù)據(jù),在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中利用一臺計(jì)算機(jī)(23)根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出圖象。圖象可以顯示在一個(gè)監(jiān)視器(22)上或者從一個(gè)打印機(jī)打印出來。優(yōu)選實(shí)施例提供利用X-射線、紫外線和可見光獲得的圖象。
文檔編號H01L27/14GK1228163SQ97197378
公開日1999年9月8日 申請日期1997年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月18日
發(fā)明者B·斯皮維, P·馬丁, A·L·莫爾瑟爾, E·阿特拉斯, A·佩爾勒格里諾 申請人:熱特雷斯公司
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