数字射线摄影成像设备的制作方法

专利名称：数字射线摄影成像设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及数字射线摄影成像，具体涉及一种使用差分读取部 件的成像阵列。
背景技术：
传统的数字射线摄影(DR)成像板从使用由按照行x列的矩阵排列的 多个独立传感器组成的阵列的闪烁介质(scintillating medium)获取图像数 据，其中，每个传感器提供图像数据的单个像素。在公知的现有技术中， 一般来说每个像素包括以平面或者垂直方式排列的光敏元件和开关元件。 在一个已知的成像设备中，前板具有光敏元件阵列，而背板由薄膜晶体管 (TFT)开关阵列组成。在这些成像装置中，氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon) ( a-Si:H )常用于形成每个像素所需要的光电二极管和薄 膜晶体管开关，尽管也可使用例如激光重结晶硅(laser recrystallized silicon) 和单晶珪(single-crystal silicon)这样的多晶半导体(polycrystalline semiconductors) TFT开关作为替代。图1示出了由具有多个a-Si:H n-i-p光电二极管70和TFT71的阵列组 成的传统类型的平板成像器80的局部示意图。栅极驱动器芯片82连接到 栅极线83的组，读取芯片34连接到数据线84和偏置线85的组。电荷》文 大器86可被提供以接收来自数据线的信号。来自电荷放大器86的输出可 以被发送至模拟复用器87或者直接发送到模数转换器(ADC) 88从而以 期望的速度输出(stream out)数字图像数据。在如图1所示的传统的基于a-Si:H的非直接平板成像器中，入射X-射线光子被转换为光学光子，光学光子在a-Si:H n-i-p光电二极管70中被 进一步转换为电子空穴对。光电二极管的像素电荷容量是偏置电压和光电二极管电容的产物。 一般来说，反向偏置电压被施加于偏置线85以产生 横跨光电二极管的电场(从而产生耗尽区)并提高电荷收集效率。当相关的TFT71处于非导通("ofT)状态时，图像信号由光电二极管综合。这是 通过将栅极线83保持在负电压来实现的。通过TFT栅极控制电路相继切 换各行的TFT71到导通状态以读取该阵列。当通过向相应的栅极线83施 加正电压使得一行像素被切换到导通("on")状态时，来自这些像素的电 荷沿数据线84被传送并被外部电荷敏感放大器86综合。其后，该行被切 换回非导通状态，对每一行重复执行这一过程直到整个阵列都被读取。从 外部电荷敏感放大器86输出的信号被并-串复用器87传送到模数转换器 (ADC)88，并进一步产生数字图像。具有如图1所述的成像阵列的平板成像器既可以进行单拍(射线摄影) 图像获取也可以进行连续(透视)图像获取。但是，传统电路结构中的电 荷放大器受到共模噪声以及其他问题的影响而使得信号质量受到限制。本领域中同样已知的是使用像素阵列的数字射线摄像成像板，包括X 射线吸收光电导体，例如非晶硒(a-Se),以及读取电路。由于X射线在 光电导体中被吸收，因而不必设立单独的闪烁屏。这些传统的成像阵列具有影响性能的局限性。举例来说，使用MIS光 电传感器的数字摄影阵列的一个局限在于，由于在栅极电介质的电容和半 导体的电容之间的电荷的电容划分(c叩acitive division )，导致量子效率 (quantum e迅ciency )的降低。传统的MIS光电传感器结构对于本领域技 术人员而言是公知的，因此这里将不再详细说明。为了方便，在图2A中 示出了 MIS光电传感器的等效电路。该电路由绝缘体电容串联半导体电容 组成，其中，绝缘体电容表示为Ci — Sit"其中，s,为绝缘体介电常数，t,为绝缘体厚度。半导体电容表示为其中，Ss为半导体的介电常数，ts为半导体厚度。在半导体中的热生电荷和在半导体中的光生电荷作为电流源与所述半导体电容并联。在MIS光电传感器的操作过程中，反向偏置被施加在接触半导体的共用偏置电极和接触绝缘体的像素电极之间。当MIS光电传感器的半导体由在本征半导 体层上覆盖N型掺杂层形成时，半导体接触处将被正偏置，同时接触到绝 缘体的电极将被负偏置。当被能量水平超过半导体带隙的光线照射时，将导致每个吸收光子对 应生成一个电子空穴对，并在光电传感器终端之间产生电荷差。由于施加 的偏置所导致的半导体中的电场，电子从N+半导体流出进入偏置线，同 时空穴在半导体和绝缘体之间的界面漂移。由于绝缘体电容Ci和半导体电 容Cs之间的电容划分，接触栅极电介质的电极上的镜像电荷少于硅-绝缘 体界面上的空穴数目。光电流，即图2A中所示的IraoTO，会导致横穿绝 缘体电容Ci的电荷分离，其中，空穴分布于绝缘体和半导体间之间的界面 上，而电子分布在顶端电极。为了方便，称这种电荷的减少为电荷转移效 率，或CTE:CTE=Ci / (Ci + Cs).量子效率，定义为接触绝缘体的电极上收集到的电子数量除以入射光子数 量，减少了CTE:QE = TIT0 exp(-aA-kyer). (1 - exp(-a入di勿er) CE CTE 其中，Trro为透明电才及(通常为铟锡氧化物(Indium Tin Oxide))的光学投射性，a入为半导体(通常为非晶硅)的光学吸收系数，dn勿er和di如er分别是掺杂层(通常为n型掺杂非晶硅)和本征层的厚度，CE为本征层的电荷收集效率。图2B示出了对于非晶硅半导体和氮化硅绝缘体的特定例子，作为半 导体和绝缘体厚度的函数的电荷转移效率。对于用于现有技术中的使用 MIS光电传感器的数字射线摄影检测器的典型值，该电荷转移效率可能低 到50%-75%。这是现有技术装置的一个问题。除了量子效率低以外，现有技术装置还受制于噪声源的影响，至少包括由栅极线开关造成的共模噪声，电源噪声和纟丈波，电磁干扰(EMI)噪 声(pickup)。图3A示出了一种用于现有技术中的带有具备MIS光电传感器的1-晶 体管无源像素结构的薄膜晶体管阵列的电路图，图3B示出了一种用于现 有技术中的带有具备PIN光电传感器的1-晶体管无源像素结构的薄膜晶体 管阵列的电路图。在这两种结构的操作中，通过在光电传感器上建立反向 偏置使得像素被首先复位。这是通过关闭电荷放大器复位开关并打开行选 择TFT来实现。其后，光电传感器的阳极被设置到Vbias,而光电传感器 的阴极被设置为Vref。为了实现反向偏置条件为Vref>VBIAS。 一旦像素 被复位，关闭行选择TFT并且隔离所述器件。进行信号检测时，产生空穴 对，在光电传感器终端间提供电荷差异，并且电场将空穴对扫到接触处。 这些载流子除去终端处存在的电荷，有效地降低横穿二极管上的偏置。在 读取阶段，通过使用电荷放大器测量重新建立初始反向偏置条件所要求的 正电荷量。取决于使用的信号处理技术，对应于该电荷差异的模拟输出信 号被直接或间接地转换以提供数字值。图3C说明在图3A和图3B的电路中的栅极线和数据线之间的电容耦 合现象。这些重叠电容包括栅极线和数据线的物理叠加以及薄膜行选择晶 体管源极和这些晶体管的栅极之间的电容。栅极线时钟上的任何噪声和紋 波都会以栅极线到数据线重叠电容的总和与数据线的总电容的比率馈通 (feed through )到数据线上△Vnoise feedthru —AVnoise Nrows C0vedap/Cdataline， 其中，AVfeedthru是由于在栅极线上出现的噪声电压AVn。ise而导致的出 现在数据线上的电压噪声，N,s是成像传感器中的行的数目，C,nap是一 条行选择线和一条数据线之间的重叠电容，以及，Cd^,ne是总的数据线电 容。由电荷放大器所检测的相应的噪声电荷AQ响sefee她ru由下式给出noise feedthru —AVnoise Nr0ws Coverlap.8对于现有技术中典型的成像传感器，总重叠电容Nrows'C。verlap —般为数 据线电容的一半或以上。对于例如来自电源噪声或者时钟驱动器噪声的栅极线上的典型的10mV噪声电压来说，数据线上的噪声电压将为5mV,这 刚好在例如胸部摄影、乳腺摄影或透视这样的数字射线摄影应用所关注的 诊断区域的信号范围内。在大部分现有技术中的用于数字射线摄影检测的薄膜晶体管阵列中， 由于重叠电容包括了数据线电容的主要部分，重叠电容对总的数据线电容 的比率典型地为0.5到0.9。栅极线电源中的噪声或紋波源包括由于开关电 源开关造成的噪声，电源偏置线上的电磁噪声，以及用于生成行选择时钟 脉冲的集成电路中的电路噪声。由于所述噪声通常与阵列读取时序时间不 相关，因此不能通过校准去除。用于数字射线摄影的现有技术中的薄膜晶体管阵列的又一个噪声源 是馈通到数据线上的栅极线行选择时钟。在读取中，通过连贯地对栅故线 施加时钟脉沖(clocking)在"off，电压和"on"电压之间来实施行选择，其 中，"off，电压使得像素中的TFT开关保持在高阻抗状态，"on"电压将该 行的像素中的TFT开关切换到低阻抗状态。对于非晶硅或多晶硅薄膜晶体 管，这一电压一般为20V或更高。所述的馈通电压可被近似为Vfee她ru —AVrow select C0verlaj/Cdataline 并且，馈通电荷Qfee她ru可被近似为Qfeedthru — AVrow select Coveriap 其中，AV,se,ect为行选择线上的电压变化，C歸,ap为行选择线(栅极 线)和数据线之间的重叠电容，Cdata^为总的数据线电容。由于在用于数 字射线摄影应用的薄膜TFT阵列中，重叠电容一般为总的数据线电容的一 半或以上，由其导致的馈通电压相对于信号电荷是可观的。对于一个典型的现有技术中的具有2,000行的射线摄影阵列来说，由加V时钟脉冲导致 的馈通电压可达 10mV，这等同于大部分数字射线摄影应用所关注的诊 断区域内的信号水平。这样的耦合不会在设备随后被关闭时完全改变，由 此导致可能难于校正这样的偏移量。在用于数字射线摄影的现有技术中的薄膜晶体管阵列的第三个噪声 源是数据线上的电磁噪声。在射线摄影成像应用中，阵列的大小在长度上为12英寸到17英寸，这12英寸至n英寸长的数据线作为天线捕获来自 杂电干扰(stray)电磁场的信号。这些杂电干扰电磁场由例如来自支持射 线摄影成像阵列的电路板的电磁辐射，这些电路板通常非常接近该阵列， 用于与射线摄影成像板协同工作的X射线发生器所产生的电磁场，建筑屋 电源线、射频通信、靠近射线摄影成像系统工作的设备以及板外部的其他 电磁场源所产生的电磁场作为源头引起。在存在这些困难的前提下，特别对于使用较低辐射水平的系统，最小 化或者消除噪声相关问题对于读取电路方案显然是具有优势的。第二类现有技术中的薄膜晶体管成像传感阵列，术语称为有源像素成 像阵列，对每个像素中使用放大器。无论是使用MIS光电传感器、PIN光 电二极管还是其他光电传感器，这些有源像素成像阵列也受到如上述对于 无源像素阵列所述的相同的困难的影响。因此，现有的装置表现出相对低的总体量子效率并且受制于包括来自 于栅极线开关的共模噪声、电源噪声和紋波、电磁干扰(EMI)噪声的噪 声源的影响。即使辐射水平高达1.0mR，现有的板也不能获得有限的量子 性能。当地址选择TFT切换到关闭时，在由于通道电容耦合造成的信号噪 声中会存在很大的偏移量(例如，200mV或更高的偏移量)。在该设备随 后被打开时该耦合也不可逆，导致难于校准这样的偏移量。长数据线，其 中一些超过17英寸，其特性是形成接收EMI的天线结构。这难以通过接 地技术来补偿。增加EMI屏蔽虽然可以具有某些有益效果但是代价高昂并 会增力口重量。栅极线电压噪声由于重叠电容的路径(trace overlap capacitance) 而馈通到数据线，以至于TFT栅极至漏极电容有效地出现在数据线上。因此，在存在这些困难的前提下，特别对于使用较低辐射水平的系统，最小化或者消除噪声相关问题的读取电路解决方案显然是具有优势的。 发明内容一方面，本发明通过提供一种具备多个电绝缘光电传感器和一个差分 电路的光传感矩阵满足了本领域中如前所述的需求。每个光电传感器包括 第一终端和第二终端，使得每个光电传感器的每个终端与其它光电传感器 的终端绝缘。每个光电传感器响应于入射光水平在第一和第二终端之间产 生电荷差异。所述差分电路选择性地耦合到一个所述光电传感器上的第一 和第二终端，并且产生相关于该第 一和第二终端之间的电荷差的输出信号。本发明还提供了一种光检测阵列，包括多个电隔离的光电传感器， 每个光电传感器包括第一终端和第二终端，每个光电传感器的每个终端都 与其它光电传感器的终端隔离，其中，每个光电传感器响应于入射光水平 而在所述第一和第二终端之间产生电荷差异；和选4奪性地耦合到一个光电 传感器的第一和第二终端以产生与所述第一和第二终端之间电荷差异相 关的输出信号的差分电路。上述光检测阵列，其还包括与每个光电传感器对应的电荷读取电路， 其中，所述电荷读取电路包括通过将所述第一终端连接到第一数据线的 响应于扫描信号的第一开关元件；以及通过将所述第二终端连接到第二数 据线的响应于所述扫描信号的第二开关元件。上述光^r测阵列，其中施加到所述第一和第二开关元件的开关信号与 来自所述光电传感器的信号在读取时合并，并且所述差分电荷检测电路辨 别这些信号和电荷电平。上述光检测阵列，还包括差分电荷放大器，其响应于所述第一和第二 数据线之间的电荷差异生成输出信号。上述光检测阵列，其中所述差分电荷放大器还包括用于在所述第一数据线和所述第二数据线之间施加电压差的电路。上述光;^测阵列，还包括电容性耦合到所述第一数据线和第二数据线中的至少一个的扫描终端。上述光检测阵列，还包括电容性耦合到所述第一数据线和第二数据线 的第一和第二扫描终端，其中，在所述第一和第二扫描终端上的信号以基本相同的方式耦合到所述数据线，以使得差分读取基本上从所述第一数据 线和第二数据线的输出中消除开关信号。上述光检测阵列，其中所述第一开关元件和第二开关元件中的至少一 个包括薄膜晶体管。上述光检测阵列，其中所述多个光电传感器中的每一个从由p-n结光 电二极管，p-i-n光电二极管，MOS光电电容，MIS光电传感器以及光电 导体组成的组中选取。上述光检测阵列，其中所述光电传感器中的至少一个包括非晶硅、非 晶碳化娃,多晶 硅，锗化硅，有机物半导体材料或者晶体硅中的一个或多 个。上述光检测阵列，其中第一光电传感器的第一和第二终端和第二光电 传感器的第 一和第二终端选择性地耦合到单独的 一对数据线。上述光检测阵列，还包括用于所述第 一和第二光电传感器的电荷读取 电路，所述电荷读取电路选择性地每次将所述第一和第二光电传感器中被 选中的 一个连接到所述数据线。上述光检测阵列，其中所述电荷读取电路包括第一和第二开关元件， 响应于第一扫描信号以分别把所述第一光电传感器的第一和第二终端连接到所述第一和第二数据线；以及第三和第四开关元件，响应于第二扫描信号以分别把所述第二光电传感器的第一和第二终端连接到第一和第二 数据线。本发明还提供了一种光检测阵列，包括多个光电传感器，每个光电 传感器包括第一终端和第二终端，与每个光电传感器对应的信号检测电 路，其中所述信号检测电路包括(i)连接到所述第一终端的第一放大器；(ii) 响应于扫描信号将所述第一放大器连接到第一数据线的第一开关；(iii) 连接到所述第二终端的第二放大器；以及(iv)响应于扫描信号以 将所述第二放大器信号连接到第二数据线的第二开关元件；以及差分电 路，用于^^测在所述第一数据线和所述第二数据线上的信号电平之间的差 异。上述光检测阵列，还包括第一复位开关元件，用于切换所述第一终端 到第一复位电压电平，以及第二复位开关元件，用于切换所述第二终端到 第二复位电压电平。上述光检测阵列，其中所述第一复位开关元件和第二复位开关元件连 接到所述第一数据线和第二数据线。上述光检测阵列，其中所述信号检测电路响应于在所述第一和第二终 端上的第一和第二电压，并且所述第一和第二放大器将所述第一和第二电 压分别转换为第 一和第二电流。上述光检测阵列，其中，用于检测在所述第一数据线和第二数据线上 的信号电平之间的差异的差分电路包括连接到所述第一数据线和第二数 据线的第 一 电流敏感放大器和第二电流敏感放大器。上述光检测阵列，其中用于检测在所述第 一数据线和第二数据线上的 信号电平之间的差异的所述差分电路包括电荷放大器。上述光^r测阵列，其中所述第一放大器和第二放大器中的至少一个包括薄膜晶体管。上述光检测阵列，其中用于检测所述第一数据线和第二数据线上的信 号电平之间的差异的所述差分电路包括薄膜晶体管。上述光检测阵列，其中所述第一和第二光电传感器的第一和第二放大 器被选择性地耦合到单独的 一对数据线。上述光检测阵列，还包括用于每一个所述第一和第二光电传感器的电 荷读取电路，所述电荷读取电路每次选择性地将所述第一和第二光电传感 器的第 一 和第二放大器中被选中的 一 个耦合到所述第 一数据线和第二数据线。本发明还提供了一种光检测阵列，包括前板，包括多个光电传感器 对，所述光电传感器对中的每个光电传感器包括第一终端和一第二终端， 其中每个光电传感器对应于图像像素并且其中每一光电传感器响应于入 射光水平，根据所述入射光水平在所述第一和第二终端上形成电荷；与每 个光电传感器对对应的差分放大器，其中所述差分放大器具有第一和第二 数据线；以及与每一个差分放大器对应的第一和第二电荷检测电路，其中， 每个电荷检测电路包括(i)第一放大器，提供随在所述第一终端上的电 荷水平变化的第一输出信号；(ii)第一开关，响应于扫描信号而将所述第 一输出信号耦合到所述第一数据线；(iii)第一复位开关，用于切换所述第 一终端到第一复位电压电平；(iv)第二放大器，提供随在所述第二终端上 的电荷水平变化的第二输出信号；(v)第二开关，响应于扫描信号而将所 述第二输出信号耦合到所述第二数据线；以及(vi)第二复位开关，用于 切换所述第二终端到复位电压电平。上述光检测阵列的运行方法，包括，对于每根扫描线在扫描信号将所述光电传感器的第一和第二终端连接到第一和第二数据线开始前，获取所述差分电荷放大器的输出信号的第一采样；在扫描信号将所述光电传感 器的第一和第二终端连接到第一和第二数据线后，获取所述差分电荷放大 器输出信号的第二采样；以及将所述第 一和第二采样相减。本发明的设备可以帮助降低获得的图像中的共模噪声影响。在结合示出并说明了本发明的说明性实施例的附图后，本领域技术人 员通过阅读下面的具体说明将会清楚地了解本发明的上述以及其它目的、 特征以及优点。


虽然本说明书以权利要求的形式特别指出并清楚地要求保护本发明 的主题，但是，相信结合附图以及如下的说明可以更好地理解本发明。图1是显示传统的平板成像器的部件的原理图。 图2A示出了 MIS光电传感器的等效电路。图2B示出了对于非晶硅半导体和氮化硅绝缘体的特定情况下,作为半 导体和绝缘体厚度的函数的电荷转移效率。图3A示出了一种现有技术中的带有具备MIS光电传感器的1-晶体管无源像素结构的薄膜晶体管阵列的电路图。图3B示出了一种现有技术中的带有具备PIN光电传感器的1-晶体管无源像素结构的薄膜晶体管阵列的电路图。图3C示出了在图3A和图3B电路中栅极线和数据线之间的电容性耦合。图4A示出了具有MIS光电传感器的差分像素阵列设计和差分电荷放 大器的2x2部分。图4B示出了具有光电二极管的差分像素阵列设计和差分电荷放大器 的2 x 2部分。图4C为图4A和4B的阵列的时序图。图4D为图4A和4B在替代读取模式下的另 一时序图。 图4E为图4A和4B在替代读取模式下的再一时序图。 图4F为图4A和4B在替代读取模式下的再一时序图。 图4G也为图4A和4B在替代读取模式下的再一时序图。 图4H也为图4A和4B在替代读取模式下的再一时序图。 图41为示出了图4A和4B阵列的每个像素中栅极线和两个差分数据 线之间的电容的原理图。
图5为本发明实施例的横截面图。
图6为处于图像传感器同一行中的两个相邻光电传感器共享同一对数 据线的实施例的原理图。
图7为示出了有源像素结构的实施例的原理图。
图8为显示将相同的线用作为数据线和复位偏置线的有源像素结构的 实施例的原理图。
具体实施例方式
需要理解的是没有专门展示或描述的元件可采用本领域技术人员熟 知的各种形式来实现。
上述的图3A的原理图示出了传统的用于使用MIS光电传感器的阵列 的2列x4行部分的电荷放大器设置，同时3B显示了传统的使用PIN光 电二极管的阵列的2列x4行部分的架构。在这些设置中，电荷放大器通 常离板设置并通过可弯曲连接器或其他方式连接。它们具备和偏置电压连 接以及和来自连接到光电二极管40或其它光电传感器的终端连接的开关 元件的切换信号的连接。光电二极管40的第二终端可连接偏置电压，使 得第一和第二偏置电压之间的差在栅极线被打开(turn on)时成为横穿光
电二极管的反向偏置。
通过比较图A和3B，图4A示出了使用MIS光电传感器的本发明的 实施例中差分像素阵列设计的2x2部分，同时图4B示出了根据使用PIN 光电传感器技术的本发明的阵列设计的2x2部分。对于图4A和4B中描述的每一个像素，均具有对应的光电传感器PD和分别连接两个光电传感
器终端到两条数据线DL-, DL+的开关Ml， M2。线GL1和GL2分别为 第 一和第二行的栅极线，并且每条栅极线控制设在该行中的每一个像素关 联的开关M1， M2。在图4A所示的实施例中，差分数据线DL+,DL-终端 连接到分离的电荷放大器0八+， CA-,每一个具有其自身的反馈电容和 其自身的复位开关S+， S-。偏置电压VB仏s施加于两个电荷放大器的第 二终端之间。
对于图4A和图4B的阵列的操作方法可以参考图4C说明的时序图来 理解。在接收辐射之前，每一个行选择线都被顺序寻址(addressed)。被选 择的行的栅极线打开该行中所有像素的薄膜晶体管开关Ml, M2。之后， 复位开关S + , S -被打开使得电荷放大器输入端之间的偏置电压反映为数 据线DL+, DL-之间电压差，并由此成为在选中行中的光电传感器的两 个终端之间的电压差。在经过充足的时间使得横穿光电二极管终端的电压 差被设置到Vb仏s后，复位开关S + , S-被关上(turn off),并且行选择 线也被关上。 一旦所有的行选择线均被顺序使能，传感器被复位并做好了 曝光准备。然后，成像器被曝光，如通过来自脉冲X射线生成器的X射线 啄光或由快门控制的光线曝光。
在曝光过程中，行选择栅极被保持关闭使得光电传感器的两个终端被 隔离。使用M1S光电传感器，在光电二极管中的电场影响下，由于光或辐 射曝光产生的电子向光电二极管的n侧漂移，同时空穴向p侧漂移。横穿 每个像素中的绝缘的光电二极管上的电压自原来的偏置电压降低等于光 产生电荷除以光电二极管电容值的量。曝光后，信号电荷通过顺序在行选 择线上施加时钟脉冲读取。通过电荷放大器数据路径读取在光电传感器的 n +侧的信号，并且通过另 一电荷放大器数据路径读取在半导体-绝缘体 界面的信号。这两个信号^皮合并以形成输出信号。使用这样的设置，总的 光产生信号正纟皮测量，以至于电荷转移效率趋于一。这相比于现有技术中 电荷转移效率显著地小于一具备明显的优势。在信号电荷一t测完毕后，电 荷放大器中的复位开关S+, S-可被打开，同时根据复位光电传感器可以调整V脆s。
当结合PIN光电传感器时(图4B)，操作时序是类似的。但是，在曝 光过程中，光生(photo-generated)电荷与存在的终端电荷再合并，从而 有效地降低了横穿二极管的偏置。在读取过程中，在光电传感器上重建偏
置的正电荷量，IcATHODE的积分，由CA1读取，而负电荷量，也即Unode,
由CA2读取。这些电荷敏感放大器的输出然后被输入到差分放大器以产生
以两倍于现有技术模拟信号电平的模拟信号。现有技术仅仅读取这些信号 中的一个而不是所有。上述双采样在增加信号电平的同时用于提高电路的
信号-噪声性能。电荷检测结束后，电荷放大器中的复位开关S+， S-和 栅极线一起被打开，从而将光电传感器保持在复位状态。
图4D的时序图中说明了图4A和4B的阵列的第二种操作方法。在该 "视频读取，，操作方法中，不考虑曝光的时序而连续操作阵列。帧开始时 钟脉沖发动阵列的读取。栅极线被顺序地加以时间脉冲，并且以上述单曝 光模式中使用处于行末端的差分电荷放大器检测所述信号。帧读取结束 后，帧开始时钟脉冲发动新的阵列读取。曝光可为连续进行或者受控以在 读取结束和下 一 巾贞开始之间进行。
图4E的时序图中说明了图4A和4B的阵列的第三种操作方法。在该 "全局复位，，操作方法中，在曝光前，阵列中的所有行被同时复位。在图 4E的时序图中，所有栅极线被保持开通状态(hold on )以使得一列中所有 的光电传感器的两个终端连接到每一列中的两条数据线。在曝光前，用于 数据线DL + ， DL -的电荷放大器中的开关S + , S -也被保持在开通状态， 使得数据线DL + ， DL -之间的电压差保持等于VBIAS。上述全局复位保证 所有像素在曝光前被充分复位，并且防止热产生电荷在曝光前积累在光电 传感器中。曝光开始前，所有栅极线被关闭，以允许光生电荷可以在曝光 过程中集聚在光电传感器上。如第一种操作方法所描述的那样执行读取。
图4F的时序图中说明了第四种操作方法。该"曝光检测"操作方法允许纟企测曝光开始，然后阵列由曝光;f企测模式切换到聚集模式。在该操作
方法中，通过同时开通所有的行选择线执行全局复位，并且同时开通所有
电荷放大器的开关S+， S-。这将所有光电传感器的终端间的电压差复位 到VBIAS。在设定光电传感器上的偏置电压后,所有的电荷放大器上的开关 S+,S-被关闭，使得信号聚集。由于所有的行选择栅极开通， 一列中的所有 的光电二极管被连接到该列的数据线。该列上的任何光电传感器曝光都会 导致电荷放大器上的信号输出的增大。在曝光开始时对该信号的检测可以 被通过将所有的行选择线切换至断开而将阵列切换到信号聚集模式，从而 允许每个光电传感器聚集光生电荷。曝光结束后，如第一种操作方法的描 述的那样读取阵列。这种操作方法对于那些X射线源未连接到X射线^r测 器从而导致在检测器内部不具备曝光开始感知功能时无法获知曝光开始 的射线摄影应用特别重要。
在图4G中说明了第五种操作方法。该"分箱(binning)"操作方法允 许以牺牲空间分辨率为代价增加信号电平。在该信号读取方法中，两个或 多个连续的行被同时寻址，连接两个或更多相邻光电二极管的终端到每一 列的各个的数据线。参考图4G中2折分箱的情况，行选择线GLl, GL2 被同时选中，之后选择寻址成对的行选择线。来自每一对光电二极管的总 电荷被每条数据线末端的电荷放大器^r测。这种操作方法在例如透^f见这样 的低曝光模式下有特别的好处。
在图4H中说明了第六种操作方法。该"关注区域"操作方法允许读 取阵列中像素的一个选定的子集。参考图4H，以如前所述的方式进行全 局复位。这将阵列中所有光电传感器的终端间的电压复位到VBIAS。全局 复位后，对传感器进行曝光。通过仅对关注区域中的那些行选择线顺序地 施加时钟脉沖来启动读取。参考图4H,该关注区域在行m和行p之间。 这种操作方法可以减少读取时间。可以认识到其他形式的复位(例如参考 图4C讨论的滚动复位)或其他的帧操作模式(例如参考图4D讨论的操作 的视频模式)都能和该关注区域读取方法结合。差分像素结构的一个优点在于抑制数据线上的共模馈通和噪声。这一 优点通过参考图4I可以看出，其中说明每个像素中的栅极线和两条差分数 据线之间的电容。在前已经指出了多种噪声馈通和时钟脉冲馈通的源。其 中第一个就是行选^^线电压到数据线的波紋或噪声的馈通。在现有技术中 的传感器中，由于行选择线上的噪声，例如电源紋波，而导致的数据线上
的电4苜为
noise feedthru —AVnoise Nrows C0verlap
参考图4B，在差分读取传感器中，相同的噪声馈通在两根数据线DL + , DL-上都出现，达到在数据线DL+, DL-上的重叠电容的和相同的 程度。由于来自对应于数据线DL+， DL-的两个电荷放大器的输出信号 在模拟域或是数字域被相减，剩余信号仅仅是因为在行选择线和两条数据 线之间的总重叠电容的差
noise fee她ru —AV加ise Nrows (C。verlap十墨C0Verlap-).
由于两条数据线以光刻技术(lithographically)形成，其使用相同的金 属间电介质并且两者直接相邻。电容之间的匹配度期望为好于1%,从而 减少100倍的馈通噪声电荷。
从栅极线到数据线的第二个馈通源为栅极线时钟电压到数据线的馈 通。如前所述，在现有技术中的传感器中，其可被近似为
Vfee她ru —AVrow select C0vedap/Cdata line
并且馈通电荷Qfeedthra可被近似为
Qfeedthru -厶Vrow select COVerlap 其中，AV訓se!ect为行选择线上的电压变化，C。TOrlap为行选择线(栅极 线)和数据线之间的重叠电容，Q^^为总的数据线电容。对于图4B中
的具有单独的光电二极管的差分像素传感器而言，在数据线DL+， DL-上的重叠电容相同的范围内，数据线DL+， DL-接收相同的电荷馈通。 由于来自对应于数据线01^+ ， DL-的两个电荷放大器的输出信号在模拟 域或数字域被相减，因此剩余信号仅仅是因为行选择线和两条数据线之间 的总重叠电容的差
noise fee她ru —厶Vr。w select (C0verlap+"" Coverlap-)'由于行选择线和两条数据线均通过光刻形成，并且以相同的金属间电 介质相互直接相邻。它们的电容典型地以好于5%地匹配，差异是由于数 据线或行选择线局部线宽变化引起。因此，具有单独的光电二极管的差分
像素传感器可望减少20倍的行选择时钟馈通。
在现有技术中用于数字射线摄影的薄膜晶体管阵列中讨论的第三种 噪声源是数据线上的电磁噪声。参考图4A,两条数据线相互非常贴近从 而处于近似相同的来自射线摄像板外壳内部或外部的源的电磁场中。这些 源包括处于外壳内的印制线板、排线和射频通信接口，以及处于外壳外部 的电源线、设备和射频干扰。在两根数据线接收相同的由于电磁干扰而造 成的电场并具备相同的电容的程度下，由于在两个电荷放大器输出中的差 异造成的网络噪声将为零。
图5的横截面图示出了使用对应于图4A的具有MIS电容器的差分读 取像素的电路图的带有MIS光电传感器的说明性实施例。通过在基板42 上形成电极180的图案来形成每个晶体管Ml， M2。连着晶体管M1， M2 的层包括绝缘体181，非掺杂区184,例如由非晶硅形成的非掺杂区，绝 缘体层186以及数据线188。构成晶体管Ml, M2的部分之上有绝缘体190 层。MIS光电二极管40以现有技术的方式形成。MIS光电传感器的底部 端通过互连线182a连接到第一读取TFT Ml的源极，而MIS光电传感器 的顶部端通过互连线182c连接到第二读取TFT M2的源极182b。光电二 极管除了通过第一和第二读取TFT外，与其他电路元件，包括其它光电二 极管，完全电隔离。其他光电传感器，例如包括PIN光电二极管，也要求 用类似的设置」 易见的设置。
图6示出了本发明的另一个实施例，其中在图像传感器的同一行中的 两个相邻的光电传感器40共享相同的一对数据线。使用所示的固态开关 单独选择该光电传感器对中的每一个光电传感器40。在这一实施例中，打 开行选择线GL1将第一行的第一组光电二极管连接到数据线，并打开行选择线GL2将第一行的第二组光电二极管连接到相同的数据线。这一实施例 将数据线和电荷放大器的数目减半。
图7还说明了本发明的另一个替代实施例，其用于有源像素结构。在 这一实施例中，光电传感器的两个终端均连接到像素;^文大器。参考图7， 对应于光电传感器的一个终端的放大器包括放大器晶体管Ml，行选择晶 体管M2以及复位晶体管M3。类似地，对应于光电传感器的第二个终端 的放大器包括放大器晶体管M4,行选"^奪晶体管M5以及复位晶体管M6。 行选择晶体管M2的一个终端连接到第一数据线，并且行选择晶体管M5 的一个终端连接到第二数据线。类似地，复位晶体管M3的一个终端连接 到第一复位偏置线，并且复位晶体管M6的一个终端连接到第二复位偏置 线。放大器晶体管M1， M4的漏极可如图7所示的那样连接到一共用偏置 电源。为了以额外的布线为代价提高放大器的匹配，放大器晶体管Ml, M4的漏极可选地可连接到分立的偏置电源。
通过以下说明来帮助理解图7所示的结构的工作。在信号聚集前，打 开复位晶体管M3, M6以通过将光电传感器的两个终端分别连接到它们各 自的复位偏置线来将光电传感器上的两个终端的电压复位。曝光过程中， 光电流使得光电二极管放电，引起两个终端之间的电压差异减小。为了读 取图像，通过连续地顺序打开每一个行选择栅极来扫描行选择线。当行选 择线，也称作栅极线，对特定行打开时，行选择晶体管M2， M4被同时打 开，将放大器晶体管M1， M3的每一个的一个终端耦合到它们各自的数据 线。在图7所示的电路配置中，每根数据线上的电流与放大器晶体管Ml, M3上的栅极电压成比例。每根数据线所对应的电荷放大器在行选^^晶体 管导通的时间周期内聚集电流。由此两个电荷放大器的输出电压中的差正 比于两根数据线上的电流的差，并进而正比于放大器晶体管Ml, M3栅极 上的电压的差。本领域技术人员可以认识到可以使用其他的列放大器设 计，例如电流镜像，来将数据线上的电流信号转换为输出电压。
图8中示出了图7所示结构的变形。在图8的有源像素结构中，相同的线被用于作为数据线和复位偏置线。由于复位操作在不同于检测操作的 时刻执行，因此这两种操作之间不存在联系。通过以下说明来帮助理解图
8所示的结构的运行。在信号聚集前，打开复位晶体管M3， M6以通过将 光电传感器的两端连接到各数据线来将光电传感器上的两端的电压复位。 在这期间，列放大器上的开关Sl， S2被关闭，并且在光电传感器的两端 上将偏置VDL+， VDL-设置到期望的偏置电平。当光电传感器上的偏置 电平被设定后，复位晶体管被关闭。在曝光过程中，光电流对光电二极管 进行放电，引起两端之间的电压差下降。为了读取图像，偏置VDL+, VDL-被设置为数据线上像素放大器操作所需的偏置电平。通过连续地顺序打开 每一个行选择栅极来扫描行选择线。当特定行中的行选择线，也称作栅极 线，被打开时，两个行选择晶体管M2， M5同时被打开，从而将每一个放 大器晶体管Ml, M4的一个终端耦合到它们各自的数据线。在本实施例中， 电流将与放大器晶体管Ml, M4的栅极电压成比例地在每一条数据线中流 动。在行选择晶体管导通的时间周期内，每条数据线的电荷放大器在它们 各自的反馈电容上聚集电流。由此，两个电荷放大器的输出电压的差与两 条数据线上的电流差成比例，并由此进一步与放大器晶体管Ml, M4栅极 上的电压差成比例。本领域技术人员可以认识到可以使用其他的列放大器 设计，例如电流镜像，来将数据线上的电流信号转换为输出电压。
本领域技术人员可以认识到其它的像素放大器电路设计方案也可替 换上述的基本的三晶体管像素放大器。例如，某些现有技术中的像素放大 器使用四个晶体管而不是三个晶体管。所述第四个晶体管用作为光电二极 管的一端和放大器晶体管之间的传送门。本设计的一个变形被称为共用晶 体管结构，其中，四个光电传感器共用相同的放大器晶体管和行选择晶体 管。在这一设计中，用于四个光电传感器的传送门晶体管连续地打开以顺 序地将各个光电传感器耦合到单独的放大器晶体管。这一更加先进的结构 也有在前讨论的单端(single-ended)设计的缺陷。连接光电传感器的两端的 每一个到独立的像素放大器，像素放大器被通过并联的行选择晶体管耦合 到独立的数据线，可以减轻在前讨论的缺陷。本发明已通过特别参考其特定的优选实施例进行了详细说明，但是本 领域技术人员将会知道，在不脱离本发明的精神的前提下，如上所述的以 及如附加的权利要求中指出的变形和修改都包括在本发明的范围内。例 如，所述电隔离光电二极管，显示为PIN二极管，也可以为某些其他类型
的传感器元件，这些元件包括p-n结光电二极管，p-i-n光电二极管，MOS 光电电容，MIS光电传感器以及光电导体。光电传感器本身可由非晶硅、 非晶碳化珪 (amorphous silicon-carbide ), 多晶珪，锗化硅 (silicon-germanium),例如氧化锌(ZnO)这样的金属氧化物半导体，有机 物半导体材料或者晶体硅(crystalline silicon)中的一个或多个形成。开关元 件，晶体管Ml, M2，M3,M4，M5或M6中的一个或多个可以为薄膜晶体 管(TFTs)或类似的元件。
由此，本发明提供了一种使用差分读取元件以利用共模噪声检测来提 高图像信号质量的成像阵列。
部件列表
10.像素
34.读取芯片
40.PIN光电二极管
42.绝缘体
44, 45.掺杂区
70. 光电二极管
71. TFT开关
80. 平板成像器
81. 传感器阵列
82. 驱动芯片
83. 栅极线
84. 数据线
85. 偏置线
86. 放大器87. 复用器
88. 模数转换器
180. 电极
181, 186, 190.绝纟彖体 182a， 182b, 182c.互连 188.数据线
AMP2,AMP3,AMP4,AMP5.放大器 DL+,DL-.数据线 GU, GL2，线
Ml, M2, M3, M4, M5, M6.开关元件
PD.光电传感器
SCAN1, SCAN2, Reset.信号
权利要求
1.一种光检测阵列，包括多个电隔离的光电传感器，每个光电传感器包括第一终端和第二终端，每个光电传感器的每个终端都与其它光电传感器的终端隔离，其中，每个光电传感器响应于入射光水平而在所述第一和第二终端之间产生电荷差异；和选择性地耦合到一个光电传感器的第一和第二终端以产生与所述第一和第二终端之间电荷差异相关的输出信号的差分电路。
2. 如权利要求1所述的光检测阵列，其还包括与每个光电传感器对应的电荷读取电路，其中，所述电荷读取电路包括通过将所述第一终端连接到第一数据线的响应于扫描信号的第一开关元件；以及通过将所述第二终端连接到第二数据线的响应于所述扫描信号的第二开关元件。
3. 如权利要求1所述的光^r测阵列，其中所述多个光电传感器中的每一个从由p-n结光电二极管，p-i-n光电二极管，MOS光电电容，MIS光电传感器以及光电导体组成的组中选取。
4. 如权利要求1所述的光^r测阵列，其中第一光电传感器的第一和第二终端和第二光电传感器的第一和第二终端选择性地耦合到单独的一对数据线。
5. —种光检测阵列，包括多个光电传感器，每个光电传感器包括第一终端和第二终端，与每个光电传感器对应的信号检测电路，其中所述信号检测电路包括(i)连接到所述第一终端的第一放大器；(ii) 响应于扫描信号将所述第一放大器连接到第一数据线的第一开关；(iii) 连接到所述第二终端的第二放大器；以及(iv) 响应于扫描信号以将所述第二放大器信号连接到第二数据线的第二开关元件；以及差分电路，用于4企测在所述第一数据线和所述第二数据线上的信号电平之间的差异。
6. 如权利要求5所述的光检测阵列，还包括第一复位开关元件，用于切换所述第一终端到第一复位电压电平，以及第二复位开关元件，用于切换所述第二终端到第二复位电压电平。
7. 如权利要求5所述的光检测阵列，其中所述信号检测电路响应于在所述第一和第二终端上的第一和第二电压，并且所述第一和第二放大器将所述第一和第二电压分别转换为第一和第二电流。
8. 如权利要求5所述的光检测阵列，其中，用于检测在所述第一数据线和第二数据线上的信号电平之间的差异的差分电路包括连接到所述第一数据线和第二数据线的第一电流敏感放大器和第二电流敏感放大器。
9. 如权利要求5所述的光^r测阵列，其中用于检测在所述第一数据线和第二数据线上的信号电平之间的差异的所述差分电路包括电荷放大器。
10. —种光^r测阵列，包括前板，包括多个光电传感器对，所述光电传感器对中的每个光电传感器包括第一终端和一第二终端，其中每个光电传感器对应于图像像素并且其中每一光电传感器响应于入射光水平，根据所述入射光水平在所述第一和第二终端上形成电荷；与每个光电传感器对对应的差分放大器，其中所述差分放大器具有第一和第二数据线；以及与每一个差分放大器对应的第一和第二电荷检测电路，其中，每个电荷检测电路包括(i) 第一放大器，提供随在所述第一终端上的电荷水平变化的第一输出信号；(ii) 第一开关，响应于扫描信号而将所述第一输出信号耦合到所述第一数据线；(iii) 第一复位开关，用于切换所述第一终端到第一复位电压电平；(iv) 第二放大器，提供随在所述第二终端上的电荷水平变化的第二输出信号；(v) 第二开关，响应于扫描信号而将所述第二输出信号耦合到所述第二数据线；以及(vi) 第二复位开关，用于切换所述第二终端到复位电压电平。
全文摘要
本发明提供了一种数字射线摄影成像设备。一种光检测阵列，具有多个电隔离光电传感器，每个光电传感器具有第一终端和第二终端，每个光电传感器的每个终端与其它光电传感器的终端隔离，其中，每个光电传感器响应于入射光水平在第一和第二终端之间产生电荷差异。选择性地耦合到光电传感器中的一个的第一和第二终端的差分电路，用于产生与第一和第二终端之间的电荷差异相关的输出信号。
文档编号H01L27/144GK101556960SQ200910006310
公开日2009年10月14日 申请日期2009年2月4日 优先权日2008年2月4日
发明者G·N·海勒, T·J·特雷威尔 申请人:卡尔斯特里姆保健公司