专利名称：具有光栅和剂量控制的x射线检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有检测器像素阵列的辐射检测器设备、X射线检查设备、用于控制这样的检查设备的方法、以及用于监视由辐射检测器设备的至少一个像素所收集的剂量的方法。
平的动态X射线检测器(FDXD)越来越多地用于医疗诊断的领域，作为在不同的专用X射线设备中可以采用的通用检测器部件。平的动态X射线检测器典型地用非晶硅(a-Si:H)的传感器矩阵制造，其中矩阵的每个传感器单元包含用于收集电荷的单元(例如光电二极管或电容器)，和至少一个读出单元(例如薄膜晶体管)。
FDXD是从WO 02/25314A1获知的，其中检测器表面被划分成剂量测量阵列(“超级像素”)。每个剂量测量阵列包含传感器矩阵的几个传感器单元，以及在每个所述传感器单元中的小的测量用或“抽头”电容器经由剂量传感线被连接到一个对电荷敏感的剂量传感放大器。在X射线照射期间已经可以在剂量传感放大器的输出端处确定每个剂量测量阵列的剂量平均值，而对于高分辨率图像的以后的读出没有负面影响。剂量信号尤其可被用于控制X射线图像的正确的照射。
对于基于包括所谓光栅作为一部分电荷存储单元的单晶半导体的X射线检测器(例如，CMOS技术中的检测器)，没有连接小的测量电容器的可能性。这是因为光栅收集的是各个电极下的电荷，其中是由一个隔离层将这些电极与半导体基片(体材料)分离开的。
根据这种情形，本发明的目的是提供一种用于在具有光栅的辐射检测器中的改进的照射控制装置。
这个目的是通过具有权利要求1的特征的辐射检测器设备、具有权利要求8的特征的X射线检查设备、具有权利要求9的特征的方法、和具有权利要求10的特征的方法而达到的。优选实施例是从属权利要求的公开内容。
按照本发明的辐射检测器设备包含检测器像素的阵列。像素典型地以规则的例如矩形或六边形图案被排列在检测器的表面上。每个像素被用于生成规定由设备产生的图像的一个点或图像元素的单独的图像信号。而且，辐射检测器设备的每个像素包括以下部件
a)变换单元，用于把入射的辐射变换成自由电荷(例如，在半导体中的电子或电子空穴对)。
b)电荷存储单元，用于中间储存由变换单元产生的所述自由电荷。电荷存储单元包括电荷存储区域和被布置在电荷存储区域中同时与电荷存储区域电隔离的光栅电极，该电极能够在电荷存储区域中感应电场。
c)光栅线，用于连接光栅电极与外部驱动器电路。
d)至少一个读出单元，用于把存储在电荷存储单元中的电荷有选择地变换成在像素的输出线上的电信号(例如，电荷或电压)。
而且，辐射检测器设备的至少一条光栅线包含电流传感器，用于检测由被耦合到光栅线的电荷存储单元的电荷的改变所引起的位移电流。典型地，所有的光栅线分别配备这样的电流传感器，这样，可以监视来自所有的像素的位移电流。
当所描述的辐射检测器设备在辐射下曝光时，自由电荷在变换单元中生成和被存储在电荷存储单元中。在曝光完成后，电荷可以由读出单元从存储装置中读出作为图像信号。藉助于在光栅线中的电流传感器，有可能监视已经在正在进行的照射期间在电荷存储单元中的电荷的收集，因为由这些过程引起的位移电流被测量。这个信息具体地可用于照射的最佳控制。例如，一旦感兴趣的区域有足够照射，X射线源就可被关断。
在光栅线中测量的位移电流另外还由连接到该线的光栅电极所产生。在原理上，有可能连接仅仅一个像素的光栅电极到给定的光栅线。在这种情形下，可以监视在一个特定的像素中电荷的积累。然而，在优选实施例中，要把一个以上的像素连接到包含电流传感器的光栅线。这样，在所有的连接的像素中同时观察到电荷的积累。这对于剂量控制是足够的或甚至是有利的，因为在这种情形下，更大的区域的照射是主要感兴趣的。而且，通过把几个像素连接到一条线可节约光栅线和增加信号强度。优选地，被连接到同一个光栅线的所有的像素是相邻的。具体地，这些像素的组可以具有紧凑的几何形式，例如，像n×m像素的决(n，m＝2，3...)。
优选地，连接光栅线的外部驱动器电路能够把恒定的电压加到被耦合到光栅线的光栅电极。光栅电极的恒定的电压保证在电荷存储区域中由它们引起的电场保持相同。因此，恒定的条件在照射期间在每个连接的像素中是占优势的。由于在电荷存储单元中积累的电荷量在照射期间改变，为了稳定在光栅线中的电压，必须流过相应的位移电流。这些电流由电流传感器测量，它们的大小是在电荷存储单元中电荷改变的直接量度。
对于电流传感器的实现，有不同的可能性。具体地，电流传感器可包含电荷敏感的放大器。典型的电荷敏感的放大器可包括差分放大器、电容器和开关。
电荷存储区域优选地由半导体特别是由晶体硅组成。
在辐射检测器设备中像素的变换单元可以是对于任何种类的电磁辐射敏感的。特别地，变换单元可以是对于可见光和/或X射线敏感的。在这种情形下，辐射检测器设备适用于实现照相机和/或X射线设备。
如果检测器设备用于X射线的检测，则可以实现从辐射到电信号的直接或间接变换。在间接变换的情形下，对可见光敏感的变换单元典型地与把入射的X射线量子变换成可见光的光子的闪烁(seintillation)层相组合。在第二步骤，这些光子然后在变换单元中产生自由电荷作为电信号。
本发明还涉及一种X射线检查设备，它包括以下的部件X射线源，用于把要检查的对象曝光在X射线能量下；以及以上说明的这种类型X射线检测器设备，用于接收由要被检查的对象衰减后的X射线图像。
另外，本发明涉及用于控制以上说明的这种X射线检查设备的方法。该方法包括以下步骤-把要被检查的对象在X辐射下曝光。
-在X射线曝光期间监视电流传感器的输出信号，电流传感器被插入到如上所述的光栅线。
-响应于对电流传感器的输出信号的所述监视，停止X射线曝光。
-读出被存储在检测器像素的电荷存储单元上的电荷以得出X射线图像。
按照该方法，有可能产生在感兴趣的区域中被最佳地照射的X射线图像。因此，最终得到的图像的质量可被改进，而且病人在辐射下的曝光可被最小化，后者是因为避免了过曝光的图像和欠曝光的图像和与其相关联的重新拍摄图像。
本发明还涉及用于监视由辐射检测器设备的至少一个像素收集的剂量的方法，该像素包含以下部件a)变换单元，用于把入射的辐射变换成自由电荷(例如，在半导体中的电子或电子空穴对)。
b)电荷存储单元，用于由变换单元产生的所述自由电荷的中间存储。电荷存储单元包括电荷存储区域和被布置在电荷存储区域中同时与电荷存储区域电隔离的光栅电极，该电极能够在电荷存储区域中感应电场。
c)光栅线，用于连接光栅电极与外部驱动器电路。
d)至少一个读出单元，用于把被存储在电荷存储单元中的电荷有选择地变换成在像素的输出线上的电信号。
按照该方法，位移电流在至少一个光栅线上被测量。位移电流是由被连接到所述线的电荷存储单元的电荷的改变引起的。该方法在总体形式上包括可以用上述的这种辐射检测器设备执行的步骤。所以，参考以前的说明，以便得到有关本方法的细节、优点和改进的更多的信息。
总之，本发明的一个基本概念是测量在正在进行的曝光期间在光栅电极下的电荷积累所感应的位移电流，位移电流是由相应的像素吸收的辐射能量的量度。
通过参照此后描述的实施例将明白和阐述本发明的这些和其它方面。
下面藉助于附图作为例子描述本发明，其中
图1示意地显示按照本发明的辐射检测器设备的布局；图2示意地显示图1的检测器的像素的截面图。
图1显示具有以矩形矩阵排列的像素20的阵列12的平的动态X射线检测器(FDXD)10。像素20被假设为对于X射线敏感的。然而，本发明也可以应用于光学图像传感器，其中像素对于可见光敏感的。而且，应当指出，为了表示起见，图上只显示几个像素20。典型地，FDXD包含数十万个这样的像素。
辐射检测器设备10包括寻址电路11，由此，地址线30在矩阵12上按行排列。一行中所有像素20被连接到同一个地址线30。利用逻辑11顺序地驱动所有的地址线30，阵列12的所有的像素20都可读出。在这样的读出过程期间，像素20的传感器信号被逐行地馈送到读出线31，读出线平行于矩阵12的列而排列。在矩阵12的下端，每个读出线31连接到读出逻辑13，其中进行对图像信号的另外的处理(放大、模拟-数字转换、多路复用等等)。
像素20在图2的截面图上更详细地被示出。像素构建在半导体块材料26上，优选地是用单晶体硅和CMOS工艺。该设计是所谓间接变换的光栅像素的设计(参阅US 6555842B1)。在整个像素的顶部的闪烁层28上，入射X射线X被变换成可见光的量子v。这些量子把电荷释放在块材料26中，该块材料从而用作为变换单元。这些电荷然后集中在块材料的区域25中，用作为电荷存储区域。在这个存储区域25中通过从光栅电极21发源的电场建立电位的最小值。因此，存储区域25和光栅电极21一起构成像素的电荷存储单元。光栅电极21被布置在块材料26上面的隔离层27，并经由光栅线32连接到外部光栅驱动器电路14(图1)。
在完成用于曝光的照射过程后，光栅电极21的电压被改变，以及所存储的电荷被驱动出区域25。传送电极23的适当的电压保证电荷流到集电极以及由此经由读出线31到外部电路。而且，提供一个复位电极24，利用它可以把电荷存储区域25设置为规定的初始状态。按照替换的读出程序过程(未示出)，存储在区域25中电荷藉助于电容器被变换成相应的电压。这个电压然后可以经由源跟随器和读出开关被加到读出线31。
上述的电极21，23，25优选地由如ITO(氧化铟锡)的透明材料制成，以便允许从闪烁层28传送光子v到块材料27。
在上述的那种类型的已知的辐射检测器中，光栅电极被逐列地连接到光栅线，光栅线直接引到外部光栅驱动器电路14。然而，按照本发明，每条光栅线32与几个相邻的像素的测量阵列22相联系。如图1所示，测量阵列22例如可包含2×2像素的块。当然，更大的测量阵列和其它几何形状也是可能的，测量阵列的典型的面积约为1cm2。对于测量阵列22的像素20共同的光栅线被连接到差分放大器42的倒相输入端。这个放大器42的非倒相输入端被连接到光栅驱动器电路14。光栅驱动器电路14在照射过程中典型地产生恒定的电压。而且，放大器42的倒相输入端经由电容器43和开关44(任选的)连接到放大器的输出端。单元42，43和44的全部单元组成电荷敏感的放大器，它是电流传感器40的一个可能的实施方案。应当指出，对于芯片的每个测量阵列存在类似的光栅线和放大电路，虽然图1上作为例子只显示其中的一个。
如果电荷是在测量阵列22的像素的光栅电极21下被收集的，则光栅驱动器电路14必须把相应的镜像电荷输送到光栅电极21，以便使这些电极的电压保持恒定。这些所谓的位移电流可以由电荷敏感的放大器40感知。因此，在电荷敏感的放大器40的输出端处的电压正比于在测量阵列22的所有的光栅电极21下积累的电荷，所以，也正比于在测量阵列22中吸收的辐射剂量。
通过闭合开关44，电容器43可被放电，因此电流传感器40可被复位。在所描述的具有电荷敏感的放大器40的电路中，在光栅电极21上的电压仅仅由在光栅驱动器电路14的出口处的电压确定。因此，电流传感器40的插入不改变传感器单元的正常的性能和辐射检测器设备10的操作。
然而，由电流传感器40进行的位移电流的测量允许在各个测量阵列22中正在进行的曝光期间监视吸收的辐射剂量。这样，有可能在优化对比度方面专门控制在某些感兴趣的区域中的照射。因此，例如一旦感兴趣的区域接收到最佳剂量时就可关断X射线源。一个允许监视在照射期间的剂量的辐射检测器设备的进一步的细节和优点在WO02/25314A1中描述，该专利申请被完整地包括在本申请中，以供参考。另外，在这个文献中描述了在传感器表面上规定剂量读出线的不同路线的可能性。这些路线规定也可应用于本例的光栅线32。
最后，应当指出，在本申请中，术语“包括”并不排除其它的单元或步骤的存在，“一个”并不排除多个的存在，术语“连接”包括直接和间接连接，以及单个处理器或其它单元可以满足几个装置的功能。而且，在权利要求中的标号不看作为限制它们的范围。
权利要求
1.具有检测器像素的阵列(12)的辐射检测器设备(10)，其中每个像素(20)包括a)变换单元(26)，用于把入射的辐射(ν)变换成自由电荷；b)用于存储所述自由电荷的电荷存储单元，包括电荷存储区域(25)和被布置在电荷存储区域(25)中并与其电隔离的光栅电极(21)，用于在其中感应电场；c)光栅线(32)，用于把光栅电极连接到外部驱动器电路；d)读出单元(23，24)，用于把存储在电荷存储单元(21，25)中的电荷有选择地变换成在像素的输出线(31)上的电信号；以及其中至少一条光栅线(32)经由一个用于检测由被耦合到该线的电荷存储单元(21，25)的电荷改变所引起的位移电流的电流传感器(40)而连接到相应的外部驱动器电路(14)。
2.按照权利要求1的辐射检测器设备(10)，其特征在于，至少一组(22)相邻的像素(20)被耦合到同一个光栅线(32)和电流传感器(40)。
3.按照权利要求1的辐射检测器设备(10)，其特征在于，外部驱动器电路(14)能够把恒定的电压施加到被耦合到它的光栅电极(21)。
4.按照权利要求1的辐射检测器设备(10)，其特征在于，电流传感器(40)包括电荷敏感的放大器。
5.按照权利要求1的辐射检测器设备(10)，其特征在于，电荷存储区域(25)由半导体、优选地由晶体硅组成。
6.按照权利要求1的辐射检测器设备(10)，其特征在于，变换单元(26)对可见光和/或X辐射是敏感的。
7.按照权利要求6的辐射检测器设备(10)，其特征在于，变换单元(26)包括一个闪烁层(28)，用于把入射的X射线(X)变换成光子(ν)。
8.一种X射线检查设备，包括X射线源，用于把要检查的对象在X射线能量下曝光；以及如任何前述的权利要求中要求的用于接收由要检查的对象衰减后的X射线图像的X射线检测器设备。
9.一种用于控制按照权利要求8的X射线检查设备的方法，该方法包括-把要被检查的对象在X辐射下曝光；-在X射线曝光期间监视电流传感器(40)的输出信号；-响应于信号监视，停止X射线曝光；以及-读出被存储在电荷存储单元(21，25)中的电荷，以得到X射线图像。
10.一种用于监视由辐射检测器设备(10)的至少一个像素(20)收集的剂量的方法，像素包含以下部件a)变换单元(26)，用于把入射的辐射(ν)变换成自由电荷；b)用于存储所述自由电荷的电荷存储单元(21，25)，它包括电荷存储区域(25)和被布置在电荷存储区域(25)中并与其电隔离的光栅电极(21)，用于在其中感应电场；c)光栅线(32)，用于把光栅电极连接到外部驱动器电路；d)读出单元(23，24)，用于把被存储在电荷存储单元(21，25)中的电荷有选择地变换成在像素的输出线(31)上的电信号；其中位移电流在至少一条光栅线(32)上感知，位移电流是由被连接到所述线的电荷存储单元(21，25)的电荷的改变引起的。
全文摘要
本发明涉及具有检测器像素的阵列(12)的辐射检测器设备(10)。检测器的每个像素(20)包括光栅电极(21)，在该光栅电极下收集由入射的辐射(ν，X)产生的电荷。这些电荷的改变在被连接到光栅电极(21)的光栅线(32)上引起位移电流，它可以由电流传感器(40)监视。因此，由连接到光栅线(32)的所有光栅电极收集的电荷可以在正在进行曝光期间被测量，以提供先进的照射剂量控制方法。
文档编号H01L27/146GK1918483SQ200580004571
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月1日 优先权日2004年2月11日
发明者W·吕滕, M·奥弗迪克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司