[发明专利]图像探测器

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种具有像素电路的输出信号放大功能和光电变换电压的倍增效果的图像探测器。

背景技术

近年来，由于主动式薄膜晶体管阵列液晶显示器AMLCD(Active Matrix Liquid Crystal Display)技术的成熟和大规模的产业化，将大面积的薄膜晶体管和功能性薄膜的技术应用到许多不同的领域已经成为现实。尤其是将其应用到普通玻璃透镜系统无法偏转和聚焦的X射线的图像探测器上更是主动式薄膜晶体管(TFT-Thin Film Transistor)阵列技术最为成功的应用拓展。采用薄膜晶体管阵列技术，可以在一个较大面积的基板上，淀积各种半导体薄膜并对其做P型或者N型导电的掺杂以及调整其电学和光学性能以便满足不同的应用要求，此处基板可以是成本较低的透明的玻璃基板或者不锈钢基板，甚至可以是采用有机薄膜的柔性或可挠性基板。

基于上述薄膜晶体管阵列技术，可以形成两种平板式X射线图像探测器。第一种为非直接探测式图像探测器。例如，在上述基板上制成的TFT像素阵列之上，淀积上一层光电变换薄膜比如氢化非晶硅二极管薄膜，并且覆盖上一层能够将X射线转换成可见光的材料比如荧光膜(phosphors)或者闪烁膜(scintillattor),就可以制成一个大面积的平板式X射线图像探测器。这种所谓间接探测型(in-direct detection)的平板式X射线图像探测器相比于传统的X射线感光胶片以及CCD摄像机聚焦荧光板的方式，其巨大的优越性在于采集图像的瞬时性、完全数字化图像、体积的小型化和高灵敏度带来的对于患者的较低曝光量。相对于上述的非直接探测式，第二种探测器则是直接探测式(direct detection)图像探测器。在这种探测器里面，不使用将X射线转换成可见光的荧光膜或者闪烁膜，而是使用将X射线直接转换成电子或空穴的半导体光电导薄膜，比如非晶硒(a-Se)或者氧化铅(PbO)等半导体薄膜材料。所述直接探测型平板式X射线探测器不仅结构简单，而且没有荧光膜或者闪烁膜内的光线的扩散和散射，也就没有图像解像度的衰减，从而可以获得更加清晰和高精细的图像。然而直接探测型图像探测器带有薄膜的厚度较大导致的驱动电压过高的缺点。上述平板式图像探测器的每个像素一般都是由一个光电变换单元和一个输出信号电荷的开关TFT组成的，而没有任何信号放大和噪声处理功能。微量的光生信号电荷在通过很长的信号线传送到外部放大器的路途中，信号线的热噪声、开关晶体管的漏电流噪声和开关TFT的噪声都会混入其中，使得外围电路中的任何提高信噪比的努力都对此无济于事。此处信号线的热噪声指的是连接每个像素的输出信号线上的分布电阻的热噪声。

如果能够在图像信号传送到外电路之前，将微量的光生信号在像素内放大后，以电流或者电压的形式输出，在信号线的热噪声和其他噪声不变的情况下，就可以显著提高图像信号的信噪比，探测信号的极限就不再受限于信号传输过程中的，甚至外围预放大和处理电路的噪声。具体应用到图像探测器的立体结构，可以将放大和信号处理电路部分做在基板上，光电变换部分则可以覆盖在其上，并且可以根据应用灵活地采用不同材料的半导体薄膜覆盖在基板上的方式，从而在光谱响应上，空间安排上不冲突并可以各自达成最大效能。图像探测器的像素内具有放大和信号处理功能的器件，其近年来统称为APS(Active Pixel Sensor，有源像素传感器)。

图1和图2所示的是两种上述平板式X射线图像探测器的像素电路，其中图1是包括一个光电二极管和一个开关TFT的最为简单的像素电路，其中，N₁是输出晶体管，PD是光电二极管，Data₁和Data₂分别为读出不同像素的输出信号的数据线。图2是一个典型的包括三个晶体管和一个光电二极管的APS型像素电路。其中晶体管M₁是读出或复位晶体管，M₂是放大晶体管，M₃是选通晶体管，PD是光电二极管，Vout₁为该像素的输出信号线。图1和图2中的Scan₁和Scan₂分别为第一扫描线和第二扫描线。在图2的具有放大功能的像素电路内，光电变换单元的功能不再是将光子转换为电子然后通过开关输出到信号线上，而是将光生电子在内部的存储电容上转换为信号电压。该信号电压被施加在放大晶体管的栅极上，当像素的输出开关打开时，读出放大晶体管的沟道电流或者电压。所以当信号电荷量不变时，探测节点的总电容越小，信号电压就越高。