具有增强可靠性的电子元件矩阵和用于定位矩阵中故障的方法

摘要

本发明涉及包括若干像素的成像设备的可靠性的增强，每个像素均包括具有电子元件的若干第一块(A(i，j))，第一块组织为矩阵并由链路连结到矩阵的行总线(L_ix，Vdd)和列总线(C_jx，Vss)，允许针对每个第一块(A(i，j))的名义操作，对每个第一块(A(i，j))进行通电和控制。根据本发明，每个像素还包括与第一块(A(i，j))相关联的可编程模块(M(i，j))，用于第一块(A(i，j))从至少一条总线断开连接。本发明还涉及在根据本发明的设备中定位故障，故障出现在一个第一块(A(i，j))中，导致若干第一块(A(i，j))中的普遍故障。

说明书

技术领域

本发明涉及电子元件矩阵的可靠性的增强和用于定位矩阵中故障的方 法。本发明在成像设备中，更具体地在实现图像捕捉的检测器中尤其有用。

背景技术

这类设备包括大量称为像素的感测点，通常组织为矩阵或带状。在图 像检测器中，像素是检测器的基本感测单元。每个像素将其受到的诸如电 磁辐射的入射信号转换为电信号。在读出阶段过程中连续收集由矩阵的各 个像素发出的电信号，以便可以处理并存储它们以形成图像。可以在像素 内对来自每个像素的信号进行数字化，在此情况下像素传递数字信息，或 者也可以在像素的下游执行数字化，像素于是传递模拟信息。

像素例如由光敏面和电子电路组成，光敏面传递作为其接收光子流的 函数的电荷的电流，电子电路用于处理这一电流。光敏面通常包括光敏元 件或者光电检测器，其例如可以是光电二极管、光敏电阻或光电晶体管。 光电检测器连接到像素内的电路，即布置在读总线的上游，后者能够收集 来自相邻像素的信息。通常，以每个像素的读取收到组织的方式来控制像 素与读总线之间的连接。因此，像素包括光电检测器以及布置在所述连接 的上游的电子元件。存在大尺寸的光敏矩阵，其可以占有数百万个像素。

辐射检测器可以用于医学领域中或工业领域中无损测试的领域中的成 像电离辐射，具体地是X-或Y-辐射，用于检测放射学图像。光敏元件使得 可以检测到可见或近可见的电磁辐射。这些元件对于入射到检测器上的辐 射是不敏感的或者敏感性较差。为此，使用中常常包括称为闪烁器的辐射 转换器，其将例如X射线的入射辐射转换为像素中光敏元件敏感的波长段 中的辐射。可替换的方案包括由执行X射线到电荷的直接转换的另一材料 来制成光敏元件。这样的情况例如是其中由碲化镉（CdTe）制成的第一像 素化基底逐个像素地连接到CMOS读出电路的矩阵，其从而不再具有检测 功能。

每个像素均由可以由相对复杂的电子元件的块组成。这个块连接到矩 阵的行和列的阵列。这些行和列确保由像素检测的信息的必要偏置、控制 和输出路径。

矩阵中的故障会影响行和列的阵列（短路或开路）或者电子元件的块 的内部。

当所谓的关键元件，即比更标准的元件具有更高的故障风险的元件结 合在像素中时，块的故障的风险增大。例如这些可以是利用某些特定技术 工艺的元件，或者使用特定表面的元件：例如高电容量电容器可以使用薄 电介质膜，其会存在局部缺陷，或者甚至大面积的缺陷，于是在此情况下， 其在制造期间存在受到灰尘影响的风险。当然，由于像素的数量增加，像 素故障的风险也增大。

为了减小这一风险，可以以高于最低设计规则的安全性的裕度来设计 块内的元件或连接。然而，这限制了每个像素可接受的元件的数量，以及 因此可实现的操作。

尽管如此，会容许隔离的像素中的故障。例如，在图像检测器中，当 像素有故障时，可以通过平均由临近像素发出的信息项来重构丢失的信息。

然而，隔离的像素中的故障，例如短路，会破坏一行或列中的临近像 素，或者甚至妨碍矩阵的整体操作。

为了避免这一故障扩散，已经做出努力来定位有缺陷的像素，以便通 过切断将受影响的块连接到行或列总线的连接来隔离它们，通常是借助于 激光发射。然而，这一技术有若干限制。

·其是附加的技术步骤，需要设备和时间，因此带来费用。

·使用激光发射预先假定已知故障像素的位置。然而，在故障引发电源损 坏的情况下，故障在纠正之前会引发大部分矩阵的，或者甚至整个矩阵的 功能性丧失。因此定位是困难的或者不可能的。

·使用激光发射要求提供专用于激光切割的空间。这因此占用了像素中的 空间。

·可以在工厂中使用激光发射，但实际上在销售之后是不切实际的。因此 它不能用于应对在设备使用寿命期间出现的故障。

作为激光发射的可替换方案，可以使用结合在每个像素中的熔断器。 其限制与激光发射一样多。

发明内容

本发明目的在于通过提供包括具有电子元件的若干块的设备来减轻上 述的全部或一些问题，将这些块组织为矩阵，在该设备中可以对每一块的 独立断开连接进行编程。

为此，本发明的一个主题是一种电子成像设备，包括若干像素，每个 像素均包括具有电子元件的第一块，第一块组织为矩阵并由链路连结到矩 阵的行总线和列总线，允许针对每个第一块的名义操作，对每个第一块进 行通电和控制，其特征在于，每个像素还包括与第一块相关联的可编程模 块，用于第一块从至少一条总线断开连接，并且其特征在于，用于断开连 接的每个可编程模块包括具有可编程电子元件的第二块以及至少一个开 关，该至少一个开关由第二块引导并且使得可以将第一相关联的块与至少 一条总线隔离。

本发明的另一个主题是一种方法，用于定位根据本发明的设备中的故 障，故障出现在一个第一块中，导致若干第一块中的普遍故障，所述方法 的特征在于：

·使受普遍故障影响的所有第一块断开连接，

·重新连接断开连接的第一块，直至普遍故障出现，

·在一旦重新连接即使得普遍故障出现的块中识别出故障块。

附图说明

在阅读借助示例给出的实施例的详细说明后，将会更好地理解本发明， 其他的优点会变得明显，示例的说明由附图示出，在附图中：

图1示出根据本发明的电子设备的图示，包括组织为矩阵的几个第一 块的电子元件，以及可编程模块，用于第一块的断开连接；

图2示出属于用于断开连接的可编程模块的示例性的第二块的电子元 件的图示；

图3示出与由第二块控制的电子开关相关联的示例性第一块的图示；

图4示出图3中第一块的第一变型的图示；

图5示出图3中第一块的第二变型的图示。

出于清楚的原因，在多个附图中为相同的单元给出相同的标记。

具体实施方式

图1示出电子设备的图示，为了易于理解，其由两行和两列的矩阵构 成。形成四个像素，它们有利地是相同的，每个像素处于行与列的交叉点。 当然，实际的矩阵通常大得多。每个像素均包括电子元件的块A(i,j)，能够 实施像素的名义操作。(i,j)表示像素在矩阵中的坐标，i对应行，j对应列。 例如，当设备是图像检测器时，每个像素都包括光敏元件，能够产生作为 其受到的电磁辐射的函数的电信号。以更普遍的方式，表达“名义操作” 应理解为意指在未受故障干扰时电子元件块执行的操作。

为了操作，每个块A(i,j)都需要电源，其可以是所有块A(i,j)共有的，例 如正电源Vdd和负或地电源Vss。可以由行总线、列总线或选通门来传输 电源。在图1中，为该示例选择了由行总线传输的电源电压Vdd，以及由 列总线传输的电源电压Vss。在操作中，每个块A(i,j)会需要其它总线，例 如用于其选择、用于收集信息、或者同样用于某些控制，诸如复位到零或 相位选择、诸如像素的获取或读取。图1作为示例示出由每个块A(i,j)使用 的三条行总线L_i2、L_i3和L_i4，以及两条列总线C_j2和C_j3。总线的 数量取决于每个块A(i,j)的复杂性。术语“总线”表示电导体。

根据本发明，每个像素都包括可编程模块，用于块与至少一条总线断 开连接。这些模块包括与每个第一块A(i,j)相关联的第二块M(i,j)的可编程 电子元件。设备包括旨在用于在矩阵中寻址用于断开连接的可编程模块的 至少一条总线，和旨在用于编程用于断开连接的可编程模块的总线。更明 确地，每个块M(i,j)都链接到行总线L_i1和列总线C_j1，允许对其寻址。 每个块M(i,j)还链接到行总线E_i，允许对其编程。可替换地，这一编程可 以借助于列总线来实现。每个可编程块M(i,j)都使得可以将相关联的块A(i,j) 与在其名义操作期间所链接的各个总线断开连接。具体地，在每个像素内 部，可以由受到相关联的块M(i,j)控制的开关断开块A(i,j)与链接该块A(i,j) 的一条总线之间的每个连接。换句话说，块M(i,j)引导开关，使得可以将块 A(i,j)与矩阵的剩余部分隔离。

块M(i,j)与允许其操作的总线组成用于控制矩阵的操作的单元。它们使 得可以容许块A(i,j)中的故障，但不管怎样它们必须自身不包含故障，或者 尽可能地少。本发明的实现需要引入块M(i,j)和若干用于寻址和编程的总 线。这些增加只有在块A(i,j)比块M(i,j)明显复杂的情况下才呈现出实际的 益处，因此必须以尽可能好的设计规则来制成它们：大且间隔良好的元件。 换句话说，块M(i,j)必须比块A(i,j)更加显著地可靠。这一可靠性可以由两 个故障之间的平均时间来确定（MTBF或“故障间平均时间”）。

期望由块M(i,j)和链接它们的总线组成的组件尽可能地安全可靠，即它 必须是最小的，且尽可能独立于块A(i,j)及其控制。然而，有时必须做出折 衷，例如允许对块A(i,j)寻址的行总线有时可以与选择块M(i,j)的行总线合 并。

这同样适用于针对块A(i,j)和块M(i,j)的电压电源。在所示示例中，将 块A(i,j)和块M(i,j)链接到相同电压电源总线Vdd和Vss。完全有可能将块 A(i,j)的电压电源总线与块M(i,j)的电压电源总线分离，以便改善块M(i,j) 的独立性。

为了产生尽可能最简单的块M(i,j)，期望编程尽可能地最简单，如有可 能减少到单项二进制信息。结果，如果块M(i,j)必须能够将受影响的块A(i,j) 与若干总线断开连接，则实现这些断开连接的开关组的控制是单一的。在 使用块M(i,j)的期间，将不可能在要断开连接的总线中进行选择。

相反，在设备的设计过程中，有可能选择块A(i,j)与其连接到的总线之 间的期望断开的那些链路。例如，有可能在块A(i,j)与传送电压Vdd的总线 之间设置单一的开关。换句话说，可编程模块仅允许正电源Vdd的断开连 接。这一解决方案使得可以最大程度地简化用于断开连接的可编程模块， 并且在块A(i,j)的设计导致当所考虑的块A(i,j)不再链接到其电压Vdd时到 其它总线的链路趋向于地电位的情况下是适合的。

相反，电源Vdd的中断可以导致其他总线上的随机漂移。在此情况下， 优选地提供块A(i,j)的完全隔离。换句话说，可编程模块允许旨在用于所考 虑的块A(i,j)的名义操作的所有总线的断开连接。

对于光敏矩阵，通常顺序地执行捕获阶段、读出阶段和复位到零阶段。 在与设备的名义操作的其他阶段分开的专用阶段中对块M(i,j)进行编程。在 这一编程阶段以外，块M(i,j)在其存储器中保留隔离相关联的块A(i,j)的顺 序，并可以以静态方式偏置开关的控制。因此可以以低能耗或速度限制来 设计它们。

一个块A(i,j)上的故障可以导致若干块A(i,j)的电源的故障，例如一行或 一列的所有块A(i,j)或者甚至矩阵的所有块A(i,j)。在现有技术中难以定位有 故障的块A(i,j)。通过实现根据本发明的用于断开连接的可编程模块可以定 位这一故障。

一种用于定位出现在块A(i,j)中的并导致若干块A(i,j)上的普遍故障的 故障的方法在于首先断开所有受所述普遍故障影响的块A(i,j)的连接。这一 断开连接可以在受影响的行或列上进行，或者在整个矩阵上进行。接下来， 重新连接该断开连接的块A(i,j)，直至普遍故障出现，以便识别使普遍故障 出现的有故障的块A(i,j)。换句话说，在成像设备中，一个像素上的故障可 以传播到若干其他临近像素。用于定位故障的方法在于断开所有受故障影 响的像素的连接，随后重新连接该断开连接的像素，直至普遍故障出现， 以便识别使普遍故障出现的有故障像素。

可以逐一进行断开连接的块A(i,j)的重新连接，直至普遍故障出现。于 是将块A(i,j)识别为使普遍故障出现的最后重新连接的块A(i,j)。

可替换地，可以借助二分法进行。更明确地，借助子集重新连接该断 开连接的块。例如，可以定义基数的两个子集为包含最初断开连接的块A(i,j) 的集合的基数的大约一半。接下来，识别使普遍故障出现的子集。接下来， 重复该方法的第一步骤，但仅断开识别的子集的块的连接，再一次以子集 按照该方法的步骤顺序进行，减小子集的基数，直至识别出有故障的块 A(i,j)。这一可替换方案的方法实现更为复杂，但使得可以更快地达到有故 障的块A(i,j)的识别。

图2示出块M(i,j)的示例图示，包括用于实施其在矩阵中的寻址的模块， 和用于引导允许相关联的块A(i,j)与其链接到的各个总线断开连接的开关的 模块。在这个示例中，块M(i,j)包括AND门和触发器D。AND门的两个输 入链接到两条总线L_i1和C_j1。AND门在行总线L_i1和列总线C_j1上传 送的逻辑信息项上执行逻辑“AND”运算，以便对块M(i,j)寻址。AND门 的输出链接到触发器D的时钟输入。触发器D的输入D链接到总线E_i， 以便接收用以断开相关联的块A(i,j)的连接的控制命令。触发器D的输出Q 或Q引导开关，使得可以将块A(i,j)与矩阵的剩余部分隔离。

图3示出示例性块A(i,j)的图示，其与电子开关相关联，电子开关允许 其与矩阵的总线断开连接。在这个示例中，块A(i,j)包含：

·子块B(i,j)，大致地，提供电压信息。当设备是图像检测器时，电压信息 例如是与由像素接收的光照成比例的电压。当然可以将图2中的图置换为 像素，该像素在总线上传送数字信息项，或者在一系列输出总线上传送数 字、模拟或混合信息项。

·电压跟随器级，由两个NMOS型晶体管M1和M2组成，晶体管M2的 栅极链接到固定电压V0，以使得晶体管M2作为电流源工作。电压V0在 此由列总线传送。

·PMOS M3和NMOS M4型双开关，将列总线Col_j2与形成在前的跟随器 级的输出的两个晶体管M1和M2的公共点相链接。当行总线L_i2在逻辑 高下启动时，开关M4处于导通状态。

·反相器，由NMOS M6和PMOS M5型的两个晶体管组成。这个反相器使 得可以在块A(i,j)中产生用于开关M3的反相控制，允许其与开关M4同时 导通。

根据本发明，由图2中所示的块M(i,j)引导的开关布置在块A(i,j)的每 个输出与这些输出连接到的行或列总线之间。因此增加了：

·NMOS型开关MI2，在将晶体管M2的源极链接到传输电位Vss的总线 的链路中。

·NMOS型开关MI4，在将晶体管M4的漏极链接到列总线Col_j2的链路 中。

·NMOS型开关MI7，在将晶体管M2的栅极链接到传输电压V0的列总线 的链路中。

·PMOS型开关MI1，在将晶体管M1的漏极链接到电位Vdd的链路中。

·PMOS型开关MI3，在将晶体管M3的源极链接到列Col_j2的链路中。

·NMOS型MI5和PMOS型MI6的双开关，将晶体管M4、M5和M6的 栅极链接到列总线L_i2。

例如如图2所示，NMOS型晶体管由块M(i,j)的输出Q引导。PMOS 型晶体管由相同块M(i,j)的输出引导。

根据布置这些开关的链路的电压电平来做出NMOS与PMOS型开关之 间的选择。NMOS型晶体管适合于低电位，当其栅极处于高电平时处于导 通状态。相反，PMOS型晶体管适合于高电位，当其栅极处于低电平时处 于导通状态。NMOS型和PMOS型的双开关可以同时使高低电位通过。

应注意，NMOS型晶体管是负型IG-FET晶体管，PMOS型晶体管是正 型IG-FET晶体管。

图4示出在前所示的块A(i,j)的第一变型的图示。在图3的示例中，如 果块A(i,j)有故障，则把将其链接到行和列总线的开关组设定为关断状态。 于是使得块A(i,j)浮置，避免这一情况，对于控制设备中的所有电压是期望 的。

为了避免使得块A(i,j)浮动，设备包括：与每个块A(i,j)相关联的、用于 将断开的链路重新连接到固定电压的可编程模块。为此，可以将以反相引 导的一个开关连结到每个开关MI1到MI7，并将浮置的块A(i,j)的输出链路 连接到例如电压Vss的固定电压。另一个电压的选择当然也是可能的。

在图4中，增加了六个NMOS型开关MJ1、MJ2、MJ3、MJ4、MJ5 和MJ7。这些开关是N型的，并将块A(i,j)的输出链路连接到电压Vss，因 此其栅极控制是然而，当然可以通过将块A(i,j)的输出链路连接到比 Vss高的电压而将此置换到使用由输出Q控制的PMOS型开关的图中。

图5示出在前所示的块A(i,j)的第二变型的图示。这个变型使得可以减 轻用于块A(i,j)的断开连接的可编程模块的任何可能的故障。

如上所见的，必须以最佳设计规则来产生块M(i,j)和引导它们的总线， 以改善这些单元的可靠性。另一个故障风险影响开关MIx或MJx，x表示 受影响的开关的标识的数字部分。具体地，在其栅极与其源极或其漏极之 间会存在漏电（或短路）。这样的故障首先使得块M(i,j)在仅仅无需任何功 耗的情况下先验地提供它们以偏置晶体管栅极时消耗功率，并且其次会将 电流注入到块A(i,j)的输出总线中，例如是总线Col_j1，并因此污染了来自 临近像素的信息。

为了避免此，应注意在导通状态或关断状态下总是以静态方式偏置开 关MIx或MJx，除了在编程阶段过程中，编程阶段会比矩阵的正常读取时 间长得多。

因此可以在块A(i,j)的输出Q和与开关MIx的栅极之间串联插入例如 几千欧姆数量级的高值电阻器RIx。为了避免图5的拥挤，没有示出开关 Mjx，但也不妨在每个开关Mjx的控制中串联布置电阻器RJx。

当开关MIx和MJx正常工作时，串联电阻器RIx和RJx不起任何作用， 具体地是不干扰设备的操作，因为没有电流流过它们。

如果开关MIx或MJx有缺陷，相应的串联电阻器RIx或RJx将限制由 块M(i,j)传输的电流，从而避免连接到有缺陷的开关的块M(i,j)的电源的故 障，并因此避免了故障传播到临近像素。

以相同的方式，串联电阻器RIx或RJx将限制在例如输出总线(L_ix或 Col_jx)上传输的漏电流，以及例如用于总线L_i1的源自矩阵边缘的偏压， 或者例如Col_j1的源自其他像素的偏压，使得可以承受干扰。