一种用于直接探测X射线的大面积CMOS图像传感器

摘要

本发明公开了一种用于直接探测X射线的大面积CMOS图像传感器，包括PCB板和若干图像传感器芯片；所述图像传感器芯片，包括P型半导体硅衬底，所述P型半导体硅衬底上设置有像元、时序产生电路、列信号处理以及缓冲输出电路；所述图像传感器芯片呈阵列的方式分布于PCB板上，且相邻图像传感器芯片的边缘处对应位置的像元之间的间距为同一图像传感器芯片上相邻两像元间距的1倍或1.5倍。本发明结构简单，成本低廉，制作方便，能够进行大面积的X射线探测。

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种用于直接探测X射线的大面积CMOS图像传感器。

 

背景技术

常规的高精度X射线数字化成像技术中，由于辐射损害、传感器信号饱和，以及二极管的自身光谱响应范围问题，通常需要采用CsI(Tl)闪烁体或Gd₂O₂S增感屏将X射线转换为可见绿光或蓝光，然后通过光纤或者透镜系统，经普通的CCD或者CMOS图像传感器将该荧光信号变换为电信号。而入射的X射线经过闪烁体或增感屏转换后得到的光会产生扩散，由此限制了该种成像方式的空间分辨率；闪烁体或增感屏的不均匀以及闪烁体或增感屏与成像器件之间相互耦合的不均匀，也将影响输出信号的质量。另外有的闪烁体材料(比如CsI(Tl))本身是有毒性的，这也提高了加工和使用要求，限制了其使用场合。不需要中间转换层而直接对X射线进行探测的探测器有非晶硒(a-Se)、薄膜半导体阵列TFT、PbO、多晶CdTe、PbI₂等，但是这类探测器存在制作工艺特殊、造价相对高、像元中心距大等问题。标准CMOS工艺单片集成式有源像素传感器由于在像素级就将电荷信号转换成了电压/电流信号，相较于CCD具有更强的耐辐射能力，可以工作在相对高的辐射环境中；另外其工艺特点允许将信号处理电路(比如放大、校正、数字化等)集成在片上，弥补其电荷收集效率低的缺点。此外，CMOS工艺由于是商业标准工艺，具有成本低廉的优势。

但是受制作工艺限制，采用CMOS工艺制作的直接探测X射线(或其他射线，如γ射线)的图像传感器一般尺寸为数个厘米，即使利用整个晶圆片，也难以达到如胸透等应用场合对大尺寸射线图像传感器的要求，而X射线又不能象可见光那样利用透镜会聚成像，因此需要对传感器进行拼接以满足对大尺寸物体(比如人体器官)高精度成像的需求。目前图像传感器的拼接可以利用硅通孔技术(TSV)或者将图像传感器固定至陶瓷基底的拼接方法。TSV技术用于3D立体工艺中，利用该技术可以将传感器光敏元制作在最顶部，然后在光敏元芯片的下方连接读出电路芯片，最后再将读出电路芯片连至PCB板；但是TSV技术成本很高，在拼接过程中要求事先对芯片(或晶圆片)进行减薄，将芯片减薄到甚至几十个微米厚度。将待拼接图像传感器芯片固定到一个基底的方法只能在芯片的三个边上进行拼接(需留出一边做压焊)，做成2×N的拼接阵列，经过陶瓷管座将图像传感器连至PCB板。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种用于直接探测X射线的大面积CMOS图像传感器，结构简单，成本低廉，制作方便，能够进行大面积的X射线探测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种用于直接探测X射线的大面积CMOS图像传感器，其特征在于：包括PCB板和若干图像传感器芯片；所述图像传感器芯片，包括P型半导体硅衬底，所述P型半导体硅衬底上设置有像元、时序产生电路、列信号处理以及缓冲输出电路；所述像元为若干，并呈阵列的方式均匀分布于P型半导体硅衬底上，其包括N阱和像元电路，所述像元电路、时序产生电路、列信号处理以及缓冲输出电路均为由N型MOS晶体管构成的NMOS电路；在时序产生电路和缓冲输出电路上加工有数个压焊点，所述PCB板上集成有连接电路，在PCB板上的连接电路上也设置有若干压焊点，所述图像传感器芯片上的压焊点与PCB板上的压焊点通过热融合的方式连接在一起，并且图像传感器芯片通过PCB板上的连接电路进行供电、控制信号输入、相互连接以及图像信号传输；所述图像传感器芯片呈阵列的方式分布于PCB板上，且相邻图像传感器芯片的边缘处对应位置的像元之间的间距为同一图像传感器芯片上相邻两像元间距的1倍或1.5倍。

进一步地，靠近P型半导体硅衬底边缘的一圈像元包括多个N阱。

进一步地，所述时序产生电路、列信号处理电路和缓冲输出电路布置于P型半导体硅衬底上像元阵列的中部。

进一步地，图像传感器芯片上的压焊点采用真空淀积的方式淀积金，然后在金表面涂覆焊锡。

进一步地，图像传感器芯片的电源输入端和时钟信号输入端分别通过PCB板上的连接电路直接连接在一起，使所有图像传感器芯片共用电源VDD和时钟CLK；图像传感器芯片的寻址结束信号端EOS和寻址起始信号端S通过PCB板上的连接电路依次相连，其中，上一级图像传感器芯片的寻址结束信号端EOS与下一级图像传感器芯片的寻址起始信号端S相连，第一级图像传感器芯片的寻址起始信号端S与PCB板上的寻址信号输入端相连，最后一级图像传感器芯片的寻址结束信号端EOS连至PCB板，作为拼接阵列扫描结束信号输出以供观测；所有图像传感器芯片的视频线输出端Vo通过多路开关相连接在一起以进行输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：结构简单，采用该拼接的方式，图像传感器芯片可以进行四周扩散拼接，从而使图像传感器芯片形成M×N的阵列形式（M、N均大于等于2），从而能够进行大面积的X射线探测，并且采用该方式，制作方便，成本更加低廉。 

 

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的电学连接图；

图3为图像传感器芯片的像元结构示意图；

图4为全NMOS管移位寄存器结构示意图；

图5为大面积拼接电路结构示意图。

图1、图3中：1—PCB板，2—图像传感器芯片，3—焊锡，4—压焊点，5—N阱，6—P型半导体硅衬底，7—栅氧，8—场氧。

图2中：传感器1、传感器2······传感器6为图像传感器芯片。

图5中：传感器11、传感器12······传感器66为图像传感器芯片。

 

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1至图5，一种用于直接探测X射线的大面积CMOS图像传感器，包括PCB板1和若干图像传感器芯片2；所述图像传感器芯片2，包括P型半导体硅衬底6，所述P型半导体硅衬底6上均匀设置有像元、时序产生电路、列信号处理以及缓冲输出电路；制作时，可以对P型半导体硅衬底6进行减薄处理以减小其对射线的吸收。所述像元为若干，并呈阵列（矩阵）的方式均匀分布于P型半导体硅6衬底上，其包括N阱5和像元电路，所述像元电路包括源随管、复位开关管和行选开关管等。射线从图像传感器背面入射到传感器上时，在硅衬底中沿射线穿过的轨迹将激发出电子-空穴对，对N阱施加正电压，利用N阱收集被射线激发出来的电荷。X射线对N阱电荷收集结构的辐射效应主要体现为漏电流的增大，其漏电流增大的原因是对N阱进行隔离的场氧8较栅氧7具有更多的缺陷，更容易捕获电荷从而导致电荷的堆积，因此在N阱的边缘利用多晶硅层形成较薄的栅氧7，以减少捕获的电荷。但是栅氧的引入，会在栅氧和场氧的交界处形成寄生的边缘N型场效应晶体管，该寄生场效应晶体管在射线环境中同样具有阈值电压漂移特性，这样在寄生晶体管的栅极电压为0V的时候，也可能会有源漏电流，对此可以采用p+保护环加以克服。

所述像元电路、时序产生电路、列信号处理以及缓冲输出电路均为由N型MOS晶体管构成的NMOS电路；在时序产生电路(输入/输出信号端)和缓冲输出电路(输出信号端)加工有数个压焊点4，该压焊点采用真空淀积的方式淀积金，然后在金表面涂覆焊锡3。所述PCB板1上集成有连接电路，在PCB板1上的连接电路上(相应位置)也设置有若干压焊点4，所述图像传感器芯片2上的压焊点4与PCB板1上的压焊点4通过热融合的方式(如焊接)连接在一起，并由PCB板1及其压焊点形成图像传感器芯片2的机械支撑，并且图像传感器芯片2通过PCB板1上的连接电路进行供电、控制信号输入、相互连接以及图像信号输出。在PCB板上的焊点上也镀上焊锡，以便于相互焊接；且具体实施时在PCB板上制作有定位孔或定位线以便图像传感器与之对准。所述图像传感器芯片呈阵列（矩阵）的方式分布于PCB板上，图像传感器芯片形成M×N的阵列形式（M、N均大于等于2）。相邻图像传感器芯片的边缘处对应位置的像元之间的间距为同一图像传感器芯片上相邻两像元间距的1倍或1.5倍，这样便于采用软件插值的方法对芯片拼接处进行缺失像元的填补。

由于N阱5收集的是射线在衬底中激发的电荷，靠近图像传感器芯片边缘处的像元的边界条件与内部像元不一样，故相同的条件下，边界像元收集到的电荷会少一些，具体实施制作时，靠近P型半导体硅衬底边缘的一圈像元包括多个N阱5，以增加收集到的电荷。所述图像传感器芯片上具有列信号处理电路和缓冲输出电路，所述时序产生电路、列信号处理电路和缓冲输出电路布置于P型半导体硅衬底上像元阵列的中部。由于制作P型MOS管会在器件中引入N阱，为了不影响N阱对激发电荷的收集，时序产生电路(或移位寄存器)、像元电路、列信号处理及缓冲输出电路中的晶体管全为辐射加固的NMOS管，NMOS管的结构可以采用圆形闭合栅辐射加固结构，或者H型栅源漏全包或半包等结构。图3为动态移位寄存器采用全NMOS管实现的一个样例，其中CP和CP/为两非交叠时钟，VDD为寄存器电路电源，S为移位脉冲起始信号(或者帧起始信号)，e1和e2为该移位寄存器产生的选通脉冲信号。

图像传感器芯片2的电源输入端和时钟信号输入端分别通过PCB板上的连接电路直接连接在一起，使所有图像传感器芯片共用电源VDD和时钟CLK；图像传感器芯片2的寻址结束信号端EOS和寻址起始信号端S通过PCB板上的连接电路依次相连，其中，上一级图像传感器芯片的寻址结束信号端EOS与下一级图像传感器芯片的寻址起始信号端S相连，第一级图像传感器芯片的寻址起始信号端S与PCB板上的信号输入端相连，最后一级图像传感器芯片的寻址结束信号端EOS连至PCB板作为拼接阵列扫描结束信号以供观测；所有图像传感器芯片的视频线输出端Vo通过多路开关相连接在一起（参见图1）。如果拼接规模较大，对视频输出级的电路要求将会非常高，这时可以采用将待拼接的多个芯片分为不同组（参见图5），各小组内按再进行级联，各小组的输出视频信号经A/D模数转换器转换为数字信号存储于存储器RAM中，由寻址起始信号S启动地址发生器对该存储器进行寻址。所有的图像传感器芯片输出的数据存储到RAM中后再全部读出显示。

在进行探测时，开启电源，输入时钟CLK信号，在时钟信号CLK和帧起始信号S的控制下，时序产生电路输出复位控制信号和行/列选通脉冲信号。复位控制信号到来后，将N阱端的电位拉到高电平；随着射线激发出的电子不断地在N阱上聚集，N阱电位逐渐下降；一定时间之后，将N阱处的电平信号在行选通脉冲控制下经源随器输出到列信号处理电路，列信号处理电路对其进行进一步的放大和降噪，然后在列选通脉冲控制下经缓冲输出级输出视频图像信号。当图像传感器芯片上最后一个像元被选通输出后，时序产生电路发出扫描结束信号EOS，该信号作为下一个图像传感器的帧起始信号，重复前述的X射线图像信号传感和输出过程。

对于大规模拼接，如图5，各图像传感器组并行进行上述过程，各组视频信号经模数转换器转换为数字信号后存储于RAM中，再全部一起读出显示。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。