X射线探测器的信号读出装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术主要涉及X射线能谱的探测，为提出一种高精度的电荷‑数字域信号混合累加读出的方法，X射线探测器的信号读出装置和方法，结构包括：衬底部分、埋层部分作为探测器的主体完成X射线的接收及光电信号的转化，衬底部分尺寸以全部吸收待探测能谱范围内的X射线光子为宜；热氧化生长的氧化物实现衬底部分与电极的电绝缘隔离，埋层部分则与电极相连通；所述电极为多晶硅或金属材料，顺序排布于热氧化生长的氧化物中，每个电极都通过金属导线连接至时序控制单元，时序控制单元控制相邻电极高低电平周期性变化，实现电荷包的顺序读出。本发明专利技术主要应用于X射线能谱的探测设备设计制造场合。

Signal readout device and method for X ray detector

The present invention relates to the detection of X ray spectrum, to put forward a method of high precision charge digital domain mixed signal readout signal accumulation, X ray detector readout device and method, the structure includes a substrate, a buried layer as part of the main body to complete the conversion detector receives X ray and photoelectric signals, substrate part size to absorb all detected spectral X ray photon range is appropriate; thermal oxidation growth of oxide electric insulating substrate and electrode, the buried layer part is connected with the electrode; the electrode for polysilicon or metal material, sequentially arranging on thermal oxide growth in the oxide, each electrode the metal wire connected to the timing control unit, timing control unit control of adjacent electrode level changes periodically, in order to achieve charge readout. The invention is mainly applied to the design and manufacture of the detection equipment of X ray energy spectrum.

【技术实现步骤摘要】
X射线探测器的信号读出装置和方法
本专利技术主要涉及X射线能谱的探测，应用于医用能谱CT(ComputedTomography，电子计算机断层扫描)成像过程中信号的收集与读出。具体讲,涉及X射线探测器的信号读出方法。
技术介绍
能谱CT具有利用多种不同能量X射线光子衰减信息进行成像的功能，其成像的关键在于提升探测器对X射线能谱分段探测能力进而提高能谱解析计算的精度。为提高分层探测器的能谱分段探测能力，主要工作是在信号电荷收集、读出、模数转换的过程中，尽可能地减少噪声。传统的信号读出电路多采用数字域累加、模拟域累加和电荷域累加的方式将信号电荷读出并处理，最后将结果存储起来。其中，模拟域累加方案是将像素曝光得到的电压信号或者电流信号在像素阵列输出端采用模拟积分器实现信号的累加，然后通过ADC将模拟量转换为数字量便于后续电路处理。在过程中累加和量化。两个过程分别引进了累加噪声和量化噪声。数字域累加将像素输出信号直接由ADC量化，最后通过数字加法器完成累加，两个过程也分别引进了累加噪声和量化噪声。因此，为了进一步降低X射线分层探测器信号读出过程中噪声的引入，以获得最准确的像素信号，同时减少读出电路的设计难度，研究并提出一种将电荷域和数字域累加相混合的高精度读出电路，就是本专利技术所关注的问题。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种高精度的电荷-数字域信号混合累加读出的方法。本专利技术采用的技术方案是，X射线探测器的信号读出装置，结构包括：衬底部分、埋层部分作为探测器的主体完成X射线的接收及光电信号的转化，衬底部分尺寸以全部吸收待探测能谱范围内的X射线光子为宜；热氧化生长的氧化物实现衬底部分与电极的电绝缘隔离，埋层部分则与电极相连通；所述电极为多晶硅或金属材料，顺序排布于热氧化生长的氧化物中，每个电极都通过金属导线连接至时序控制单元，时序控制单元控制相邻电极高低电平周期性变化，实现电荷包的顺序读出，电极的三维尺寸、个数及电极间距由衬底尺寸及光生电荷收集效率而定，顺序排布的电极应满足完全收集曝光后光生电荷的要求；背面电极与所述电极分布于衬底部分两侧，背面电极尺寸及分布情况与所述电极相对应；遮光板用于控制X射线曝光时间；收集电极用于收集前面电极下势阱电荷的，收集电极能产生势阱，将前面的电荷都收集完毕后，通过浮置扩散经输出电极将电荷读出到数字累加器经寄存器输出，完成混合累加中电荷累加输出。埋层材料可以选择轻掺杂的N型硅，也可以是锗、碲锌镉或者碲化镉半导体，衬底材料可以选择轻掺杂的P型硅，也可以是锗、碲锌镉或者碲化镉半导体。X射线探测器的信号读出方法,步骤如下：Step1：X射线曝光。打开X射线遮光板进行曝光；Step2：光生电荷收集转移：X射线开始照射后，立刻将所有的电极置为高电平，将背面电极全部置为低电平，在曝光期间实现光生电荷收集的功能，遮光板关闭后电荷收集结束，结束曝光后，开始进行电荷转移，电荷在电极电压的控制下以电荷包的形式在相邻电极间转移；Step3：将半导体中光生电荷按顺序分组，针对能谱解析过程，在电荷转移读出后，待解析的分段能谱有几种，即将半导体内的光生电荷顺序组合成不同的几组，电荷分组的位置以相应能量段的X射线在该半导体厚度内完全吸收为宜；Step4：光生电荷信号的电荷域累加：重复Step2中转移步骤，直到收集的光生电荷依次转移到收集电极下的大容量势阱中，此时便完成了电荷域累加功能。然后将光生电荷通过采用浮置扩散方式的右端读出电路读出，具体实现方式为：将输出控制极OG设置为高电平，输出电极将电荷读出；Step5：A/D转换；Step6：光生电荷重构分组：在Step3对电荷处理的基础上，按照预设的n种分组方案，分别调整电荷分组的位置，进而改变各组内电荷的总量后再将各组电荷累加，当所有的n种方案都重构结束后，完成电荷重构分组累加过程；Step7：读出电荷信号并进行数字域累加：基于Step2，第一组的累加读出结果由相邻层累加读出结果构成，具体的构成方式为：将若干相邻层经过电荷域累加后的结果读出后，再通过数字域累加的方式使用数字加法器完成对量化结果的累加，最终完成了电荷数字域混合累加的功能；第二组、第三组及其余组与第一组类似，结果也是由相邻的若干层累加读出结果构成；基于Step6，调整电荷分组位置后便改变了一组的层数，层数的改变对应着电荷总量的改变，经过电荷域与数字域混合域累加后对应的成像精度改变，进而提高成像精度和能谱探测的动态范围。光生电荷收集转移在一个实例中为三相转移逻辑，所示实例中一个像素结构有三相，一层有一个像素结构，具体时序：t1时刻，V1设置为高电平，电荷会在曝光期间被收集到V1下的势阱中；t2时刻，V1设置为1/2倍的高电平，V2设置为高电平，两个电极之间存在势垒，在此过程中V1收集的电荷将不断流向V2；在t3时刻，V1下的电子将全部转移至V2下的势阱中，V3设置为高电平；t4时刻，V2下的电荷向V3转移，至t5时刻V2电荷全部转移至V3下的势阱中。至此完成了一次完整的三相控制电荷转移过程；相应地顺序分组为三组。本专利技术的特点及有益效果是：利用本专利技术所提出的X射线探测器的信号读出方法，通过对不同厚度半导体内光生电荷采用两种方式的混合累加，可以同时获得多个能量段的X射线的衰减信息，并且可以通过数据的重构不断地调整优化能谱解析的精度，有效地解决了现有的医用能谱CT解析方法存在的能量分辨率不足的问题。更重要的是，在整个过程中降低了噪声，为提高图像质量提供了更有效的保障。附图说明：图1本专利技术所面向的X射线能谱探测器的三维像素结构。图2X射线能谱探测方法的流程图。图3电荷收集转移时序图。图4半导体内电荷动态分组示意图。具体实施方式现有的信号累加和读出方式要是数字域累加、模拟域累加和电荷域累加的方式，通过将信号电荷读出并处理，最终确定X射线光强(光子数)信息，但探测结果受噪声等影响严重。本专利技术针对现有的信号累加方式附加噪声较大的问题，给出了一种高精度的电荷-数字域信号混合累加读出的方法。复合X射线穿过半导体时，入射光子将在半导体中被吸收并产生光生电荷，低能的X射线先被吸收完，高能的X射线吸收较慢；对于同一能量的X射线，光强越大，在固定厚度的半导体内产生的电荷也越多；且不同能量的X射线产生的光子数是可以相互叠加的。因此，利用不同厚度半导体内的光生电荷总数即可递推得到入射光子数，进而获得不同能量段X射线透过人体后的衰减信息。本专利技术基于上述X射线的吸收规律，提出了一种针对X射线能谱分层探测器像素结构的信号混合累加的方式，本专利技术还可以根据预设方案调整能谱分段区间及半导体分段区间来获得所需的不同组信号进而为扩大能谱解析动态范围和提高精度提供可能，采用并行读出的方式提高了读出速度，通过电荷域和数字域混合累加既降低了噪声又减少了电路设计复杂度。本专利技术所针对的探测器像素结构如下：基本的三维探测器像素结构如图1所示，其中101为探测器衬底部分，衬底材料可以选择轻掺杂的P型硅，也可以是锗、碲锌镉、碲化镉等半导体，107部分为埋层部分，埋层材料可以选择轻掺杂的N型硅，也可以是锗、碲锌镉、碲化镉等半导体，两部分作为探测器的主体主要完成X射线的接收及光电信号的转化，衬底尺寸以全部吸收待探测能谱范围内的X射线光子为宜；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种X射线探测器的信号读出装置，其特征是，结构包括：衬底部分、埋层部分作为探测器的主体完成X射线的接收及光电信号的转化，衬底部分尺寸以全部吸收待探测能谱范围内的X射线光子为宜；热氧化生长的氧化物实现衬底部分与电极的电绝缘隔离，埋层部分则与电极相连通；所述电极为多晶硅或金属材料，顺序排布于热氧化生长的氧化物中，每个电极都通过金属导线连接至时序控制单元，时序控制单元控制相邻电极高低电平周期性变化，实现电荷包的顺序读出，电极的三维尺寸、个数及电极间距由衬底尺寸及光生电荷收集效率而定，顺序排布的电极应满足完全收集曝光后光生电荷的要求；背面电极与所述电极分布于衬底部分两侧，背面电极尺寸及分布情况与所述电极相对应；遮光板用于控制X射线曝光时间；收集电极用于收集前面电极下势阱电荷的，收集电极能产生势阱，将前面的电荷都收集完毕后，通过浮置扩散经输出电极将电荷读出到数字累加器经寄存器输出，完成混合累加中电荷累加输出。

【技术特征摘要】
1.一种X射线探测器的信号读出装置，其特征是，结构包括：衬底部分、埋层部分作为探测器的主体完成X射线的接收及光电信号的转化，衬底部分尺寸以全部吸收待探测能谱范围内的X射线光子为宜；热氧化生长的氧化物实现衬底部分与电极的电绝缘隔离，埋层部分则与电极相连通；所述电极为多晶硅或金属材料，顺序排布于热氧化生长的氧化物中，每个电极都通过金属导线连接至时序控制单元，时序控制单元控制相邻电极高低电平周期性变化，实现电荷包的顺序读出，电极的三维尺寸、个数及电极间距由衬底尺寸及光生电荷收集效率而定，顺序排布的电极应满足完全收集曝光后光生电荷的要求；背面电极与所述电极分布于衬底部分两侧，背面电极尺寸及分布情况与所述电极相对应；遮光板用于控制X射线曝光时间；收集电极用于收集前面电极下势阱电荷的，收集电极能产生势阱，将前面的电荷都收集完毕后，通过浮置扩散经输出电极将电荷读出到数字累加器经寄存器输出，完成混合累加中电荷累加输出。2.如权利要求1所述的X射线探测器的信号读出装置，其特征是，埋层材料可以选择轻掺杂的N型硅，也可以是锗、碲锌镉或者碲化镉半导体，衬底材料可以选择轻掺杂的P型硅，也可以是锗、碲锌镉或者碲化镉半导体。3.一种X射线探测器的信号读出方法，其特征是，步骤如下：Step1：X射线曝光。打开X射线遮光板进行曝光；Step2：光生电荷收集转移：X射线开始照射后，立刻将所有的电极置为高电平，将背面电极全部置为低电平，在曝光期间实现光生电荷收集的功能，遮光板关闭后电荷收集结束，结束曝光后，开始进行电荷转移，电荷在电极电压的控制下以电荷包的形式在相邻电极间转移；Step3：将半导体中光生电荷按顺序分组，针对能谱解析过程，在电荷转移读出后，待解析的分段能谱有几种，即将半导体内的光生电荷顺序组合成不同的几组，电荷分组的位置以相应能量段的X射线在该半导体厚度内完全吸收为宜...

【专利技术属性】
技术研发人员：史再峰，李杭原，孟庆振，曹清洁，罗韬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12