基于集成并排式像素阵列传感器的多能量X射线检测器制造技术

一种双能量范围X射线检测器，被实现为平面和单片半导体基板上的并排像素阵列，作为X射线物体检测器的一部分。这种并排的单片布置中的每个像素阵列被设计成响应于特定的X射线能量范围或光谱，以提供高物体灵敏度和材料辨别能力。像素阵列的并排单片结构改善了对准和间隔精度，以改善专用于检测不同能阶和特征的不同阵列之间的图像对准。此外，设置在像素阵列的辐射屏蔽外围上的集成信号处理电路能够通过增强的噪声降低和/或灵敏度来改善检测性能。这种新颖的配置可通过增加并排和单片放置的像素阵列的数量来扩展，每个像素阵列专门用于检测来自被扫描物体的特定能量范围。

Multi-energy X-ray Detector Based on Integrated Parallel Pixel Array Sensor

【技术实现步骤摘要】
基于集成并排式像素阵列传感器的多能量X射线检测器本申请案主张申请于2017年12月8日的美国临时专利申请案No.62/596248的优先权，并在此以引用的方式结合于本文中。
本专利技术有关于固态图像传感器及其结构配置。更特别地，本专利技术是有关于集成双能带或多能带X射线成像传感器及其新颖的结构配置。
技术介绍
双能量(DE)范围图像传感器一般包括对低能量(LE)X射线光谱特别敏感的LE成像像素阵列和对高能量(HE)X射线光谱特别敏感的HE成像像素阵列。DE范围图像传感器可以允许检测异质材料之间的不同特征。DEX射线成像利用物理操作原理，异质材料通常表现出有不同的X射线吸收光谱轮廓。曝光下特定材料的X射线吸收光谱是材料的元素组成及其密度的函数。传感器的LE阵列光谱响应的平均吸收系数与传感器的HE阵列光谱响应的平均吸收系数的比在多种材料之中经常是不同的。这种吸收系数比的差异使得DE范围图像传感器能够分辨异质材料。DE范围图像传感器的关键要求是良好的信噪比(SNR)，以提高图像质量和材料之间的辨别，以及LE和HE阵列之间的良好配准，以准确识别材料。传统的DE范围图像传感器包括一对一维(1D)线性二极管阵列(LDA)所组成。DELDA图像传感器用于改善例如机场行李安全检查和食品安全检查等应用中的材料分辨。这些应用使用扫描成像系统，其中X射线样本垂直于1D阵列来传输或“扫描”。1D阵列以高线速率成像，以撷取样本的“片段”，再将片段组合，以形成二维图像。在传统的DE范围X射线系统中，LE和HE阵列是以“堆栈”配置来设置，其中阵列必须平行且对齐，使得从X射线源发出和与LE阵列的像素相交的直线X射线路径会继续撞击HE阵列的相应像素。在传统的DE范围X射线系统中，滤波器将通常夹在LE和HE阵列之间的LEX射线选择性过滤掉。LE阵列也可包括对LEX射线光谱特别敏感的X射线闪烁体。同样地，HE阵列通常包括对HEX射线光谱特别敏感的X射线闪烁体。在传统的X射线扫描仪系统中，X射线从X射线标靶发出扇形光束。由于X射线是光子，它们必须以大致笔直的路径行进。对于会导致高灵敏度的材料辨别的有效的HE对LE配准，阵列可以依循固定半径的弧来绕着X射线标靶。短直线阵列有利于阵列的制造且保持接近弧形。以这种架构，每个直线段垂直于X射线，以保持HE和LE像素之间的配准。或者，短直线阵列交错排列，以保持X射线的法线方向，同时符合非圆形几何形状。这种现有技术存在若干缺点。首先，可能难以为高能量检测器阵列提供独立控制，因为在低能量检测器阵列上进行的任何操作都将对高能量检测器阵列产生直接影响。其次，低能量检测器常常还会衰减高能量光子，反而限制了整体装置的选择性和辨别功率。第三，两个检测器的对准可能常常限制了最佳过滤材料的选择。第四，对齐两个独立的阵列会导致机械上的困难。DE传感器的另一种可能的配置是“并排”。在这种例子中，双成像阵列并排和平行排列，使得相应的HE和LE像素间隔了特定的偏移。同样地，像素阵列垂直于扫描轴。HE和LE之间的偏移平行于扫描轴。当X射线样本在阵列上传输时，样本的投影图像上的点在HE和LE像素之间传播的时间有限。而HE和LE图像的同步补偿了这个时间差。并排的DE配置减轻了堆栈配置的一些已知缺点，特别的是，它为HE检测器阵列提供独立控制，而LE检测器阵列不会直接影响由HE检测器阵列所吸收的X射线，且LE检测器不会衰减HE光子。再者，两个检测器的对准不会限制最佳过滤材料的选择，且机械对准并不困难。不幸地，传统的并排技术仍存在若干缺点。首先，结构公差会导致两个阵列之间的对准和间距不精确以及图像配准不良。其次，两个阵列之间的间隔也可能导致图像配准不良。第三，更高的图像质量所需的信噪比(SNR)会受到检测器结构中寄生阻抗的限制，且缺乏伴随着集成信号处理电路的其他改良。此外，在阵列和信号处理之间的多个芯片和引线键合增加了组装复杂性和成本。并且，在某些情况下，单独的双能量成像的传统方法无法充分分辨材料，因此需要多能量或光谱成像，但其不易从现有传统的并排技术中扩展。因此，可能需要设计一种新颖的双能量范围X射线检测器，其提供改良的和更简单的X射线感测像素对准，这导致较高质量的物体扫描特性和较低的制造和组装成本。此外，还可能需要提供一种新颖的双能量范围X射线检测器，其通过单片集成和与X射线感测像素阵列相同的基板中的信号处理电路的选择性辐射屏蔽，来减少不期望的寄生阻抗并改善SNR。此外，还可能需要设计一种新颖的X射线检测器，其具有X射线感测像素阵列的新颖的单片集成，其可容易地扩展到超出由双能量范围X射线检测器提供的两个不同光谱响应范围的多能量范围。
技术实现思路

技术实现思路
和摘要概述了本专利技术的一些实施态样。可能已做出简化或省略，以避免模糊
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或摘要的目的。这些简化或省略不是要限制本专利技术的范围。下面呈现了简化的
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，以便提供对于请求标的之某些实施态样的基本概念。此专利技术说明并非广泛性的概观，且不是意图要标志关键/重要元素，也不是意图要划定请求标的之范围。其目的是以简化形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。本专利技术提供了一种用于双能量或多能量范围X射线成像扫描仪传感器的新结构。在一实施例中，此新颖的结构包含平面的单片半导体基板，其包含多个光元件阵列和信号处理电路，它可以是金属氧化物半导体装置。信号处理电路耦合到多个元件阵列。每个元件阵列都选择性响应特定的X射线能量范围或光谱。在本专利技术的一个实施例中设计的多个元件阵列可以容易地扩展到多列阵列，以产生多能量范围的X射线检测器。多个阵列的一种可能的布置是并排线性阵列，其中每个阵列垂直于扫描方向。在双能量范围情况下，有两个X射线感应像素阵列。在超过双能量范围的多能量范围情况下，可能存在“n”个阵列，其对应于可从X射线感测像素获得的不同光谱响应的数量。另一种可能的布置具有二维阵列，其对于每个能量范围运行时间延迟积分(TDI)功能。在这个例子中，可以将多个阵列散布设置，以提供阵列之间的平衡。附图说明图1显示了根据本专利技术实施例的一种新颖的并排双能量范围传感器布置结构的示例。图2显示了根据本专利技术实施例的一对(即两行)像素阵列的俯视图，其中相关的MOS装置作为新颖的并排双能量范围传感器布置结构的一部分。图3显示了根据本专利技术实施例中接收X射线能量的一种新颖的并排多能量范围传感器布置结构。图4显示了根据本专利技术实施例中由一种新颖的并排双能量范围传感器布置结构产生的新颖的瓦片结构。图5显示了根据本专利技术实施例的利用TDI传感器的一种新颖的并排多能量范围传感器布置结构。图6显示了根据本专利技术实施例的具有用于多种像素尺寸的像素合并的一种新颖的并排双能量范围传感器布置结构。图7显示了根据本专利技术实施例的一种交叉型高能量(HE)和低能量(LE)像素结构的示例。图8显示了根据本专利技术实施例的TDI阵列中的交叉式HE和LE像素结构的示例。图9显示了根据本专利技术实施例的共质心“HE/LE/HE”TDI阵列结构的示例。图10显示了根据本专利技术实施例的共质心“HE/LE/HE”TDI阵列结构的另一示例。图11显示了根据本专利技术实施例的共质心方格TDI阵列的示例。具体实施方式现在将参考附图详细描述本专利技术的特定实施例。为了一致性，各个图中的相同元件是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双能量范围X射线检测器，其特征在于，包括：一对一维像素阵列，该对一维像素阵列物理上彼此平行定位，其中一第一像素阵列相对于该对一维像素阵列中的一第二像素阵列选择性地检测较高能量的X射线光子；一滤波器，该滤波器设置在该第一像素阵列的前面；以及一高密度X射线屏蔽，该高密度X射线屏蔽充分衰减直接照射在该第一像素阵列和该第二像素阵列附近的金属氧化物半导体装置上的X射线，其中从一X射线源发出的一直线X射线路径同时与在该对一维像素阵列中的该第一像素阵列和该第二像素阵列相交，且其中未被该X射线屏蔽衰减、散射或与该X射线屏蔽相交的该X射线也不会撞击在该对一维像素阵列附近的该金属氧化物半导体装置上。

【技术特征摘要】
2017.12.08 US 62/596，2481.一种双能量范围X射线检测器，其特征在于，包括：一对一维像素阵列，该对一维像素阵列物理上彼此平行定位，其中一第一像素阵列相对于该对一维像素阵列中的一第二像素阵列选择性地检测较高能量的X射线光子；一滤波器，该滤波器设置在该第一像素阵列的前面；以及一高密度X射线屏蔽，该高密度X射线屏蔽充分衰减直接照射在该第一像素阵列和该第二像素阵列附近的金属氧化物半导体装置上的X射线，其中从一X射线源发出的一直线X射线路径同时与在该对一维像素阵列中的该第一像素阵列和该第二像素阵列相交，且其中未被该X射线屏蔽衰减、散射或与该X射线屏蔽相交的该X射线也不会撞击在该对一维像素阵列附近的该金属氧化物半导体装置上。2.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该第二像素阵列选择性地检测相对于该对一维像素阵列中的该第一像素阵列的较低能量的X射线光子。3.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该对一维像素阵列和该金属氧化物半导体装置单片集成在一单个半导体芯片上。4.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该对一维像素阵列中的像素包含耐辐射损伤的光电二极管或光电元件。5.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该对一维像素阵列中的像素包含闪烁体材料，该闪烁体材料降低该较高能量的光子的能阶或将该较高能量的光子转换为可由光电二极管容易检测的可见光子。6.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该第一像素阵列和该第二像素阵列附近的该金属氧化物半导体装置是CMOS场效应晶体管。7.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该对一维像素阵列中的像素是实现在多个半导体基板上，该半导体基板紧密地布置在一瓦片结构中，以构成结合在该对中的一光电二极管或光电元件的完整的双阵列。8.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，该滤波器至少部分地由金、银、铜、锡或其组合所制成。9.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，还包括一软件元件，该软件元件被配置为去关联、同步和解释来自物理上彼此平行定位的一对像素阵列的信息。10.如权利要求1所述的双能量范围X射线检测器，其特征在于，还包括一个或多个附加的一维像素阵列，以检测和分辨来自该X射线的多种能阶。11.一种双能量范围X射线检测器，其特征在于，包括：一检测器区域，位于一单片基板上；一对一维X射线检测像素阵列，位于该检测器区域上并彼此水平平行排列，其中该水平平行排列为垂直于从位于该检测器区域的上方或下方的一X射线源所发出的一直线X射线路径，且其中每个像素阵列具有不同的光谱响应；一金属氧化物半导体装置，其接收来自该对一维X射线检测像素阵列中的像素的检...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾信夫，
申请(专利权)人：XSCAN映像股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US