（微电子学与固体电子学专业论文）集成片上闪烁层x射线传感阵列研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 x 射线传感器广泛应用于医疗、工业探测及科学研究中，它能帮助人们观察 到很多肉眼观察不到的人体或物体的内部结构。目前主流的x 射线传感器大都 采用闪烁层先将入射的x 射线转换为荧光( 该荧光为可见光) 后，再利用半导 体光电探测出闪烁层发出的荧光，最终形成了x 射线传感器。在众多种类的闪 烁体当中，由于掺铊碘化铯( c s i ( t 1 ) ) 光产额较大，不易潮解等优点而成为x 射线探测器中闪烁体的首选。针对c s i ( t 1 ) 的荧光光谱范围及荧光光强微弱的 特点，开展了适合于探测c s i ( t 1 ) 荧光的光电传感阵列研究。 本文通过理论分析、器件建模以及实际工艺制作测试，完成了基于6 6 p + n w c l l p 。u b 双结深光电二极管阵列芯片的x 射线传感器的设计；基于c s m c 0 5 u m 工艺研制了适合于构成c m o sx 射线传感器的8 8c m o s 光电传感阵 列，仿真与测试结果表明所设计的电路灵敏度极高，能探测到极微弱的光照。主 要研究内容如下： l 、根据c s i ( t i ) 的荧光光谱设计的p + n w d 徊s u b ，p + n w 。1 1 结深为0 2 u r n ， 主要吸收4 0 0 r i m 5 5 0 r i m 范围波长的入射光，另外n w 。l 佃s u b 结深为0 8 u m ，主要 吸收5 5 0 r i m 8 0 0 r i m 范围波长的入射光。采用i s e t c a d 模拟调试了p + n w 胛s u b 双结深光电二极管的整个工艺制作过程。基于实验室的微纳加工平台采用高温扩 散工艺及光刻工艺研制了6 6 阵列的p + n w d l p s 曲双结深光电二极管芯片。芯片 测试结果表明在4 v 的反向偏压内该光电管的漏电流小于1 5 n a ，在白光l e d 灯 下灵敏度约为l n a l u x ( c s m c0 5 u r n 工艺下相同结构光电管漏电流约为1 l p a ， 灵敏度约为1 9 p a l u x ) 。提出了p + n w d l p s u b 的光电响应模型，实测结果表明光电 管对5 5 0 r i m 左右波长的入射光响应最大，与c s i ( t 1 ) 荧光光谱相匹配。 2 、为测试基于6 6 光电管的x 射线传感器的特性，研制了3 6 通道微弱电 i i i 浙江大学呗士学位论文摘要 流采集系统，数字化结果输出，系统采集精度为1 n a 。 3 、基于所研制的p + n w e l 徊s u b 双结深光电二极管阵列芯片制作了贴片耦合式 x 射线传感器，传感器的背景电流为6 h a 。x 射线照射下的灵敏度约为1 0 3 1 0 9 a m 2 w 。 4 、基于所研制的p 十n w d 徊汕双结深光电二极管阵列芯片制作了集成片上像 素化闪烁层的x 射线传感器。s u 8 胶构成的光隔离墙高为8 5 u m ，墙厚2 0 u r n ， 槽面积为1 0 0x1 0 0 u r n 2 。 5 、基于c s m c0 5 u r nc m o s 工艺下研究了适合于探测c s i ( t 1 ) 荧光的8 x 8 光电传感阵列芯片。优化了光电管的设计，在不增加版图面积的情况下，为 减少光电管的漏电流和提高对微弱光照的探测能力。创新性地采用c t i a 像素结 构，最终提高了光电传感单元的灵敏度。测试结果表明c t i a 像素结构在x 射线 照射下的灵敏度为0 2 1 v m 2 侧。 关键词：光电管阵列，微电流探测，x 射线传感器，c m o s 光电传感器 i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r c a t a b s t r a c t x - r a ys e n s o r sa r ew i d e l yu s e di nm e d i c a lr a d i o g r a p h ，i n d u s t r i a le x p l o r a t i o na n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h e s ，h e l pp e o p l eg e ta l li n s i g h ti n t ot h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fh u m a n b o d ya n do b j e c t st h a ta r ei n v i s i b l et oo u re y e s t h em a i n s t r e a mo ft h ec u r r e n tx r a y s e n s o r sa r em o s t l ys c i n t i l l a t o rb a s e d ，t h es c i n t i l l a t o rc o n v e r s e st h ei n c i d e n tx - r a yi n t o f l u o r e s c e n c ef i r s t l y , t h ef l u o r e s c e n ta r ev i s i b l el i g h t ，a n dt h e nt h ef l u o r e s c e n c eb e d e t e c t e db ys e m i c o n d u c t o rp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r , t h e r e b yf o r mt h ex - r a ys e n s o r c e s i u mi o d i d ed o p e dw i t ht h a l l i u m ( c s i ( t 1 ) ) b e c o m e st h eo n eo fc h o i c ea m o n gt h e m a n yt y p e so fs c i n t i l l a t o r sd u et oi t sh i g hl i g h ty i e l da n dd i f f i c u l t yo fd e l i q u e s c e n c e t om a t c ht h ef l u o r e s c e n c es p e c t r a lr a n g eo fc s i ( t 1 ) a n dd e t e c tt h ew e a kf l u o r e s c e n t i n t e n s i t y , r e s e a r c ho np h o t o e l e c t r i cs e n s o ra r r a y ss u i t e df o rt h ed e t e c t i o no fc s i ( t 1 ) f l u o r e s c e n c ea r ec a r r i e do u t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，d e v i c em o d e l i n g ，c i r c u i ts i m u l a t i o n ，a n dp r e l i m i n a r y t e s t i n g ，t h ed e s i g no fxr a ys e n s o rb a s e do nt h e6 6p + n w e u p s u bp h o t o d i o d e a r r a y sc h i ph a sb e e nc o m p l e t e d ；t h e8 8c m o sp h o t o e l e c t r i cs e n s o ra r r a yb a s e d o n c s m co 5 u mp r o c e s sw a sd e v e l o p e dw h i c hi ss u i t a b l ef o rf o r m i n gc m o sx r a y s e n s o r so f , s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g no ft h ec i r c u i tm e e tt h e d e t e c t i o no fw e a kl i g h t t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e s ： 1 、t om a t c ht h ec s i ( t 1 ) f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p yt h ej u n c t i o nd e p t ho fp + n 。d l i sd e s i g n e dt ob e0 2 u mt oa b s o r b4 0 0 u r n 一5 5 0 n mi n c i d e n tl i g h ta n dn w e l 徊s u b0 8 u mt o a b s o r b5 5 0 n m - 8 0 0 r i mi n c i d e n tl i g h t i s e - t c a ds o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h e f a b r i c a t ep r o c e s sa n dc o m et ot h ep r o c e s sc o n d i t i o n s h i g h - t e m p e r a t u r ed i f f u s i o na n d p h o t o l i t h o g r a p h ya r eu s e dt od e v e l o p6 6p + n 。e l l p s u bp h o t o d i o d ea r r a y sc h i p c h i pt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h el e a k a g ec u r r e n ti sl e s st h a n1 5 n a u n d e r4 vr e v e r s e v 浙江大学硕士学位论文absncat b i a s ，s e n s i t i v i t ya p p r o x i m a t e sln a l u xu n d e rw h i t el e dl a m p ( t h es a m es t r u c t u r ei n c s m c0 5 u m p r o c e s sh a sl e a k a g ec u r r e n t a b o u tllp aa n d s e n s i t i v i t ya b o u t 19 p a l u x ) t h ep h o t o e l e c t r i cr e s p o n s em o d e lo fp + n w e l l p s u bi s p r o p o s e d ，t h e m e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a t r e s p o n s e sd i f f e r s f o ri n c i d e n t l i g h t o fd i f f e r e n t w a v e l e n g t h s 2 、f o rt e s t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ex r a ys e n s o rb a s e do nt h e6 6p h o t o d i o d e ，a 3 6 一c h a n n e lw e a kc u r r e n ta c q u i s i t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e dw i t ht h ed i g i t i z e dr e s u l t o u t p u ta n dt h es y s t e ma c q u i s i t i o na c c u r a c yi sln a 3 、ap a s t e r - c o u p l e dx - r a ys e n s o rb a s e do nt h ed e v e l o p e dp + n w e l l p s u b p h o t o d i o d ea r r a yc h i pi sp r o d u c e dw i t h6 n ab a c k g r o u n dc u r r e n t t h es e n s i t i v i t yo ft h e s e n s o rt ox r a yi r r a d i a t i o ni sa b o u t1 0 3 4 10 9 a m 2 a v 4 、ax 。r a ys e n s o ri n t e g r a t e dw i t ho n - c h i p p i x i l a t e dc s i ( t 1 ) b a s e dd e v e l o p e dp + n w e l l p s u bp h o t o d i o d ea r r a yc h i pi sp r o d u c e d s u 一8p h o t o r e s i s tc o n s t i t u t e st h el i g h t s e p a r a t i n gw a l lw i t hh e i g h t8 5 u r na n dt h i c k n e s s2 0 u r n ，t h et r o u g ha r e ai s10 0 x 10 0 u r n 2 5 、a8 8p h o t o e l e c t r i cs e n s o ra r r a yc h i pu s i n gc s m c0 5 u r nc m o s p r o c e s si s d e s i g n e dt od e t e c tt h ef l u o r e s c e n c eo fc s i ( t 1 ) o p t i m i z a t i o no fp h o t o d i o d ei sc a r r i e d o u tt or e d u c et h el e a k a g ec u r r e n tw i t h o u ti n c r e a s i n gt h el a y o u ta r e aa n di m p r o v et h e w e a kl i g h td e t e c t i o n c a p a b i l i t y , u s i n gt h e c t i ap i x e ls t r u c t u r et o i m p r o v et h e s e n s i t i v i t y o ft h e p h o t o e l e c t r i cs e n s i n gu n i t t h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o ri s 0 2 1 v m 2 w k e y w o r d s ：p h o t o d i o d ea r r a y s ，w e a kc u r r e n td e t e c t i o n ，x - r a ys e n s o r , c m o s p h o t o e l e c t r i c s e n s o r v i 感谢国家自然科学基金对本课题的资助 项目名称：集成片上闪烁层c m o sx 射线阵列传感器研究 项目编号：6 1 0 7 6 0 7 5 i x 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 光阴似箭，一转眼，两年半的求是园的科研学 - - j 生活即将结束。回首这段日 子，师长的教诲，同学的帮助以及家人的关怀，无不令我终身难忘，感怀在心。 首先，感谢我的两位指导老师朱大中教授和韩雁教授。他们在学习和生活上 都给予了我很多的关心和帮助，他们勤奋高效的工作习惯，勇于创新的学术精神 是我学习的好榜样。本论文的完成离不开朱老师悉心的指导和帮助，在我实验不 顺利心情烦躁的情况下，朱老师以他多年的人生经验指引我前进。他求真务实的 科研精神给我留下了深深的印象，同时他高尚的人格魅力和深厚的学术修养也一 直激励着我。在整个硕士期间，实验的一点一滴都是在朱老师的指导下完成的， 他宽广的知识面，深厚的理论修养和丰富的动手经验是我一生的学习目标，而且 他崇高的品德则更是我未来人生道路上的学习榜样。在此向朱老师致以崇高的敬 意和诚挚的感谢，愿朱老师身体健康，生活快乐，希望以后的人生道路上能够再 遇到像朱老师一样的导师，指引我前进。感谢浙大微电子所提供的实验机会，培 养了我作为一名工科学生的动手能力。 感谢李贡社高工，实验的完成与李老师平日里精心维护分不开，感谢他两年 多来及时地帮我维修设备。 感谢已毕业的罗豪师兄在模拟集成电路设计方面给我的指导，芯片流片的成 功离不开你不厌其烦的给我答疑解惑，可以说你也是我的老师，祝你工作顺利。 感谢微电子所的骆季奎教授、王曦教授、董树荣教授、徐杨副教授、丁扣宝 副教授、韩晓霞、孙颖、郭维和林时胜老师在学术上和生活中对我的关心和支持。 感谢我的师兄刘晓鹏、梁国、蔡坤明、张慧金、范镇淇、彭成，在与他们的 讨论中，我学到了许多关于集成电路设计方面的宝贵经验，对我的课题研究也起 到了很大的帮助。感谢光电系虞华康博士在光谱响应测试方面提供的激光器，感 塑垩查兰堡主兰竺笙茎 塾塑 谢生仪系周聪聪博士在芯片压焊方面提供的帮助。 感谢何兴理、金鹏程、廖璐、吴健、郑剑锋、丁晨、王明宇同学，感谢他们 在课题进行过程中对我的帮助和平时生活中给予我的关怀，与你们的嬉笑怒骂是 我科研之余最放松的时光。 感谢所有关心我的师长、同学和朋友，两年半来，他们的鼓励和祝福一直伴 随着我的成长。 最后，感谢我的女友胡薇薇，六年来默默的在背后支持我，一路走来有你陪 伴真好，感谢我深爱的家人，感谢他们一直以来对我各个方面的关心和支持，我 将永远铭记于心。 i i 许超群 2 0 1 3 年1 月于求是园 堑垩奎兰塑圭兰堡笙文 缩略词表 缩略词表 c s i ( t 1 ) t h a l l i u md o p e dc e s i u mi o d i d e c t i a c a p a c i t i v et r a n si m p e d a n c ea m p l i f i e r 3 t t h r e et r a n s i s i t o r a p s a c t i v ep i x e ls e n s o r p p s p a s s i v ep i x e ls e n s o r d q e d e t e c t i v eq u a n t u me f f i e n c y f f f i l lf a c t o r m t f m o d u l a t et r a n s f e rf u n c t i o n p d p h o t o d i o d e c i sc m o s i m a g es e n s o r x i s ：x r a yi m a g es e n s o r d a q d a t aa c q u i s i t i o n l d al i n e a rd i o d ea r r a y s l p m m l i n ep a i r m m f p nf i x e dp a t t e r nn o i s e v i i 掺铊碘化铯 容性跨导放大器 三个晶体管 有源像素 无源像素 量子探测效率 填充因子 调制传输函数 光电二极管 c m o s 图像传感器 x 射线图像传感器 数据采集 线阵列 线对毫米 固定模式噪声 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了x 射线影像技术发展的现状及国内外研究进展。主要介绍了课题的背 景及意义及现存的x 射线影像技术及其发展方向，从模拟影像技术到数字影像技术，数字 影像技术按照构造的不同又可以分为间接式数码影像技术和直接式数码影像技术，本章详细 给出了现有的x 射线影像技术及当前的研究热点。直接式数码影像技术是未来的发展方向， 虽然它还处于实验室研究阶段。 1 1 课题背景及意义 x 射线传感器特别是高性能的x 射线图像传感器在医疗成像、工业无损检 测、科研研究方面得到了广泛引用。高端的x 射线成像技术集中掌握在飞利浦、 西门子、g e 、仙童图像、日本滨松等国外几大厂家手中，由于入行门槛高产品 价格一直居高不下。国内目前能够生产合格的闪烁屏的厂家都屈指可数，主要有 江苏康众公司、上海平生医疗科技等公司，基于闪烁屏贴合非晶硅构成的平板探 测器国内制作的x 射线平板探测器刚处于产品研发阶段，这方面的代表有上海 的天马微电子公司。在大面积c m o s 图像传感器方面国内还尚未见产品报道， 对于未来发展方向的直接式x 射线图像传感器国内还尚未有研究报道。本课题 的研究是国内小面积x 射线传感器制作方面的一次有益探索。 1 2x 射线的产生机理及其物理特性 x 射线是波长介于紫外线和y 射线之间的电磁波，波长介于1 0 7 到1 0 。1 3 m 。 x 射线被发现下，首先应用到医学诊断上，在随后的一百多年中在医学领域发挥 了巨大作用。x 射线具有以下五种特性1 l ： l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 穿透本领强 x 射线波长很短，具有很强的穿透能力。x 射线的波长越短，光子的能量越 大，穿透力越强。x 射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可 以把密度不同的物质区分开来，医疗上利用该特性不同密度的组织区别开来。 ( 2 ) 荧光作用 x 射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如硫化锌镉、钨酸钙、碘化 铯等时，可使物质发生荧光( 可见光或紫外线) ，荧光的强弱与x 射线量成正比。 ( 3 ) 电离作用 物质受x 射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷 的多少可测定x 射线的照射量，根据这个原理制成了x 射线测量仪器。 ( 4 ) 光化学效应 射线同可见光一样能使涂有溴化银胶片感光。当x 射线通过人体时，因人 体各组织的密度不同，对x 射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同， 感光的银离子被还原成银颗粒，并沉淀在胶片的胶膜内，在胶片上呈黑色，而未 还原的银离子呈白色，从而获得x 射线的影像。 ( 5 ) x 射线的生物效应 x 射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机 体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对x 射 线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在应用x 射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。 每个x 射线光子的能量，叫做x 射线的硬度，又叫做x 射线的质。它主要 与管电压有关，管电压越高，电子的速度越大，x 射线的能量越大，则穿透能力 越强，x 射线就越硬，表明x 射线的质越高。因此，可间接用管电压的千伏数 来表示x 射线的硬度既可方便测出，又便于使用调节。管电压千伏数越大，x 射线质越高，硬度越大。2 5 k v - 1 2 0 k v 的管电压产生的x 射线能量所对应峰值近 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 似为1 0 1 0 0 k e v 。按照不同的硬度划分，可分为极软x 射线、软x 射线、硬x 射线、极硬x 射线，在医疗上有着不同的用途，如表1 1 所示。 表1 1x 射线分类 名称管电压( k v )波长( 1 0 。1 0 m )用途 极软x 射线 5 2 02 5 0 6 2 软组织摄影、表皮治疗 软x 射线 2 0 1 0 00 6 2 0 1 2 透视和摄影 硬x 射线 1 0 0 2 5 00 1 2 0 0 5 较深组织治疗 极硬x 射线2 5 0 以上0 0 5 以下极深组织治疗 1 3x 射线影像技术简介 人体不同组织或物质的构成成分不同，因此对x 射线的吸收本领不同，同 一强度的x 射线透过人体不同的组织后强度不同，把这些强度不同的射线投射 到x 射线接收材料上上就会出现明暗不同的包含人体( 或物质) 信息的图像， 这就是x 射线成像的前提条件。x 射线影像技术基于成像材料的不同原理可以 分为四种：x 射线光学胶片；x 射线光感屏；x 射线荧光屏；利用x 射线的电 离作用激发产生电子空穴对或离子与电子的特殊材料。 ( 1 ) 感光胶片 x 线胶片是最重要的感光胶片之一，是一种特殊的感光胶片，它的主要特性 是感光，即接受光的投照并产生化学反应，形成潜影( 1 a t e n t i m a g e ) 。由于x 射 线光子比普通光源的光子能量打的多，对胶片的穿透能力也比普通光强的多，所 以被胶片吸收的光子数比可见光少的多，因此感光效果也差些，为了提高感光效 率，x 射线胶片感光剂的图层就要涂的厚一些。 ( 2 ) x 射线光感屏 x 射线光感屏是利用某些物质的光激励发光作用来实现的。该些物质在第一 堑垩奎兰堡主兰垡垒奎 笙二兰堑笙 次受到光( 一次激发光) 照射时，能够将一次激发光所携带的信息贮存下来，当 再次受到光( 二次激发光) 照射时，能够发出与一次激发光所携带信息相关的荧 光，这种现象称为光激励发光( p h o t o s t i m u l a t e dl u m i n e s c e n c e ，p s l ) ，这种物质被 称之为光激励发光物质，如同位素磷、铂氰化钡、氟卤化钡。 ( 3 ) x 射线荧光屏 荧光屏是利用x 射线的荧光作用来制作。荧光物质在x 射线的激发下发出 可被c c d 或c m o s 图像芯片检测的可见光。最常用的晶体有基于磷屏的钆、硫 氧化钆( g o s ) 和掺铊碘化铯( c s i ( t 1 ) ) 。 c s i ：t 1 是目前已知闪烁体材料中光输出最大，且余晖最小，因此，大部分 用于检测x 射线的结构采用c s i ：t 1 作为荧光层。闪烁体c s i 是一种无色结晶 性粉末。立方晶结构。密度4 5 1 9 c m 3 ，熔点6 2 1 ，沸点1 2 8 0 。c 。折射率1 7 8 7 6 ， 易溶于水和有机溶剂。它在x 光的照射下发出可见光，波长为2 5 0 6 0 0 n m 之间。 不添加激活剂的c s i 荧光比较微弱，添加激活剂后荧光效率提高，目前主要有两 种激活剂，分别为铊( t 1 ) 激活和钠( n a ) 激活。由于t l 激活的碘化铯晶体防 潮性比n a 激活的要好，因此本课题的研究将采用t l 激活的碘化铯晶体。 ( 4 ) 光电导材料 非晶硒( a s e ) 、碘化汞( h g i 。) 、氧化铅( p b 0 ) 、碘化铅( p b i 。) 是一 种光电导材料心1 ，在x 射线的激发下产生电子空穴对，利用外加电场可把电子空 穴对分离开来，通过非晶硅收集电荷再经过后续步骤即可转换成计算机可处理的 图像信号。相比与闪烁层材料，光电导材料的量子探测效率及空间分辨率高，但 是需要一个很大的直流电压将产生的电子空穴对分离，同时还有余晖及毒性问 题。 1 4x 射线影像技术的主要发展方向 4 堑垩查兰塑主兰垡垒奎笙二主丝笙 x 射线传感器的空间分辨率、灵敏度和成像面积等参数对x 射线成像的质量 影响最大。为了能够获得高对比度的医学图像，理想的x 射线探测器应该满足如 下三个要求口1 ： ( 1 ) 大面积：为了能够在单次曝光过程中完成对人体器官的检查，x 射线传 感器的面积应该在7 5 7 s m m 2 。 ( 2 ) 高空间分辨率：为了获取相位衬度的细节，探测器的空间分辨率应该在 2 0 1 p m m 及以上。 ( 3 ) 数字化图像采集与处理：图像数据的采集应该具有操作灵活，能够远程 控制等特点；所获取的图像信息应能够以数字信号的方式进行存储，便于进一步 的分析和处理。 基于1 3 节中的x 射线影像技术基础可以形成各种结构不同功能的x 射线影 像技术，满足了医疗诊断及工业应用的要求。按照图像的x 射线成像是否数字化 可以把x 射线传感器分为模拟影像技术和数码影像技术，其中数码影像技术按照 传感器是由几个子系统通过精密组成而成还是有单个系统一步完成，可以将其分 为两大类，即间接式x 射线数码影像技术和直接式x 射线数码影像技术。 1 4 1 模拟影像技术 1 、胶片成像系统 感光胶片是一种昂贵的工具，因为影像的载体一胶片是一种银基技术，而且 仅能使用一次。x 射线胶片可以达到5 - 1 0 u m 较高的分辨率。胶片需要冲洗，浪 费时间，而且冲洗的废弃物是危险的化学药品。虽然它的空间分辨率高，但胶片 的线性度不好、对比度范围狭窄，加上人眼的局限型，辨别能力不超过i 0 0 的灰 度级别，既灰度不超过2 7 级，而目前医院检测乳腺癌的设备灰度都要求达到2 1 2 级，因此感光胶片不能满足肿瘤检测等高对比度要求的成像技术。 2 、计算机x 射线摄影( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ) 技术 该技术使用光激励发光物质制成的存储光电子板代替传统的射线胶片，c r 浙江大学硬士学位论文第一章绪论 图像板存储了隐藏的x 射线或y 射线能量的图像。当图像板被激光以特殊的频 率扫描时，光激励发光物质以与曝光量相等的比例释放光线。c r 技术也被称为 电子胶片。c r 的缺点是类似胶片，不能实时，而且需要一个中间步骤，即把隐 藏在板中的信息读取出来，以便显示和解释。另外也和胶片一样，使用条件要求 非常苛刻，不能使用在潮湿的环境中和极端的温度条件下。 1 4 2 数码影像技术 1 、间接式x 射线数码影像技术 近年来众多物理学专家和生物医学仪器专家都注力于数码x 射线成像技术 研究，目前数码x 射线成像技术大部分还是基于间接x 射线数码成像技术。即 将经过被检测物体后的透射x 射线照射到荧光屏上转换成可见光；再通过光学 成像和数码芯片技术将光信号变为电信号，最终利用计算机数字处理技术进行信 号处理和分析。 ( 1 ) 荧光屏图像增强器+ c c d 相机 x 射线先通过f , - 7 烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将x 射线光子变为可见 光图像，而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统，由c c d 采集转换 为图像电信号，如图卜1 所示。 c s i 冀w t 窘j l ：- ，辅f 0舟- ：“p 嘎 图卜1 荧光屏+ c c d 相机构成的间接式x 射线影像技术 图像增强器是在荧光板成像基础上发展起来的一种将x 射线转换为高亮度 可见光的装置，由于荧光板在射线照射后发出的荧光强度低，所以利用光电增强 6 堑垩至兰堡主兰堡垒茎苎二主堡垒 的方法可以得到输出屏上明亮的可见光图像h 1 。该装置使用一个光电子照相阴 极，通过第一个磷屏将发射的x 光粒子转换成可见光光子，经过光阴极板的作用 将可见光转换成电子束，然后将电子束加速到另外一个荧光屏输出。图像增强器 的装置示意图如图卜2 所示嘀： 图1 2 基于图像增感器的x 射线探测器结构 ( 2 ) 线阵扫描探测器+ 采集控制单元 典型的线阵列探测器可以分成如下几个主要部分：晶体、光电二极管阵列、 数据采集系统、控制单元、机械结构、电源、附件、帧采集卡和软件。晶体通过 光纤耦合安装在众多的光电二极管表面并按一定规则排列成为光电二极管阵列。 晶体与光电二极管的尺寸都比较大，一般大于2 5 0 u m 。线阵扫描探测器l d a 成像系 统按照结合方式分为两种： 令l d a 成像系统采集的模拟图像送到采集卡进行a d 转换，再经计算机图像处 理，其工作原理基本与图像增强器相同，但l d a 成像系统的分辨率比起图像 增强器成像系统的分辨率有较大提高。北京金先锋科技推出的l d a 的像素尺 寸为0 9 9 m m 或1 9 5 m m ，单元探测面积为1 9 2 m m 2 或3 9 m m 呻 。 4 - l d a c o m s 射线直接数字成像系统是由l d a 与c m o s 集成电路相结合，利用c m o s 技术将a d 转换，控制单元等集成在同一片芯片，一步完成光电转换、数字 采集的全过程。 目前线阵探测器主要用于计算机断层扫描技术( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 技 术。c t 技术利用x 射线源和l d a 探测器相对位置不断绕人体周围运动，这样每 次x 射线通路上都有不同的像素组合，探测器记录下每次响应的强度值，以测定 x 射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出 人体组织的衰减系数值在某个剖面的二维分布矩阵后，再转为图像上的灰度分 布，从而建立断层解剖图口 。 ( 3 ) 非晶硒层( a - s e ) + 非晶硅( a - s i ) + c m o s 构成的平板探测器 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 由于非晶硒是一种光电导材料，因此经x 射线曝光后直接形成电子一空穴对， 在外加偏压电场的作用下，待电子与空穴朝相反的方向移动形成电流，电流在 t f t 中的电容积分形成贮存电荷，如图1 - 3 所示。由于不需要转换成可见光的中 间步骤，从根本上避免了采用闪烁层的转换方式中可见光的散射导致的图像分辨 率下降的问题。非晶硒平板探测器在乳腺x 光摄影中具有非常明显的优势随3 。非 晶硒做光电导材料时需要在该材料上施加1 0 万伏的高压，导致成像系统庞大。 图1 - 3 非晶硒平板探测器结构示意图 ( 4 ) 气体电离室探测器 气体电离室探测器由许多单元组成阵列，每个单元构成一个像素，大小为 0 5 m m 0 5 m m 。探测器阵列的高压电极与收集平面平行，相距l c m ，其间冲以 特定成分的惰性气体，如氦气。收集极是一组刻蚀在印刷电路板上的金属丝，每 个收集电极丝都南一个放大器相连。当x 射线入射到电离室，引起气体分子电 离，在极间电场的作用下，离子与电子沿电场分别向两电极漂移，同时在外电路 产生与入射x 射线强度成正比的输出信号，按时间顺序读出后就构成图像的一 条扫描线。机械扫描系统使x 射线管和探测器阵列做同步扫描运动，获得图像 的各条扫描线，形成二维的x 射线投影图像。 8 浙江大掌硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 荧光屏+ 光导纤维+ c m o s 图像传感器 x 射线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将x 射线光子变为可见 光图像，而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统，由c m o s 光电二 极管转换为电学图像电信号。淀积在光纤导板上的柱状碘化铯的厚度可以是 卜6 0 0 u m ，因此可以满足不能的应用场合。如口腔牙齿检测，乳腺癌检测，胸透 检测。典型结构如图1 - 4 所示。 图1 - 4 荧光屏+ 光导纤维+ c m o s 图像传感器x 射线传感器结构 相对于非晶硅构成的平板探测器，由于a s i 的延迟时间比较长，对于高速 的应用场合，潜影就成为一个问题，而采用c m o s 则不存在该问题阳1 。 上述的间接式x 射线传感器存在以下主要问题： ( 1 ) 虽然基于成熟的c c d 器件或c m o s 图像芯片技术易进入实用化阶段，但 上述图像芯片是为光学透镜与数码芯片系统设计的，像场几何尺寸太小( 一般 小于1 0 m m ：) ，必须依靠光学透镜系统将闪烁器的大尺寸物场缩小为适当芯片像 素面积的像场，占用较大设备空间，难以实现平板型传感器结构。 ( 2 ) 分立的闪烁器与图像芯片之间采用薄片型光纤导光板耦合，目前只能 组成小尺寸的适合牙科透视的x 射线传感器，但存在分辨率损失和信噪比退化 问题。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，间接型x 射线影像技术主要朝以下两个方面发展： ( 1 ) 像素化荧光屏 美国科学家i s h e s t a k o v a 等人研究了采用激光切割闪烁层形成像素化闪烁 层的方法。利用该方法形成的像素化闪烁层如图卜5 所示，像素尺寸为1 5 u r n n 0 1 。 黉露至篓 ( a )( b ) 图1 - 5 激光切割像素化闪烁屏( a ) 像素化的闪烁层( b ) 闪烁屏剖面图 以色列、乌克兰、瑞典等国的科学家采用深反应离子刻蚀或电化学腐蚀的方 法在4 寸的圆片上制作了矩形孔槽，槽深1 5 0 u m ，长和宽1 5 u m ，槽厚0 2 5 u m ， 然后在槽壁上氧化生长一层提高反射率的二氧化硅层，最后采用熔体法将熔融的 掺铊碘化铯晶体填充到微型槽当中。由于掺铊碘化铯的折射率为1 7 9 ，二氧化 硅的折射率为1 4 6 ，因此大部分的荧光在槽壁发生全反射，相邻的微型槽内荧 光不发生串扰，提高了空间分辨率，已报道的空间分辨率超过2 0 p m m 。线对 毫米。荧光在微型槽的传播如图卜6 所示3 。 图1 - 5 填充硅孔形成的像素化闪烁屏结构示意图 国内在开展这一方面研究的主要有华中科技大学牛憨笨院士领导的小组利 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 用改进后的光助电化学腐蚀系统在8 寸的硅片上形成微型槽然后采用熔体法将 碘化铯填充到微型槽里，槽深为1 5 0 u m ，槽的边长为1 5 u m 。荧光光接收采用4 片 c m o s 图像芯片拼接而成，c m o s 图像芯片跟像素化闪烁屏之间通过2 2 光锥阵列 耦合，整个成像系统的面积达到9 8 5 x 9 8 5 m m 2 。 ( 2 ) 大面积c m o s 图像传感芯片 美国科学家m i c h a e lf a r r i e r 等人采用8 片的c m o s 图像传感器拼接成更大面 积的c m o s 图像传感器。单片c m o s 图像芯片有源区面积为5 c m xl o c m ，包含5 1 2 1 0 2 4 的9 6 u m x 9 6 u m 像素阵列，8 片c m o s 图像芯片拼接成的大面积图像传感器面积 9 7 2 0 c m x 2 0 c m ，拼接的缝隙仅为1 4 4 u m n 刳。比利时赛普拉斯半导体公司在0 3 5 工 艺下通过拼接的办法得到了大面积的c m o s 图像传感器，像素尺寸) 4 0 u m 4 0 u m ，像素阵列) 9 4 2 0 0 3 3 8 4 ，拼接后的传感器面积为1 3 4 c m 1 3 5 c m 1 3 3 。日本 的滨松公司推出了一款名为x m 0 9 d 的产品。该产品为对角线长为1 7 5 c m 的c m o s 平 板探测器，集成了2 4 0 0 2 4 0 0 的像素阵列，光电管尺寸5 0 5 0 u m 2 【1 4 】，该产品 结构如图1 - 6 所示如。 图卜6 大面积c m o sx 射线平板探测器结构 国内在通过拼接技术形成大面积c m o s 图像传感器及单片大面积c m o s 图像传 感器方面还未见报道。 2 、直接式x 射线数码影像技术 区别于间接式x 射线成像技术中信号的采集是用两个子系统通过精密组装来 完成，直接型x 射线成像技术中图像的采集和读取是同一个系统。采用c m o s 传感 器与闪烁层相结合的方式，直接集成片上闪烁层。由于少了可见光经过光学系统 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 这一步骤，减少了可见光的散射，因此可以提高传感器的空间分辨率，同时减少 了设备体积，使得x 射线传感器的携带更为方便。 ( 1 ) c m o s 图像芯片表面生长闪烁层薄膜 通过控制蒸发条件在芯片表面淀积c s i ( t i ) ，从而使得c s i ( t 1 ) 薄膜具有 徼柱状结构。这类微柱状结构具有类似光纤的作用，使得荧光沿着柱状传播，相 邻的柱之间由于在柱壁发生全反射，从而将荧光约束在一根根的柱状结构内，提 高了空间分辨率。相对于采用光纤平板或光学透镜耦合至 j c m o s 或c c d 上的结构而 言，少了中间的耦合物，使得直接型x 射线成像技术成为可能。传感器的单元结 构如图1 - 7 所示n 引。由于受到工艺条件的限制，微柱状结构不是那么理想，有些 柱状会凝结在一起，有些柱状发生断裂，导致柱状结构带来的自隔离的优势消失， 从而降低了空间分辨率。 图1 - 7 闪烁层直接淀积在芯片表面 ( 2 ) 基于体微加工光电二极管的x 射线探测器 在p 4 t 底的硅片上采用氢氧化钾刻蚀出v 型槽，然后离子注入砷形成n + p 衬底 的光电二极管，在n + 的表面热氧化形成一层8 0 n m 左右的s i o 。反射层，最后采用高 压注入的方式把j , c s i ：t 1 薄片压进v 型槽n6 。传感器结构如图卜8 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 x _ a 、s s c i n t i l l a t i n gc d s t a l 图卜8 体微加二光电二极管的x 射线探测器 直接式x 射线数码影像技术的主要发展方向是片上集成与图像芯片像素阵列 同步的像素化闪烁层。闪烁层隔离成与光电二极管大小一致且一一对应的结构， 即与图像阵列同步，我们称之为闪烁层的像素化。非像素化闪烁层由于不同的像 素之间信号的相互干扰，导致空间分辨率受到限制。集成像素化闪烁层的x 射线 影像技术则不存在该问题。闪烁层像素化对荧光的影响如图卜9 所示。 i n c i d e n t x r a y s c i n t i ll a t o r c d , s t a l l i g h t i i l c i d e m x - 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