CN102401906B

CN102401906B - 辐射探测器及其成像装置、电极结构和获取图像的方法

Info

Publication number: CN102401906B
Application number: CN201010288195.6A
Authority: CN
Inventors: 张岚; 陈志强; 赵自然; 吴万龙; 李元景; 邓智; 郑晓翠
Original assignee: Nuctech Co Ltd
Current assignee: Nuctech Co Ltd
Priority date: 2010-09-19
Filing date: 2010-09-19
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: US20120068078A1; US8785867B2; EP2518530A1; EP2518530A4; US20130009068A1; CN102401906A; WO2012034401A1

Abstract

本申请公开了一种辐射探测器及其成像装置、电极结构和获取图像的方法。该辐射探测器包括辐射敏感薄膜、位于辐射敏感薄膜上的顶部电极、以及与辐射敏感薄膜电耦合的像素单元的阵列，其中每一个像素单元包括；像素电极，用于收集辐射敏感薄膜的一个像素区域中的电荷信号；储存电容，用于储存像素电极所收集的电荷信号；复位晶体管，用于清空储存电容中的电荷；缓冲晶体管，用于将像素电极上的电荷信号转换成电压信号并传送到信号线上；列选通晶体管以及行选通晶体管，其中，列选通晶体管和行选通晶体管串联连接在缓冲晶体管和信号线之间，并响应列选通信号和行选通信号传送相应的像素单元的电压信号。该辐射探测器可用于例如X射线数字成像。

Description

辐射探测器及其成像装置、电极结构和获取图像的方法

技术领域

本发明涉及辐射探测器及其成像装置、电极结构和获取图像的方法，具体地涉及例如X射线数字影像平板探测器及成像装置。

背景技术

在过去，人们利用对辐射敏感的闪烁层将射线转换成光信号，用电视摄像机接收光信号，并经显示屏显示出来，从而实现射线辐射透视时的实时成像。随着技术的发展，CCD的出现使得这一实时成像方式更加优化。CCD在稳定性、集成度、一致性以及高速采集上有着非常优越的性能。但是由于CCD本身的耐辐射损伤问题，这一实时成像方式有着一个不可避免的缺点，那便是需要足够厚度的辐射敏感薄膜或者传输光路的装置，常用的转换、传输装置有影像增强器、透镜、光纤等，这些转换、传输装置在工作流程中位于CCD前面，所引入的不一致、噪声等因素使得CCD的诸多优势无法充分的显现出来，同时也增加了成像系统的复杂程度，降低了系统的可靠性。

从20世纪九十年代开始，从事辐射成像领域的技术人员开始着眼于研究如何在辐射成像探测器上将高速、高图像质量、高集成度、高可靠性、大面积以及操作的简易性等优点结合起来，由此发展出了大面积的数字影像平板探测器。

目前数字影像平板探测器的产品可以实现上千平方厘米级的大面积，几十微米级的空间分辨以及每秒上百帧的读取速度。

数字影像平板探测器的第一种已知技术是采用非晶硅二极管与TFT结合。非晶硅二极管吸收射线，产生电子空穴对，在电场作用下某种极性的带电粒子漂移到TFT像素阵列上，通过TFT的开关扫描依次读取各像素信号。

非晶硅的电离能很低(约5eV)，在射线照射下能够产生大量的电子空穴对，能够在低剂量下仍然得到很好的信噪比。

然而，硅的原子序数很小(Z＝14)，对射线的阻挡能力非常弱，需要很厚的硅层才能将射线有效阻挡，这使得该方法在工艺上不易实现，且成本很高。

数字影像平板探测器的第二种已知技术是用非晶硒薄膜与TFT结合。非晶硒吸收射线，产生电子空穴对，在电场作用下某种极性的带电粒子漂移到TFT像素阵列上，通过TFT的开关扫描依次读取各像素信号。

硒的原子序数为34，非晶硒对射线的阻挡能力相对非晶硅较强，但仍然只适应于探测50KeV以内的射线，这限制了非晶硒平板探测器的主要应用领域为低能量领域(如乳腺成像)。

非晶硒的电离能随所加场强以及入射的射线能量变化而改变，在医学诊断常用的场强以及射线能量区域，其电离能约为50eV，由此限制了射线的最低剂量以及输出的信号幅度。

另外，非晶硒温度稳定性差，易潮解和晶化，使用寿命不如其他结构的平板探测器。

数字影像平板探测器的第三种已知技术是采用闪烁体与光电二极管以及TFT结合。闪烁体将射线转换成光信号，光电二极管接收光信号，转换为电信号，再通过TFT的开关扫描依次读取各像素信号。

闪烁体可以吸收射线能量并发射出一定波长范围的可见光子，发射出的光子数与吸收的能量成正比。闪烁体材料的原子序数一般比较高，对射线吸收能力较强。闪烁体可以是荧光薄膜材料(比如某些稀土材料)或者是闪烁晶体(比如碘化铯、钨酸镉等)。

碘化铯晶体的原子序数比非晶硅和非晶硒都大，对射线有很好的阻挡、吸收能力；同时掺杂铊的碘化铯晶体发射光谱峰位为565nm，与非晶硅光电二极管的吸收光谱峰位基本吻合，两者的结合在同种类型产品中具有最高的量子效率。这些优点使得目前数字影像平板探测器中最常见的都是由碘化铯晶体与硅光电二极管以及TFT结合的结构。

当闪烁体为均匀薄膜材料时，为了增大可探测的能量范围以及探测效率，需要增加薄膜的厚度，而随着薄膜厚度的增加，可见光子的散射对探测器空间分辨率的影响会增大。当闪烁体为碘化铯晶体时，可以通过将晶体生长为高密度针状阵列(10-20μm尺寸的针管)，以抑制光子的散射。

然而，随着碘化铯薄膜厚度的增加，针管深宽比增大，管内光子的收集效率会大大降低，从而降低了探测器的量子效率。同时由于针管与光电二极管之间的尺寸配合问题，这种类型的探测器死区所占的比例会偏大。

闪烁体内每产生一个可见光子需要约20-50eV的能量，再考虑光电二极管对可见光波段的量子效率，这种结构的探测器每产生一对电子空穴对需要约100eV甚至更多的能量，这个性能决定了采用闪烁体作为辐射敏感薄膜会得到较差的信噪比。

数字影像平板探测器的第四种已知技术是采用闪烁体与CMOS结合。可以将闪烁体直接覆盖在CMOS上，也可以通过两端直径不一样的光纤将大面积的闪烁体与小面积的CMOS结合。

采用CMOS工艺取代传统的硅工艺，能够更大程度的提高系统的集成度，探测器的空间分辨率、占空比、采集速度等都有很大的提高，每个像素单元都集成了独立的电荷-电压转化电路和放大电路，能够获得更好的信噪比。

然而，受到CMOS工艺的限制，这种类型的平板探测器不易在较低的成本下得到大的灵敏面积，但在小面积探测领域，比如牙科CT、小动物CT等，其优势是非常明显的。

综上所述，在现有技术的数字影像平板探测器中，考虑动态范围(可探测的能量范围)、探测效率、信噪比、空间分辨等因素，主要的射线转换方式是使用高密度针状的碘化铯闪烁体，将射线先转换为可见光子，再通过光电二极管将可见光子转换为电信号。

电信号的读取主要采用TFT读取或者CMOS读取，根据实际需要的面积、空间分辨率、采集速度、集成度、成本等因素进行选择TFT和CMOS之一。

发明内容

本发明提出一种结构简单、高量子效率的数字影像平板探测器及成像装置，其中不必使用闪烁体和光电转换器件。

根据本发明的一方面，提供一种辐射探测器，包括辐射敏感薄膜、位于辐射敏感薄膜上的顶部电极、以及与辐射敏感薄膜电耦合的像素单元的阵列，其中每一个像素单元包括；像素电极，用于收集辐射敏感薄膜的一个像素区域中的电荷信号；储存电容，与像素电极连接，用于储存像素电极所收集的电荷信号；复位晶体管，与像素电极连接，用于清空储存电容中的电荷；缓冲晶体管，与像素电极连接，用于将像素电极上的电荷信号转换成电压信号并传送到信号线上；列选通晶体管，用于选择预定列的像素电极；以及行选通晶体管，用于选择预定行的像素电极，其中，列选通晶体管和行选通晶体管串联连接在缓冲晶体管和信号线之间，并响应列选通信号和行选通信号传送相应的像素单元的电压信号。

根据本发明的又一方面，提供一种数字成像装置，包括：辐射源，产生辐射；前述的辐射探测器，检测穿过被测物体后的辐射剂量；数据获取系统，将辐射探测器输出的模拟信号转换成数字信号；图像处理器，将数字信号处理成图像。

根据本发明的又一方面，提供一种用于辐射探测器的电极结构，包括：像素电极；以及网格状的导向电极，围绕至少一个像素电极，并且像素电极与导向电极彼此电绝缘。

根据本发明的又一方面，提供一种利用前述的辐射探测器获取图像的方法，包括以下步骤：

a)向各列像素单元施加复位信号，使得所有像素单元复位；

b)所有像素单元的复位晶体管、列选通晶体管、行选通晶体管截止，像素电极收集电荷信号，积累在储存电容上；

c)达到预定的积分时间后，向第一列像素单元施加列选通信号，然后依次向该列的相应的像素单元施加行选通信号，使得相应的像素单元的列选通晶体管和行选通晶体管导通，从而逐个地读取第一列像素单元的像素电极的电位，作为传感信号；

d)第一列像素单元的列选通晶体管和行选通晶体管截止，并向第一列施加复位信号，使得第一列像素单元的复位晶体管导通，即第一列像素单元复位；

e)第一列像素单元的复位晶体管截止，向第一列像素单元施加列选通信号，然后依次向该列的相应的像素单元施加行选通信号，使得相应的像素单元的列选通晶体管和行选通晶体管导通，从而逐个地读取第一列像素单元的像素电极的电位，作为背景信号；

f)重复步骤c)至e)，针对其他列，逐像素地读取像素电极上收集的电荷信号。

g)在所有像素读取完毕后，经过数据处理获得一帧图像。

本发明提出的探测器及其成像装置一方面在保证探测效率、探测能量范围、信噪比以及空间分辨率的前提下，利用辐射敏感薄膜(如碘化汞薄膜)直接将射线转换为电信号，去掉了把射线转换为可见光子再由可见光子转化为电信号的步骤，简化了探测器的结构，减少了中间过程有效信号的损失，提高了探测器的量子效率。而且，没有闪烁体的余晖问题，探测器对辐照剂量的变化会更加敏感，扫描速度可以进一步提高。

另一方面，通过包含四个晶体管(4T)的像素单元，实现电信号的采集、输出和数据处理，并可以实现为TFT像素阵列、CMOS像素阵列、电路板和信号处理IC。这提高了系统的集成度，使之在性能指标上更加优越，与实际应用领域更加适应。

由于4T像素单元直接输出电压信号，可以减少外电路对模拟信号的干扰，提高系统的信噪比，同时降低后继ASIC设计的复杂程度，提高设备的可靠性。

利用包含4T像素单元的CMOS像素阵列或TFT像素阵列，提高系统的集成度，以满足小区域内更高空间分辨的要求。

利用包含4T像素单元的信号处理IC，与电路板一起形成像素阵列，将某一区域的像素电极引至一个信号处理IC收集电信号并进行处理，可以减小信号处理IC的设计规模，最大程度地降低成本。

在像素之间或者像素区域之间以及像素阵列外围设置一定结构的网格状的导向电极，可以收集探测器表面漏电流，降低探测器的噪声。同时，使得导向电极电位与像素电极电位略有不同(收集电子时导向电极电位略低于像素电极，收集空穴时导向电极电位略高于像素电极)，导向电极与像素电极之间存在弱电场，可以有效的防止电荷堆积，提高电荷收集率，减少探测器的死区，减轻探测器的极化效应。进一步优化了探测器的性能。

附图说明

图1a至1c分别示出了根据现有技术的三种数字影像平板探测器的示意性结构。

图2a至2b分别示出了根据现有技术的两种数字成像装置的示意性结构。

图3a至3b示出了根据现有技术的数字影像平板探测器的更详细的结构。

图4示出了根据现有技术的数字影像平板探测器的TFT像素阵列。

图5示出了根据本发明的数字影像平板探测器的像素阵列。

图6示出了根据现有技术的数字影像平板探测器中的像素电极的俯视图。

图7示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的像素电极的俯视图。

图8a和8b分别示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的像素电极的截面图。

图9a和9b分别示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的像素电极的截面图。

具体实施方式

以下参照附图，更加详细地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。但是本发明可以采用多种不同的形式具体实现，而不应该认为本发明仅限于在此提出的实施例。

图1a至1c分别示出了根据现有技术的三种数字影像平板探测器。碘化汞(HgI₂)薄膜1是连续的薄膜或者图案化成与像素电极相对应的分立像素区域，分别利用CMOS像素阵列2、TFT像素阵列3和电路板(PCB)6的电极阵列提供数字影像的像素单元。通过探测器获得的像素信号经由电缆8传送至图像处理器9(例如计算机)，形成数字影像，并在显示器上进行显示。

如图1a所示，碘化汞薄膜1位于CMOS像素阵列2上方，例如通过蒸镀直接在CMOS像素阵列2的顶部形成，作为集成电路的一部分。利用CMOS像素阵列2实现对碘化汞薄膜1中的每一个像素区域的访问。

如图1b所示，碘化汞薄膜1位于TFT像素阵列3上方，例如通过蒸镀直接在TFT像素阵列3的顶部形成，作为集成电路的一部分。经由电极4和5实现对碘化汞薄膜1中的每一个像素区域的访问。

如图1c所示，碘化汞薄膜1位于电路板6的一面，在电路板的另一面提供信号处理IC 7，经由电路板上的布线和过孔连接碘化汞薄膜1和信号处理IC 7。进一步地，信号处理IC 7连接至图像处理器9。利用电路板上形成的电极阵列(未示出)实现对碘化汞薄膜1中的每一个像素区域的访问。

碘化汞的原子序数比碘化铯要高，密度比碘化铯大，对射线的阻挡能力更强，用来作为射线的辐射敏感薄膜可以得到更高的探测效率。同样的辐射敏感薄膜厚度下，碘化汞探测器能探测到的射线能量也更高(动态范围上限)。同时由于其原子序数高，500KeV范围内的光子与碘化汞的相互作用主要为光电效应，发生康普顿散射的比例很小，在一定电场作用下，这么短的迁移距离里，载流子的横向偏移可以忽略不计，射线与物质相互作用的位置信息可以得到更精确的测量。

由于碘化汞是半导体材料，其电离能与非晶硅在同一数量级(＜10eV)，其得到一个电子空穴对所需的射线能量远小于碘化铯或者非晶硒，在同样能量/剂量的射线照射下，产生的电子空穴对数量与非晶硅在同一数量级，远多于碘化铯或者非晶硒。碘化汞禁带宽度约为硅的2倍，同时电阻率可达10¹⁴Ω.cm，因此其室温下的漏电流非常小，噪声性能远优于硅光二极管，因此采用碘化汞作为辐射敏感薄膜可以得到更好的信噪比，能够测量到更低能量的射线(动态范围下限)。

本发明人认识到，在相同的辐照剂量下，采用碘化汞作为辐射敏感薄膜可以得到更优的图像质量。

可以采用真空物理气相沉积、溅射、喷涂、热压、丝印等方法，在像素阵列上覆盖碘化汞薄膜。

然而，根据实际应用领域(例如射线能量、探测效率、工艺要求等)，可以用碘化铅(PbI₂)、碲锌镉(CdZnTe)、碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)、溴化铊(T1Br)、磷化铟(InP)、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、砷化铟(InAs)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、碲化铅(PbTe)、硒化汞(HgSe)等其他半导体材料来代替碘化汞。

此外，正如在现有技术中已知的那样，根据实际需要的面积、空间分辨率、采集速度、集成度、成本等因素选择TFT和CMOS之一。例如，在小面积成像领域(牙科)，CMOS是最优选的。

此外，在对空间分辨率的要求不高的情形下，甚至可以用电路板(PCB)来代替TFT阵列。

在图2a中示出了根据现有技术的平面成像的数字成像装置的示意性结构。来自辐射源200的辐射穿过被测物体300，然后到达探测器100。探测器100包括二维的像素阵列，这可以是一个整体的二维的像素阵列，也可以由多个一维或二维的像素阵列拼接而成。每一个像素信号与像素区域的辐射剂量相关，然后经过后继数据获取系统(DAQ)400转换成数字信号，传送至图像处理器900。

在图2b中示出了利用线性扫描成像的数字成像装置。来自点状辐射源200的辐射经由准直器201整形为线状的辐射束，然后穿过被测物体300，到达探测器100，然后经过后继数据获取系统(DAQ)400转换成数字信号，传送至图像处理器900。

与图2a所示的数字成像装置不同，图2b中的数字成像利用被测物体300相对于辐射源200、准直器201和探测器100的相对移动，对被测物体300进行线性扫描，以形成在扫描方向上扩展的二维的数字图像。

例如辐射源200、准直器201和探测器100沿扫描方向同步地移动，而被测物体300固定。替代地，辐射源200、准直器201和探测器100均固定，而仅仅被测物体300沿扫描方向移动。

结果，该数字成像装置可以利用较小尺寸的探测器100对较大尺寸的被测物体300进行平面成像，从而降低了数字成像装置的制造成本。

参见图3a，探测器100包括像素阵列110，位于像素阵列110上方的碘化汞薄膜101、位于碘化汞薄膜101上的顶部电极111、包围碘化汞薄膜101和顶部电极111的保护层112、以及包围保护层的外壳113。像素阵列110可以是TFT阵列、CMOS阵列或电路板。

顶部电极111可以是金属钯(Pd)、氧化铟锡合金(ITO)、碳膜、氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、钨钛(TiW)，以及其它的不与碘化汞发生反应的合适的导电材料。保护层112是稳定的防潮防静电的绝缘材料，与碘化汞不发生化学反应，可以是硅橡胶，树脂材料，也可以是其他的热塑性材料(如聚对二甲苯)。外壳113是绝缘、遮光、防静电材料。

辐射可以穿过外壳113、保护层112和顶部电极111到达碘化汞薄膜101。辐射与碘化汞薄膜的相互作用产生电子空穴对，在电场作用下分别向像素阵列110和顶部电极111漂移，并直接由电极收集，由信号处理电路进行处理。

在图3b所示的探测器100的变型中，进一步包括位于碘化汞薄膜101和像素阵列110之间的第一中间保护层114以及位于碘化汞薄膜101和顶部电极111之间的第二中间保护层115，以实现探测器的长期稳定性。第一中间保护层114、第二中间保护层115由电介质形成，可以与前述的保护层112的材料相同或不同。

对于图3a和图3b所示的探测器100，优选的，通过周期性地(例如在每帧或每多帧信号之间)对像素区域施加反向电场，中和碘化汞薄膜101中的残留电荷，使得探测器100可以长期稳定的工作。

图4示出了根据现有技术的数字影像平板探测器中的传感器部件的TFT像素阵列。每个像素单元由一个像素电极311、一个晶体管Q10和一个储存电容C1组成。晶体管Q10的漏极与像素电极311相连，像素电极311经由储存电容C1接地。

像素电极311与碘化汞薄膜的一个像素区域电连接，用于收集电荷信号。如上所述，碘化汞薄膜作为辐射敏感薄膜，在经受辐射时沉积射线能量，产生电荷信号，然后由像素电极311收集。

储存电容C1用于储存电荷。当晶体管Q10截止时，经由像素电极311收集的电荷储存在储存电容C1中。当晶体管Q10导通时，可以读取储存电容C1中的电荷信号Signal。

晶体管Q1的栅极连接到外部的控制信号V_Gate，而源极连接到读取电路(例如积分放大电路)。控制信号V_Gate可由可编程逻辑芯片提供，按照以下的方式实现有关的逻辑控制：

a)在晶体管Q10截止时，像素电极311收集电荷信号，积累在储存电容C1上；

b)达到预定的积分时间后，向第一列像素单元施加选通信号V_Gate，第一列晶体管Q10导通，第一列各单元的储存电容C1放电，从而读取电荷信号；

c)重复步骤b)，针对其他列，逐列读取像素电极上收集的电荷信号。

d)所有列读取完毕后，经过数据处理可以获得一帧图像。

通常由于第一帧图像内各列积分时间不一致，第一帧图像数据舍弃，以后各帧图像均为有效数据。

图5示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的传感器部件的像素阵列。每个像素单元包括像素电极311、四个晶体管(Q21、Q22、Q23、Q24)和储存电容C1。

像素电极311与碘化汞薄膜的一个像素区域电耦合，用于收集电荷信号。如上所述，碘化汞薄膜作为辐射敏感薄膜，在经受辐射时沉积射线能量，产生电荷信号，然后由像素电极311收集。

储存电容C1用于储存电荷。当电荷在储存电容C1上积累时，像素电极311的电位会发生变化。电位的变化量与累计的电荷量成正比，即与像素区域中沉积的射线能量成正比。

晶体管Q21用于复位，其栅极与复位控制信号(V_Reset)相连。当晶体管Q21导通时，储存电容C1上积累的电荷被清空，像素电极311恢复到固定的初始电平V₁，探测器恢复初始状态。

晶体管Q22用于缓冲，以驱动后继的电路，其栅极与像素电极311相连。在漏极上施加固定的偏置电平V₂，使得晶体管Q22工作于跟随状态。由于Q22在工作过程中无状态变化，因此，固定的电平V₂始终施加到晶体管Q22的漏极上。

晶体管Q23用于列选通，其栅极与列选通信号(V_Col)相连，控制读取的顺序和每列的积分时间以及读取时间；晶体管Q24用于行选通，其栅极与行选通信号(V_Row)相连，用来选择需要输出的行。

晶体管Q23和24串联连接。如果同时选通晶体管Q23和Q24时，则储存电容中储存的电荷信号依次经由像素电极311、缓冲晶体管Q21、列选通晶体管Q23、行选通晶体管Q24传送到信号线Signal上，使得可以读取对应的像素单元的像素电极311的电位。

同一列像素单元的晶体管Q21的栅极连接到同一个复位信号(V_Reset)上；同一列像素单元的晶体管Q23的栅极连接到同一个列选通信号(V_Col)上；同一行像素单元的晶体管Q24的栅极连接到同一个行选通信号(V_Row)上；同一行像素单元的晶体管Q24的源极连接到同一路后继电路(例如，多路开关、电平转换或者ADC)。

通过测量复位前(传感信号)和复位后(背景信号)像素电极311电位的变化量，可以计算出在该像素区域内沉积的射线的能量，从而得到该像素的图像信息。

该读取方法输出的是电压值，与传统的晶体管读取方式相比，抗干扰能力会更强，同时数据处理电路会更简单。

按照以下的方式实现有关的逻辑控制：

a)向各列像素单元施加复位信号V_Reset，使得所有像素单元复位；

b)所有像素单元的晶体管Q21、Q23、Q24截止，像素电极311收集电荷信号，积累在储存电容C1上；

c)达到预定的积分时间后，向第一列像素单元施加列选通信号V_Col，然后依次向该列的相应的像素单元施加行选通信号V_Row，使得相应的像素单元的晶体管Q23、Q24导通，从而逐个地读取第一列像素单元的像素电极311的电位，作为传感信号；

d)第一列像素单元的晶体管Q23、Q24截止，并向第一列施加复位信号V_Reset，使得第一列像素单元的晶体管Q21导通，即第一列像素单元复位；

e)第一列像素单元的晶体管Q21截止，向第一列像素单元施加列选通信号V_Col，然后依次向该列的相应的像素单元施加行选通信号V_Row，使得相应的像素单元的晶体管Q23、Q24导通，从而逐个地读取第一列像素单元的像素电极311的电位，作为背景信号；

g)在所有像素读取完毕后，经过一定的数据处理(例如，从传感信号中减去背景信号)，可以获得一帧图像。

在步骤a)至g)期间，可以向辐射敏感薄膜上的顶部电极施加恒定的偏压，使得辐射探测器灵敏区内形成足够强度的收集电场。在像素区域中产生的电荷信号由电子产生时，该偏压为负偏压。在像素区域中产生的电荷信号由空穴产生时，该偏压为正偏压。

根据探测器的极化程度和残留电荷量，在每帧或每数帧图像之间，进一步包括周期性改变顶部电极的偏压极性(反向偏压)，在探测器灵敏区内形成方向相反的电场，以消除探测器在工作过程中的极化现象，中和残留电荷。

本发明的数字影像平板探测器的像素单元为4T结构(即，包括四个晶体管)，相对于图4所示的现有技术的数字影像平板探测器(其中，像素单元为1T结构)，本发明的数字影像平板探测器既可以逐列读取信号，也可以逐个像素读取信号。

而且，当被测物体面积很小时，可以选择性地仅对被测物体相对应的像素区域读取信号，以减小探测器的有效成像面积，从而减小数据的冗余，提高数据处理的速度。

在探测器出现坏点的时候，可以通过行选通和列选通功能屏蔽该坏点。特别是某些情况下坏点会输出较大电压，对后继的电路影响很大，通过行选通功能将坏点与后继电路断开，既不影响后继电路，也不影响周边任何像素。

图5所示的像素阵列可以实现为图1a所示的CMOS像素阵列2、图1b所示的TFT像素阵列3以及图1c所示的电路板6与信号处理IC 7的组合中的任一实例。进一步地，由此构成的探测器可以用于图2a所示的平面成像的数字成像装置以及图2b所示的线性扫描的数字成像装置中的任一实例。

图6示出了根据现有技术的数字影像平板探测器中的像素电极的俯视图。例如在电路板210上形成像素电极311的阵列。每一个像素电极311作为图5所示的一个像素单元的一部分，并且电耦合至碘化汞薄膜的一个像素区域。各个像素电极311之间电绝缘。

图7示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的像素电极的俯视图。与图6所示的像素电极不同，图7所示的电极结构包括像素电极311和在每一个像素电极311周围的网格状的导向电极314。各个像素电极311之间、以及像素电极311与导向电极314之间电绝缘。

图8a示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的像素电极的截面图。在衬底211上方面的有源层212中形成了CMOS像素阵列或TFT像素阵列中的每一个像素单元的晶体管。层间绝缘层213位于像素电极311、导向电极314和有源层212之间。像素电极311和导向电极314经由层间绝缘层213中的通道(via)(未示出)与有源层212中的晶体管电连接。

像素电极311和导向电极314可以由相同或不同的金属层形成。通常，二者位于同一平面上并由相同的金属层形成。

图8b示出了上述像素电极的变型，其中网格状的导向电极314的每个网格包括至少两个像素电极311。

图9a示出了根据本发明的数字影像平板探测器中的像素电极的截面图。在电路板214的一面上形成了像素电极311和导向电极314，在电路板的另一面提供信号处理IC(未示出)，经由电路板上的布线和过孔将像素电极311和导向电极314连接至信号处理IC。

信号处理IC包含像素单元中的晶体管Q21-24和储存电容C1。

图9b示出了上述像素电极的变型，其中网格状的导向电极314的每个网格状包括至少两个像素电极311。

应当注意，像素电极311的形状不限于矩形，还可以是圆形、菱形、六边形等。

图7至9所示的电极结构可以实现为图1a所示的CMOS像素阵列2、图1b所示的TFT像素阵列3以及图1c所示的电路板中任一实例中的像素电极。进一步地，由此构成的探测器可以用于图2a所示的平面成像的数字成像装置以及图2b所示的线性扫描的数字成像装置中的任一实例。

已经知道，大面积的平板探测器存在着严重的表面漏电流。在本发明的探测器中，采用了包围每一个像素电极311的网格状的导向电极314，可以有效地收集探测器表面的漏电流，减小漏电流对像素电极311的影响，降低探测器的噪声。

优选地，导向电极314的电位与像素电极311的电位略有不同(收集电子时导向电极314的电位略低于像素电极311，收集空穴时导向电极314的电位略高于像素电极311)，从而在导向电极314与像素电极311之间存在弱电场。导向电极314能够有效地防止电荷在像素之间没有电极的空白地带堆积，并进而防止堆积的电荷产生的电场削弱外加的电荷收集电场强度，减少探测器的死区，以及减轻探测器的极化效应。

更优选地，向导向电极314施加的偏置电位为每一个像素区域提供了成形电场，进一步提高电荷的收集效率。通过改变像素电极和导向电极的形状，可以获得理想形状的成形电场。例如，像素电极的形状可以选自圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。优选地，像素电极的形状为方形。网格状导电电极的网格形状与像素电极的形状大致相同。

在上文中已描述了若干实施例，本领域的技术人员将认识到，在不偏离本发明的权利要求的精神的情况下，可以使用各种不同的变型、替代的结构以及等同物。因此，上面的描述不应用来限制本发明的范围。

Claims

1.一种辐射探测器，包括辐射敏感薄膜、位于辐射敏感薄膜上的顶部电极、以及与辐射敏感薄膜电耦合的像素单元的阵列，其中每一个像素单元包括;

像素电极，用于收集辐射敏感薄膜的一个像素区域中的电荷信号;

储存电容，与像素电极连接，用于储存像素电极所收集的电荷信号;

复位晶体管，与像素电极连接，用于清空储存电容中的电荷;

缓冲晶体管，与像素电极连接，用于将像素电极上的电荷信号转换成电压信号并传送到信号线上;

列选通晶体管，用于选择预定列的像素电极;以及

行选通晶体管，用于选择预定行的像素电极，

其中，列选通晶体管和行选通晶体管串联连接在缓冲晶体管和信号线之间，并响应列选通信号和行选通信号传送相应的像素单元的电压信号。

2.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中所述辐射敏感薄膜由选自碘化汞、碘化铅、碲锌镉、碲化镉、砷化镓、溴化铊、磷化铟、硒化镉、硫化镉、砷化铟、硫化铅、锑化铟、硫化铅、硒化汞构成的组中的一种材料形成。

3.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中所述辐射敏感薄膜是图案化的，包括与每一个像素电极相对应的像素区域，并且像素区域彼此电绝缘。

4.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中所述复位晶体管响应复位信号而将像素电极连接到固定的初始电平上。

5.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中所述缓冲晶体管的栅极与像素电极连接，漏极与固定的偏置电平连接，以及源极与列选通晶体管连接。

6.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中辐射探测器由集成有辐射敏感薄膜的单片CMOS集成电路构成。

7.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中辐射探测器由集成有辐射敏感薄膜的单片TFT集成电路构成。

8.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中辐射敏感薄膜和像素电极位于电路板的一面上，储存电容、复位晶体管、缓冲晶体管、列选通晶体管和行选通晶体管的至少一部分集成在集成电路中，并且所述集成电路安装在电路板的另一面上。

9.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中像素电极的形状选自圆形、椭圆形、多边形中的一种。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的辐射探测器，还包括围绕至少一个像素电极的网格状的导问电极，其中像素电极与导问电极彼此电绝缘。

11.根据权利要求10所述的辐射探测器，其中网格状的导问电极的网格形状与像素电极的形状相同。

12.根据权利要求1所述的辐射探测器，进一步包括包围辐射敏感薄膜和顶部电极的保护层、以及包围保护层的外壳。

13.根据权利要求12所述的辐射探测器，进一步包括位于辐射敏感薄膜和像素单元的阵列之间的第一中间保护层以及位于辐射敏感薄膜和顶部电极之间的第二中间保护层。

14.根据权利要求1所述的辐射探测器，采用真空物理气相沉积、溅射、喷涂、热压、丝印方法，在像素单元的阵列上覆盖辐射敏感薄膜。

15.一种数字成像装置，包括:

辐射源，产生辐射;

根据前述任意一项权利要求所述的辐射探测器，用于检测穿过被测物体后的辐射剂量;

数据获取系统，将辐射探测器输出的模拟信号转换成数字信号;

图像处理器，将数字信号处理成图像。

16.根据权利要求15所述的数字成像装置，还包括准直器，其中辐射源、准直器和探测器相对于被测物体移动，从而对被测物体进行线性扫描。

17.根据权利要求16所述的数字成像装置，其中所述辐射源、准直器和探测器沿扫描方向同步地移动。

18.一种利用权利要求1至14中任一项所述的辐射探测器获取图像的方法，包括以下步骤:

a)向各列像素单元施加复位信号，使得所有像素单元复位;

b)所有像素单元的复位晶体管、列选通晶体管、行选通晶体管截止，像素电极收集电荷信号，积累在储存电容上;

c)达到预定的积分时间后，向第一列像素单元施加列选通信号，然后依次向该列的相应的像素单元施加行选通信号，使得相应的像素单元的列选通晶体管和行选通晶体管导通，从而逐个地读取第一列像素单元的像素电极的电位，作为传感信号;

d)第一列像素单元的列选通晶体管和行选通晶体管截止，并向第一列施加复位信号，使得第一列像素单元的复位晶体管导通，即第一列像素单元复位;

e)第一列像素单元的复位晶体管截止，向第一列像素单元施加列选通信号，然后依次向该列的相应的像素单元施加行选通信号，使得相应的像素单元的列选通晶体管和行选通晶体管导通，从而逐个地读取第一列像素单元的像素电极的电位，作为背景信号;

f)重复步骤c)至e)，针对其他列，逐像素地读取像素电极上收集的电荷信号;

g)在所有像素读取完毕后，经过数据处理获得一帧图像。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述步骤g)包括从传感信号中减去背景信号。

20.根据权利要求18所述的方法，其中在步骤a)至g)期间，向辐射敏感薄膜上的顶部电极施加恒定的第一偏压，使得辐射探测器灵敏区内形成足够强度的收集电场。

21.根据权利要求20所述的方法，其中在像素区域中产生的电荷信号由电子产生时，第一偏压为负偏压。

22.根据权利要求20所述的方法，其中在像素区域中产生的电荷信号由空穴产生时，第一偏压为正偏压。

23.根据权利要求18至22任一项所述的方法，其中重复步骤c)至g），以获取连续的多帧图像。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括在每帧或每数帧图像之间，向辐射敏感薄膜上的顶部电极施加恒定的第二偏压，以消除探测器在工作过程中的极化现象，第二偏压与第一偏压极性相反。