X射線直接成像的CMOS有源像素圖像傳感器研究.pdf

1、基于數(shù)字圖像傳感器的X射線成像儀，由于成像質(zhì)量良好，能夠?qū)崟r顯示以及數(shù)字化的存儲，如今在醫(yī)學(xué)疾病診斷、工業(yè)無損檢測、交通安全檢查等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是這類用于X射線成像的圖像傳感器需要一個諸如閃爍體或熒光體的X射線到可見光的轉(zhuǎn)換介質(zhì)，從而影響了它的時間和空間分辨率，使得它無法滿足諸如生物醫(yī)學(xué)成像等高分辨率X射線成像領(lǐng)域的要求。
　　 本文在國家自然科學(xué)基金的資助下，參考了國內(nèi)外相關(guān)研究后，提出一種用于X射線直接成像的CMO

2、S有源像素圖像傳感器。這種X射線直接成像的圖像傳感器無需X射線到可見光的轉(zhuǎn)換介質(zhì)，直接感受X射線光子，且采用標準CMOS工藝，可以獲得較高的時間和空間分辨率，以及100％的像元填充率。
　　 論文首先對存在的直接探測X射線的CMOS APS(Active Pixel Sensor)結(jié)構(gòu)進行了分析，并選取了基于非外延硅襯底的CMOS APS結(jié)構(gòu)。然后采用Silvaco TCAD對基于非外延硅襯底的X射線探測元陣列進行了器件建模與仿

3、真，分析了像元中心距、襯底摻雜濃度、N阱深度對像元之間的串擾、電荷收集數(shù)量的影響。其次，對NMOS管和電荷收集二極管進行了抗總電離劑量效應(yīng)的加固設(shè)計。改進了用于像元尋址的移位寄存器，使得其抗SEU的能力提高了約10倍。采用Silvaco TCAD工藝與器件仿真軟件對抗輻射總劑量效應(yīng)的Dog Bone MOS FET版圖結(jié)構(gòu)進行了建模與仿真，擬合得到了等效寬長比的計算公式，設(shè)計的樣管采用CSMC0.5μmDPTM CMOS工藝流片并進行了

4、測試。
　　 最后，對X射線直接成像的CMOS APS的讀出電路和片上集成的時序控制電路進行了設(shè)計。讀出電路由3管結(jié)構(gòu)的像元電路、列共用的相關(guān)雙采樣電路、采樣保持電路和輸出緩沖器組成；采樣保持電路是一種低功耗的電路，它的源隨器僅在采樣期間有電流。時序控制電路采用Cadence Composer原理圖輸入工具進行全定制設(shè)計，并用Spectre模擬仿真器進行仿真驗證。根據(jù)CSMC0.5μm DPTMCMOS工藝規(guī)則，對芯片版圖進行了