集成片上闪烁层CMOS X射线阵列传感器研究

研究集成片上闪烁层的CMOS X射线阵列传感器，通过片上集成闪烁层直接将X射线信号转变为荧光信号，再由CMOS光电电路转变为电信号。该传感器的有源光敏二极管阵列由双结深PN结新结构并联组成，拓宽了光谱响应范围，更适合于检测X射线激发的荧光光谱，提高了传感器像素的量子效率。传感器单元集成有与其间距一致的碘化铯（CsI）闪烁层，下部由SU-8胶形成侧墙进行光隔离，上部采用网格刻蚀形成独立岛结构，使各闪烁层岛间具有良好的抗萤光弥散性，提高了传感器的分辨率。传感器阵列电路拓扑结构设计中采用超大面积（LVA）IC芯片双边贴装的设计规则，提高了该研究的应用价值。并将研究集成片上闪烁层的荧光特性和双结深PN结光电二极管的光谱响应特性及动态范围等器件物理机理。本项目在直接型X射线阵列传感器的器件新结构及机理研究、多种信息量转换集成传感技术方面有创新之处，在超大面积X射线传感器研究有取得进展的可行性。

数字化的X射线图像传感器是CMOS 图像芯片领域中向纵深发展的一个热点研究方向；本项目研究了具有片上闪烁层的CMOS X射线阵列传感器，它通过芯片上贴装式集成的闪烁层直接将X射线转变为荧光，再由CMOS光电二极管阵列和读出电路转变为电信号。本项目的研究为数字化CMOS X射线图像芯片传感器的研究做了有益预研，也为分立式的X射线半导体传感器集成化研究提供了有参考价值的研究方法。.本项目研究了与CMOS 工艺兼容的优化结构的P+/Nwell/Psub 双结深光电二极管阵列；它具有极低的暗电流并在低照度下有高的光电流特性和良好的线性度；并具有与碘化铯（含铊）晶体闪烁层受X射线激发的荧光谱一致的光谱响应，适合于X射线传感器中应用，提高了该传感器像素的量子效率。.本项目研究了一种采用高精度电流镜ADL5315和低漏电流模拟多路选择器MAX338和微控制器ATmega8组成的36通道微弱电流快速采集系统，实现了极低漏电流的双结深光电二极管阵列的测量问题。.本项目研究了新型像素化碘化铯(含铊)闪烁层的设计和一体化的集成工艺。提出了SU-8胶隔离墙岛型结构闪烁层结构和带像素化铬吸收层的碘化铯(含铊)晶体片闪烁层结构。这些新结构片上闪烁层减少了荧光传播过程中的散射损耗从而提高了传感器的分辨率。.本项目重点研究了优化结构双结深光电二极管像素阵列和CTIA像素电路结构的0.5μm CMOS X射线传感器集成电路。该电路由低暗电流，高灵敏度和光谱（与闪烁层受激英光谱）一致性好的8×8光电二极管阵列以及对微弱荧光探测灵敏度高的CTIA像素结构电路，数字行扫描电路，相关二次采样电路，输出缓冲电路组成。经流片测试该电路有较高的转换增益和较宽的输出电压范围，对弱光的灵敏度高达2243V/lux•s，主要性能指标如下表所示，处于国内同类研究的先进水平。..像素尺寸 .100x100um2 .填充因子.81% .暗电流.8.5pA/pixel .转换增益.16 uV/e- .动态范围.71dB .输出范围.4.2V . 可见光灵敏度.1667 V/lux•S .最低可探测光照 .0.065lux .X射线灵敏度.0.21V•m2/W ..本项目的研究为X射线CMOS图像芯片设计和研制提供了有益的参考价值。