[go: up one dir, main page]

PT103370A - Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização - Google Patents

Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização Download PDF

Info

Publication number
PT103370A
PT103370A PT103370A PT10337005A PT103370A PT 103370 A PT103370 A PT 103370A PT 103370 A PT103370 A PT 103370A PT 10337005 A PT10337005 A PT 10337005A PT 103370 A PT103370 A PT 103370A
Authority
PT
Portugal
Prior art keywords
high energy
radiation
energy radiation
digital
particle
Prior art date
Application number
PT103370A
Other languages
English (en)
Other versions
PT103370B (pt
Inventor
Da Rocha Jose Gerardo Vieira
Original Assignee
Univ Do Minho
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Do Minho filed Critical Univ Do Minho
Priority to PT103370A priority Critical patent/PT103370B/pt
Priority to EP06809298A priority patent/EP1963885A2/en
Priority to PCT/IB2006/053268 priority patent/WO2007046010A2/en
Priority to US12/090,917 priority patent/US20090146070A1/en
Publication of PT103370A publication Critical patent/PT103370A/pt
Publication of PT103370B publication Critical patent/PT103370B/pt

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10Integrated devices
    • H10F39/12Image sensors
    • H10F39/18Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
    • H10F39/189X-ray, gamma-ray or corpuscular radiation imagers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/20Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20183Arrangements for preventing or correcting crosstalk, e.g. optical or electrical arrangements for correcting crosstalk
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/20Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20184Detector read-out circuitry, e.g. for clearing of traps, compensating for traps or compensating for direct hits
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/20Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20187Position of the scintillator with respect to the photodiode, e.g. photodiode surrounding the crystal, the crystal surrounding the photodiode, shape or size of the scintillator
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/30Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming X-rays into image signals
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/65Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to reset noise, e.g. KTC noise related to CMOS structures by techniques other than CDS
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/011Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12
    • H10F39/014Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12 of CMOS image sensors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80Constructional details of image sensors
    • H10F39/806Optical elements or arrangements associated with the image sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

O PRESENTE INVENTO REFERE-SE A UM DETECTOR DE RADIAÇÃO OU DE PARTÍCULAS DE ALTA ENERGIA, QUE PODE SER UTILIZADO NA OBTENÇÃO DE IMAGENS RADIOGRÁFICAS DIGITAIS. O DETECTOR É COMPOSTO POR DUAS PARTES: UMA MATRIZ DE CINTILADORES (30) EMBEBIDOS EM PAREDES FABRICADAS A PARTIR DE UM MATERIAL REFLECTOR (10), E UMA MATRIZ DE ELEMENTOS DE IMAGEM (PIXELS), EM QUE CADA UM É CONSTITUÍDO POR UM FOTODETECTOR(21) E UM CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL. AS PAREDES FABRICADAS A PARTIR DO MATERIAL REFLECTOR (10) FORMAM GUIAS DE LUZ QUE EVITAM A DISPERSÃO DA LUZ VISÍVEL PRODUZIDA PELOS CINTILADORES (30) E A CONSEQUENTE INTERFERÊNCIA ENTRE CADA PIXEL E OS SEUS VIZINHOS.

Description

1
DESCRIÇÃO
"MATRIZ DE IMAGEM DE RAIOS-X COM GUIAS DE LUZ E SENSORES DE PIXEL INTELIGENTES, DISPOSITIVOS DETECTORES DE RADIAÇÃO OU DE PARTÍCULAS DE ALTA ENERGIA QUE A CONTÉM, SEU PROCESSO DE FABRICO E SUA UTILIZAÇÃO"
Domínio da invengâo A presente invenção insere-se no dominio da detecção de imagens de raios-x, outro tipo de radiação ou de partículas de alta energia digitais, particularmente relevante nas áreas da medicina ou dos testes industriais não destrutivos, permitindo a obtenção de imagens de elevada qualidade e fácil processamento, enquanto reduz a quantidade de radiação necessária para as obter.
Antecedentes da invenção
Quando um feixe de radiação no espectro dos raios-x, por exemplo, atravessa um corpo, os fotões que o constituem interagem com os seus átomos. Como resultado, o feixe que deixa o corpo depois de o atravessar tem um padrão definido, em que cada elemento de área tem uma densidade de fotões que é diferente das vizinhas. Estas diferenças são provocadas pela maior ou menor absorção de fotões nos tecidos que constituem o corpo. Estas diferentes densidades de fotões de raios-x podem ser traduzidas por níveis de cinzento numa imagem, obtendo-se assim uma radiografia.
Nos primeiros anos da radiografia eram usadas bases de vidro revestidas por uma emulsão sensível aos raios-x. As bases de vidro apresentavam algumas desvantagens, partiam-se com facilidade podendo causar ferimentos a quem as 2 manuseava, o seu processamento era difícil e existia ainda o problema de as guardar para referências futuras. Com a introdução dos filmes flexíveis estas desvantagens foram eliminadas. 0 filme de raios-x usado actualmente é constituído por dois componentes fundamentais: a base e a emulsão. A base dos filmes modernos é constituída por uma folha de poliéster transparente. A emulsão consiste em cristais microscópicos de halogenetos de prata suspensos numa substância gelatinosa. A emulsão é espalhada dos dois lados da base de poliéster, formando duas camadas sensíveis aos raios-x. Depois do filme de raios-x receber o feixe que atravessa o corpo, fica nele registada uma imagem dita latente, pois não pode ser vista antes do processamento. 0 processamento de um filme deve ser feito num quarto escuro e pode ser dividido em dois passos: conversão da imagem latente numa imagem visível e preservação da imagem visível. A conversão da imagem latente em visível é feita mergulhando o filme numa solução química. Deve ter-se especial cuidado com a temperatura e o tempo em que o filme está exposto a esta solução. A preservação da imagem visível consiste sobretudo em remover os halogenetos de prata não expostos aos raios-x e endurecer a emulsão para que o filme não se deteriore. Mais uma vez recorre-se a soluções químicas, sendo a temperatura e o tempo de fixação muito importantes na obtenção de uma boa imagem.
Os sistemas de imagem radiográficos convencionais registam e mostram os seus dados numa forma analógica. Têm frequentemente exigências de exposição muito rígidas devido à gama estreita de profundidade de brilho dos filmes e hipóteses muito reduzidas de processamento de imagem. Os 3 sistemas de radiografia digitais, por outro lado, oferecem a possibilidade de obtenção de imagens com exigências de exposição muito menos rigorosas do que os sistemas analógicos. As imprecisões em termos de exposição provocam normalmente o aparecimento de radiografias demasiado escuras, demasiado claras ou com pouco contraste, facilmente melhoradas com técnicas digitais de processamento e exibição de imagem.
Os sistemas de radiografia digital, em que a imagem vai ser mostrada num écran, em vez do processo tradicional de expor o filme contra a luz e em que é possível processar digitalmente a imagem obtida, apresenta várias vantagens, como a facilidade de exibição da imagem, redução da dose de radiação necessária para obter uma boa imagem, facilidade de processamento da imagem, a possibilidade de aquisição da imagem sem tempos de espera para o processamento do filme, o armazenamento em bases de dados electrónicas permitindo a pesquisa mais fácil e a transmissão para longas distâncias, usando redes de comunicações de dados.
Um dos primeiros sistemas de imagem de raios-x digital era baseado num dispositivo de silício fabricado em tecnologia CCD. 0 silício tem um coeficiente de absorção de raios-x muito baixo, mas para cada fotão de 1 MeV absorvido, são produzidos cerca de 277 000 pares electrão-lacuna, o que possibilita a obtenção de imagens com qualidade suficiente para diagnósticos com uma dose de radiação um pouco inferior da que é necessária para excitar os filmes de halogenetos de prata usados nas radiografias tradicionais. No entanto, o pequeno número de fotões detectados pelo CCD resulta num ruído quântico significativo. Para que o ruído quântico seja menor, pode aumentar-se a dose de radiação ou 4 a eficiência quântica do detector. Obviamente que o aumento da dose de radiação não é desejável.
A eficiência quântica do sensor pode ser aumentada adicionando uma camada cintiladora por cima do CCD. Um cintilador é um composto químico que emite luz quando é excitado por radiação ou partículas de alta energia. A radiação é absorvida pela camada cintiladora que tem um coeficiente de absorção alto, sendo depois convertida em luz visível (ou com comprimento de onda perto do visível). Como cada fotão de raios-x absorvido é convertido em muitos fotões visíveis, a eficiência quântica do detector é melhorada. A desvantagem é que esta técnica piora a resolução espacial do dispositivo, que fica com um valor mais ou menos igual à espessura da camada cintiladora. Isto obriga a um compromisso entre a espessura da camada cintiladora que, quanto maior for mais fotões de raios-x absorve, e a resolução espacial, que diminui com a espessura da camada cintiladora. Este compromisso espessura do cintilador - resolução espacial pode ser melhorado com a técnica das guias de luz, cujo processo de fabrico consta do objecto do presente invento.
Desenvolvimentos recentes nos detectores de imagem baseados em tecnologia CMOS tornam-nos cada vez mais atractivos na construção de sistemas de aquisição de imagem, quando comparados com os dispositivos baseados em tecnologia CCD. Tal como a aquisição de imagens, a radiografia digital também beneficia com a substituição dos CCDs por dispositivos CMOS, uma vez que os últimos possuem as seguintes características: - potência de operação cinco a dez vezes menor do que os CCDs e respectiva electrónica de processamento; 5 - o CMOS é um processo de fabrico de uso geral enquanto que o CCD requer técnicas de fabrico dedicadas; - é possível a integração do detector e da electrónica de processamento no mesmo dispositivo. No CCD é muito difícil; - custo global de cinco a dez vezes menos que o CCD.
As características de baixo custo e baixa potência são altamente desejáveis em aplicações portáteis e também em situações onde. os aparelhos de raios-x convencionais não são possíveis, tais como, hospitais de campanha ou veículos de emergência médica.
Como inconveniente da substituição dos CCDs por dispositivos CMOS pode salientar-se o facto de que ainda é muito difícil obter estes últimos com as mesmas características dos primeiros, em termos de qualidade de imagem.
Estado da arte
Na indústria médica, os esforços na optimizaçâo da área da radiografia estão direccionados no sentido de desenvolver a tecnologia digital dos raios-x, usando sensores electrónicos de alta eficiência em combinação com algoritmos avançados de computador. A radiografia digital permite a aplicação de técnicas de processamento de imagem (por exemplo melhoria do detalhe) de algoritmos sofisticados (por exemplo subtracção de imagens) e da operação em tempo real. Consequentemente, esforços cada vez maiores são dirigidos no sentido de aplicar tecnologias, como a microelectrónica (microfotolitografia e microfabricação), a micromaquinagem e o estudo de materiais 6 novos a fim de desenvolver dispositivos para diversas aplicações no diagnóstico médico usando raios-x. 0 interesse numa matriz activa, para obter digitalmente imagens de raios-x, já é uma realidade. Estes dispositivos já estão disponíveis em tamanhos grandes (maiores do que 25 x 25 cm ) com dimensões por pixel tão pequenas como 100 x 100 μια2.
Os painéis de menores dimensões são fabricados em silício (tecnologias CCD ou CMOS) e os de maiores dimensões numa base de silício amorfo, mas devido à relativamente baixa absorção de raios-x pelo silício (ou pelo silício amorfo), normalmente é necessária uma camada de detecção de raios-x adicional, no topo da matriz activa. Os materiais que geralmente são usados para esta finalidade podem seguir duas abordagens: 1. A primeira abordagem é uma alternativa ao método indirecto e envolve a utilização de uma camada fotocondutora, que forma a matriz activa. Nesta aproximação, chamada frequentemente de método directo, as interacções entre a radiação e o fotocondutor, produzem pares electrão-lacuna. Os pares electrão-lacuna são recolhidos pelos eléctrodos colocados nas extremidades do fotocondutor por intermédio de um campo eléctrico. Assim, os fotocondutores em princípio, são bons candidatos para construir os sensores dos sistemas digitais de imagem radiográfica. No entanto, esta tecnologia necessita de uma alta tensão eléctrica para a sua operação e é incompatível com as tecnologias de fabrico em silício, forçando a que a electrónica de leitura seja colocada num dispositivo separado. Como exemplos desta abordagem podem citar-se as 7 patentes US2005175911, W02005036595, US2004152000, W002061456, entre outras. 2. Δ segunda abordagem, na qual esta invenção se enquadra, envolve o acoplamento de uma camada cintiladora à matriz de fotodetectores. Esta aproximação é normalmente referida como detecção indirecta, uma vez que a energia dos raios-x é convertida previamente em luz visível, que é posteriormente detectada pelos fotodetectores para produzir a imagem final. Nesta abordagem, além dos cintiladores, são necessários fotodetectores para detectarem a luz visível produzida pelos primeiros. Existem vários trabalhos que propõe diferentes tipos de fotodetectores para este fim, nomeadamente: -Fotodetectores em tecnologia CCD (US2005151085, US2005058247, WO03045246, por exemplo); - Fotodetectores em Silício amorfo (EP1475649 e W00160236, entre outros); - Tubos fotomultiplicadores (W09614593 e US5410156, entre outros); - Fotodíodos de avalanche (US6448559 e US5763903, entre outros) ; - Tecnologia CMOS (WO03/032839 e US6069935, entre outras). Nestas aplicações, os conversores analógicos digitais são colocados fora da matriz activa de pixels.
Quanto à acoplação entre fotodetectores e cintiladores, tal como nesta invenção, existem algumas patentes que propõem arquitecturas baseadas em guias de luz. 0 seu processo de fabrico é baseado em diversas técnicas tais como a fabricação de microcavidades, que depois são preenchidas com um material cintilador. As cavidades podem ser fabricadas por corrosão química (US2004251420), com um 8 laser (US2004042585) ou por DRIE (US6744052). O contrário também é possível: abrir rasgos num cristal cintilador e preenchê-los com um material reflector (US2002163992) . Ά presente invenção diferencia-se destas soluções, já que a técnica de fabrico da matriz de cintiladores embebidos em paredes reflectoras é baseado num processo fotolitográfico, permitindo a sua rápida fabricação e colocação no topo da matriz de fotodetectores.
Quanto aos circuitos electrónicos de leitura das matrizes de fotodetectores, que também constam do âmbito do presente invento, todas as aplicações conhecidas colocam os conversores analógicos digitais fora da matriz activa de pixels. Existem algumas aplicações em tecnologia CMOS (US2005173640 e US6894283, entre outras) e em tecnologia bipolar (US2003105397) . A presente invenção diferencia-se destas soluções, já que a matriz de fotodetectores contém um conversor analógico digital para cada pixel, o que permite obter à sua saída um sinal digital, imune às fontes de ruído características dos sistemas analógicos.
Breve descrição das figuras A figura 1 mostra uma vista em corte do detector de raios-x proposto.
As figuras 2 a 6 mostram diferentes etapas do processo de fabrico. A figura 7 mostra um diagrama de blocos da matriz de fotodetectores. 9 A figura 8 mostra um diagrama de blocos de cada um dos pixels (22) da matriz de fotodetectores. A figura 9 mostra o circuito do fotodetector (21), do amplificador (23) e do integrador (24). A figura 10 mostra o circuito do conversor analógico digital de um bit. A figura 11 mostra o circuito do conversor digital analógico de um bit.
Descrição detalhada da invenção A figura 1 mostra uma vista em corte da matriz de detectores de raios-x que consiste num sensor de imagem (20) , formado por uma matriz de fotodetectores (21), sobre a qual é colocada a matriz de cintiladores (30), embebidos nos reflectores (10). A radiação, proveniente de uma fonte de radiação colocada sobre o detector, vai penetrar no material reflector (10) e atingir os cintiladores (30). Os cintiladores (30) vão converter a radiação em luz visível que é emitida em todas as direcções. Após um maior ou menor número de reflexões, a luz visível atinge os fotodetectores (21) , onde é detectada.
As guias de luz evitam a dispersão da luz visível produzida pelos cintiladores e a consequente interferência entre cada pixel e os seus vizinhos. Pode provar-se que a utilização das guias de luz implica uma resolução espacial muito mais elevada, bem como uma amplitude mais elevada do sinal luminoso que atinge o fotodetector. Como é conseguida uma amplitude mais elevada do sinal luminoso, esta técnica 10 permite a redução da dose de radiação necessária para que o dispositivo funcione.
Por outro lado, o amplificador e o conversor analógico digital estão localizados em cada pixel, em vez de estarem na periferia da matriz, o que permite uma redução do ruído electrónico gerado por processos térmicos ou induzido nas linhas de transporte dos sinais. Como consequência, a relação sinal ruído irá aumentar, permitindo uma redução extra na radiação necessária para que o dispositivo funcione. O processo de fabrico da matriz de cintiladores dentro das paredes reflectoras está representado nas figuras 2 a 6.
Na figura 2, o sensor de imagem (20) constituído pela matriz de fotodetectores fabricado em tecnologia CMOS (21) é revestido pelo verniz sensível à luz SU-8 (40). Por cima do verniz sensível à luz é colocada uma máscara sobre a qual é aplicada luz ultravioleta. As partes do verniz expostas à luz ficam endurecidas, sendo então possível remover as restantes, dando origem ao padrão da figura 3. Também é válido o uso de uma máscara negativa com um verniz fotossensível negativo. 0 passo seguinte será colocar o material cintilador, CsI:Tl (Iodeto de Césio dopado com Tálio) (30) de modo a preencher as cavidades (31). Este cintilador pode ser colocado por evaporação, através de uma pressão mecânica a quente ou a frio, sob a forma de pó cristalino ou outra. Em alguns casos, depois de o cintilador ser colocado, é necessário efectuar uma operação de polimento, de modo a que o resultado seja o representado na figura 4. Depois deste 11 passo, o verniz sensível à luz (40) é totalmente removido e nas cavidades resultantes é colocado um material reflector, alumínio, (10), por evaporação, pulverização catódica, ou outro processo de deposição de material. No final deste passo é necessária uma operação de polimento para que o resultado seja o da figura 1.
Outro processo de fabricar o dispositivo da figura 1 consiste em usar uma máscara construída a partir do negativo da usada na figura 3 ou em alternativa um verniz sensível à luz com comportamento oposto ao descrito na figura 3. Neste caso, depois da exposição à luz e da remoção do verniz fotossensível não endurecido, o resultado será o da figura 5. Depois deste passo, as cavidades (32) são preenchidas com material reflector (10) , originando o dispositivo da figura 6. Mais uma vez, dependendo do método de deposição do reflector, para o dispositivo ficar com o aspecto da figura 6, pode ser necessário efectuar o polimento do seu topo depois da deposição. Depois disto, o verniz fotossensível (40) deve ser removido e colocado o cintilador (30) no seu lugar. Neste caso, será necessário um passo adicional para colocar o material reflector no topo do dispositivo, para este ficar com o aspecto da figura 1. O processo de fabrico da matriz de cintiladores deverá ser efectuado por cima da matriz de fotodetectores, previamente fabricada em tecnologia CMOS.
Esta matriz de fotodetectores, fabricada em tecnologia CMOS usa um conversor analógico digital para cada pixel. 12
Na figura 7 é mostrado um diagrama de blocos da matriz com um conversor analógico digital por pixel. Cada pixel (22) é constituído por um fotodetector (21) e um conversor analógico digital. 0 endereçamento das colunas é feito usando sinais de relógio, Ci, Ci, . .., Cn, desfasados no tempo, sendo cada pixel (22) ligado a uma linha de salda. Cada bloco de um pixel (22) converte a intensidade da luz que recebe, proveniente do cintilador (30), num código digital. Este bloco é mostrado em detalhe na figura 8. Como o sinal de saída de cada coluna está desfasado do das restantes, cada linha de saída pode ser partilhada pelos respectivos pixels. O princípio de funcionamento da matriz é o seguinte: o sinal eléctrico proveniente dos fotodetectores (21) é amplificado pelo amplificador (23) e aplicado ao conversor analógico digital. Para que este último tenha um bom desempenho, deve inicializar-se o integrador (24) usando a linha R, para que o conversor analógico digital parta de um estado conhecido. Depois da radiação incidir nos cintiladores (30), e uma imagem ser focada nos fotodetectores (21) , os conversores analógicos digitais do tipo sigma-delta iniciam a conversão sendo o seu resultado lido em todas as linhas em simultâneo. A frequência de sobreamostragem do conversor sigma-delta é determinada pela relação sinal-ruído pretendida. O circuito pode dividir-se em três partes: o integrador (24), o conversor analógico digital de um bit (25) e o conversor digital analógico de um bit (26).
Os circuitos do amplificador (23) e do integrador (24) são baseados num único espelho de corrente, conforme está ilustrado na figura 9. A corrente do fotodetector circula por Μχ. Uma vez que as tensões entre as portas e as fontes 13 de Mi e Mz são iguais, idealmente uma corrente proporcional a li circula em M2, se os dois transístores estiverem a operar na zona de saturação. Desprezando a modulação do comprimento do canal, a corrente no dreno de Mi é dada por: enquanto que a corrente de saída, assumindo que M? está à saturação, é dada por: I =/ = —k' ^2-(γ -V V (2) em que Im e ID2 são as correntes de dreno dos transístores Mi e U2 respectivamente, Vesi e VGS2 são as suas tensões entre a porta e a fonte, k' é o parâmetro de transcondutância do transístor de canal p e Vtp é a tensão de limiar de condução do transístor de canal p. Uma vez que Vqsi = Vgszi a relação entre as duas correntes é dada por: ^02 _ 1^)
Im ~ Wx !LX ‘ A equação 3 mostra que, ajustando as larguras (W) e os comprimentos (L) dos canais dos transístores, consegue-se amplificar a corrente do fotodetector (21). Uma vez que esta corrente vai carregar o condensador e a tensão aos seus terminais é proporcional ao integral da corrente, o circuito também funciona como integrador. A tensão máxima de saída é limitada pelo facto de que M2 deve permanecer à saturação, ou seja, m> A resistência de saída do espelho de corrente é dada pela resistência de Mz, ou seja, 14 em que λ é o parâmetro da modulação do comprimento do canal.
Ainda no circuito da figura 9, M3 é usado para inicializar o integrador, para que o conversor sigma-delta comece a operar a partir de um estado conhecido. A figura 10 mostra o diagrama esquemático do conversor analógico digital de um bit (25) . Os transístores M$ e M6 formam um par diferencial que amplifica a diferença entre Vi e Vbi, em que Vi é a tensão de saída do integrador (24) e Vbi é uma tensão de referência. O sinal desta diferença é armazenado na memória formada por M% e M,e, nas transições negativas do sinal de relógio Cn. 0 estado desta memória é mantido enquanto Μη estiver ao corte, ou seja, enquanto o sinal de Cn estiver no nível lógico baixo. O diagrama esquemático do conversor digital analógico de um bit (26) está na figura 11. O funcionamento do circuito é em tudo idêntico ao do conversor analógico digital de um bit. Nas entradas Vn e Vi2 são ligados os sinais provenientes de V0l e Vo2 do conversor analógico digital de um bit (25) . Existe apenas o transístor Mie que funciona como conversor tensão corrente, ou seja, converte a tensão digital de saída numa corrente que irá descarregar o condensador do integrador, quando tal se justificar.
Lisboa, 2 0 OUT. 2005

Claims (14)

1 REIVINDICAÇÕES 1 Detector de radiação ou de partículas de alta energia composto por uma matriz de cintiladores embebidos em paredes fabricadas a partir de um material reflector, e uma matriz de elementos de imagem (pixels), caracterizado por a matriz de cintiladores (30) embebidos em paredes reflectoras (10) ser fabricada a partir de um processo fotolitográfico e cada pixel da matriz de fotodetectores ser constituído por um fotodetector (21), um amplificador (23) e um conversor analógico digital.
2 Um detector de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as paredes fabricadas, a partir do material reflector (10), formarem guias de luz para direccionarem a luz visível produzida pelos cintiladores (30) contidos na matriz.
3 Um detector de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o fotodetector (21) poder ser um fotodíodo, um fototransístor ou outro, fabricado em tecnologia CMOS, bipolar ou outra.
4 Um detector de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o amplificador (23) poder ser baseado num espelho de corrente ou noutro circuito e fabricado em tecnologia CMOS, bipolar ou outra. 2
5 Um detector de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o conversor analógico digital poder ser do tipo sigma-delta, conversor luz-frequência, conversor flash, de rampa ou de outro tipo, fabricado em tecnologia CMOS, bipolar ou outra.
6 Um detector de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o amplificador (23) e o conversor analógico digital estarem localizados em cada pixel, em vez de estarem na periferia da matriz de elementos de imagem.
7 Matriz, de fotodetectores para a obtenção de imagens a partir de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por ser constituída por um fotodíodo, um amplificador (23) baseado num espelho de corrente e um conversor analógico digital do tipo sigma-delta, fabricados em tecnologia CMOS.
8 Processo de fabrico de detectores de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, baseado no método indirecto caracterizado por a radiação ou as partículas de alta energia serem primeiro convertidas em luz visível, por intermédio de cintiladores (30), consistindo num processo fotolitográfico, com formação de cavidades num verniz fotossensível (40), por intermédio de uma máscara e luz ultravioleta. 3
9 Um processo de fabrico de detectores de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por consistir nos seguintes passos: - colocação dos cintiladores nas cavidades do verniz fotossensível; - substituição do verniz fotossensível por um material reflector; - colocação do material reflector sobre o cintilador.
10 Um processo de fabrico de detectores de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por consistir nos seguintes passos: - colocação do material reflector nas cavidades; - substituição do verniz fotossensível por material cintilador; - colocação do material reflector sobre o cintilador.
11 Um processo de fabrico de detectores de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações 9 e 10, caracterizado por o cintilador poder ser colocado por evaporação, por pressão a quente ou a frio, ou por outra técnica de deposição de material, e pelo reflector também poder ser colocado por evaporação, pulverização catódica, ou por outra técnica de deposição de material.
12 Utilização de matrizes, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por ser aplicada no fabrico de dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia. 4
13 Utilização dos dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por se aplicar à obtenção de imagens radiográficas digitais.
14 Utilização dos dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por ser aplicável à análise de imagens radiológicas digitais, no campo da medicina, investigação científica, como por exemplo, mas não exclusivamente à biologia molecular, e dos testes industriais não destrutivos. Lisboa, 2 0 OUT. 2005
PT103370A 2005-10-20 2005-10-20 Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização PT103370B (pt)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PT103370A PT103370B (pt) 2005-10-20 2005-10-20 Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização
EP06809298A EP1963885A2 (en) 2005-10-20 2006-09-13 X-ray imaging matrix with light guides and intelligent pixel sensors, radiation or high energy particle detector devices that contain it, its fabrication process and its use
PCT/IB2006/053268 WO2007046010A2 (en) 2005-10-20 2006-09-13 X-ray imaging matrix with light guides and intelligent pixel sensors, radiation or high energy particle detector devices that contain it, its fabrication process and its use
US12/090,917 US20090146070A1 (en) 2005-10-20 2006-09-13 X-ray imaging matrix with light guides and intelligent pixel sensors, radiation or high energy particle detector devices that contain it, its fabrication process and its use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PT103370A PT103370B (pt) 2005-10-20 2005-10-20 Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PT103370A true PT103370A (pt) 2007-04-30
PT103370B PT103370B (pt) 2009-01-19

Family

ID=37962884

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PT103370A PT103370B (pt) 2005-10-20 2005-10-20 Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20090146070A1 (pt)
EP (1) EP1963885A2 (pt)
PT (1) PT103370B (pt)
WO (1) WO2007046010A2 (pt)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104330816A (zh) * 2007-11-09 2015-02-04 皇家飞利浦电子股份有限公司 吸湿性闪烁体的保护
US8772728B2 (en) 2010-12-31 2014-07-08 Carestream Health, Inc. Apparatus and methods for high performance radiographic imaging array including reflective capability
US9348034B2 (en) 2012-09-08 2016-05-24 Carestream Health, Inc. Indirect radiographic imaging systems including integrated beam detect
US8957490B2 (en) * 2013-06-28 2015-02-17 Infineon Technologies Dresden Gmbh Silicon light trap devices
US9500752B2 (en) * 2013-09-26 2016-11-22 Varian Medical Systems, Inc. Pixel architecture for imaging devices
US9324469B1 (en) * 2014-10-31 2016-04-26 Geraldine M. Hamilton X-ray intensifying screens including micro-prism reflective layer for exposing X-ray film, X-ray film cassettes, and X-ray film assemblies
AU2016264493B2 (en) * 2015-05-19 2020-12-03 Protonvda Inc. A proton imaging system for optimization of proton therapy
US10302774B2 (en) 2016-04-25 2019-05-28 Morpho Detection, Llc Detector assembly for use in CT imaging systems
WO2017218898A2 (en) 2016-06-16 2017-12-21 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Electronic devices and related methods
US10459091B2 (en) * 2016-09-30 2019-10-29 Varex Imaging Corporation Radiation detector and scanner
CN106841845B (zh) * 2016-12-15 2021-06-29 华中师范大学 一种电子器件抗辐射性能测试方法和系统
EP3499272A1 (en) 2017-12-14 2019-06-19 Koninklijke Philips N.V. Structured surface part for radiation capturing devices, method of manufacturing such a part and x-ray detector
CN109686747A (zh) * 2018-06-12 2019-04-26 南京迪钛飞光电科技有限公司 一种成像传感器及其基板结构
CN110137199A (zh) * 2019-07-09 2019-08-16 南京迪钛飞光电科技有限公司 一种x射线传感器及其制造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5368882A (en) * 1993-08-25 1994-11-29 Minnesota Mining And Manufacturing Company Process for forming a radiation detector
US6534773B1 (en) * 1998-11-09 2003-03-18 Photon Imaging, Inc. Radiation imaging detector and method of fabrication
US6933504B2 (en) * 2003-03-12 2005-08-23 General Electric Company CT detector having a segmented optical coupler and method of manufacturing same
WO2005069601A1 (en) * 2004-01-12 2005-07-28 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Semiconductor-based image sensor
US7456409B2 (en) * 2005-07-28 2008-11-25 Carestream Health, Inc. Low noise image data capture for digital radiography

Also Published As

Publication number Publication date
EP1963885A2 (en) 2008-09-03
PT103370B (pt) 2009-01-19
US20090146070A1 (en) 2009-06-11
WO2007046010A3 (en) 2007-10-18
WO2007046010A2 (en) 2007-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PT103370A (pt) Matriz de imagem de raios-x com guias de luz e sensores de pixel inteligentes, dispositivos detectores de radiação ou de partículas de alta energia que a contém, seu processo de fabrico e sua utilização
EP0986938B1 (en) X-ray detection system using active pixel sensors
Chotas et al. Principles of digital radiography with large-area, electronically readable detectors: a review of the basics
EP1440660B1 (en) Radiographic apparatus
US5440130A (en) X-ray imaging system and solid state detector therefor
US6760405B2 (en) Exposure control in an x-ray image detector
US20120001082A1 (en) Radiographic imaging system
JP2005526985A (ja) 結像および照射量測定用のx線検出器配列
JPH07230893A (ja) X線装置、半導体放射線検出器、および放射線検出情報を読み出す方法
NZ527573A (en) Medical imaging device
El‐Mohri et al. Active pixel imagers incorporating pixel‐level amplifiers based on polycrystalline‐silicon thin‐film transistors
WO2020085064A1 (ja) 放射線撮像装置及び放射線撮像システム
Hoheisel et al. Amorphous silicon X-ray detectors
US20060013465A1 (en) Imaging apparatus, control method thereof, and program
JPH095906A (ja) 透過性電磁放射線のパターンの記録及び読出し方法
JP3526891B2 (ja) 放射線画像信号読出方法およびそれに用いられる放射線検出器
JP2004515768A (ja) 放射性核種放射を画像化する装置
JP3560624B2 (ja) 画像信号読出方法および装置
US7238950B2 (en) X-ray detector
Tipnis et al. High-speed x-ray imaging camera for time-resolved diffraction studies
Watanabe et al. Development and evaluation of a portable amorphous silicon flat-panel x-ray detector
Fan et al. Dr with a dslr: digital radiography with a digital single-lens reflex camera
JPH0463555B2 (pt)
JP2000046951A (ja) 放射線検出素子
JP3661196B2 (ja) 撮像装置の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Laying open of patent application

Effective date: 20051207

FG3A Patent granted, date of granting

Effective date: 20090108