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(shí)顯示以及數(shù)字化的存儲(chǔ)，如今在醫(yī)學(xué)疾病診斷、工業(yè)無損檢測(cè)、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(gè)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，可以獲得較高的時(shí)間和空間分辨率，以及100％的像元填充率。
　　 論文首先對(duì)存在的直接探測(cè)X射線的CMOS APS(Active Pixel Sensor)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)基于非外延硅襯底的X射線探測(cè)元陣列進(jìn)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(duì)像元之間的串?dāng)_、電荷收集數(shù)量的影響。其次，對(duì)NMOS管和電荷收集二極管進(jìn)行了抗總電離劑量效應(yīng)的加固設(shè)計(jì)。改進(jìn)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(duì)抗輻射總劑量效應(yīng)的Dog Bone MOS FET版圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模與仿真，擬合得到了等效寬長比的計(jì)算公式，設(shè)計(jì)的樣管采用CSMC0.5μmDPTM CMOS工藝流片并進(jìn)行了

4、測(cè)試。
　　 最后，對(duì)X射線直接成像的CMOS APS的讀出電路和片上集成的時(shí)序控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(shí)序控制電路采用Cadence Composer原理圖輸入工具進(jìn)行全定制設(shè)計(jì)，并用Spectre模擬仿真器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)CSMC0.5μm DPTMCMOS工藝規(guī)則，對(duì)芯片版圖進(jìn)行了