专利名称：具有多个行或矩阵形布置的光敏微单元的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有多个行或矩阵形布置的光敏微单元的装置。
背景技术：
硅光电倍增器由探测器单元或微单元组成，其分别具有雪崩光电二极管(APD)和串联电阻。当施加馈电电压时，通常在截止方向上运行的光电二极管在辐射(例如光子)入射时部分地导通。这种效应通过在光电二极管内的雪崩效应放大。在微单元的输出端，即在电阻和光电二极管之间的节点上可测量并可评估由于光电二极管的导通造成的电压下降。由W02006/111883A2已知一种探测器单元的阵列，其中，每个探测器单元被设计成雪崩光电二极管。雪崩光电二极管被集成在CMOS工艺中。数字电路给出了处于静止状态的第一数值和当雪崩二极管探测到光子时的另一个其它的数值。电路在积分时间段开始时给出触发信号，作为对由一个数字数值向另一个的单元传输的响应。由 T.Frach et al., “Digital Silicon Photo Multiplier-Princip Ie ofOperation and Intrinsic Detector Performance，，， IEEE Nuclear Science Symposium,Talk29/05/2009 (“数字硅光电倍增器-操作原理和本征探测器性能”，IEEE核科学讨论会，讲座29/05/2009)已知一种完全数字的硅光电倍增器，其中，雪崩光电二极管被集成在CMOS工艺中。这个解决方案包括主动淬灭和完全数字的读取，由于复杂的生产工艺而具有更高成本的缺点。相对于模拟的硅光电倍增器，其改善了时间分辨率，因为单个微单元的电容不互相叠加，并且时间触发器直接在单元级别被制造。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种快速和低成本的硅光电倍增器。上述技术问题通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求中给出了本发明的改进方案和实施方式。为了直接从微单元获得并评估时间信号，建议在每个微单元中集成单独的非线性元件。该非线性元件优选是有源元件或者双极型或MOS晶体管。其优选是NMOS或PMOS晶体管。这些组件/装置被用作放大器，其激活共同的触发信号导线。如同在现有技术中的模拟的硅光电倍增器装置，通过对装置的全部微单元的电流总和的积分评估能量信号或电荷信号。大部分的应用使用模拟的SiPM (硅光电倍增器)，并且从全部微单元的相同的总和信号导出时间信息信号和能量信息信号。这对于时间信息不是最佳的配置。首先，对第一探测到的光子/光子群/量子群的触发是有困难的。另外，时间触发的电子元件(时间触发器)需要比能量信号的电子元件更高的带宽，这在功率消耗方面不是最佳的。为所述模拟的硅光电倍增器添加数字的触发导线，由此将时间信号与能量信号或电荷信号分离。其优点在于:1.对于第一光子的触发比在纯粹的模拟的光电倍增器中变得更简单并更精确。
2.可以用更少的电子元件评估能量信号，这导致显著的更少的电流损耗/功率需求。3.技术费用比完全集成的CMOS工艺更低，生产由此变得更便宜。为了探测一个或多个光子设置了多个行或矩阵形布置的光敏微单元，其分别具有在截止方向上施加偏置电压的、在盖革模式(Geiger-Modus)中运行的雪崩光电二极管，其分别配有放大器，该放大器采集在雪崩光电二极管上的电压并将输出信号传递到共同的触发信号导线，用于采集一个或多个光子到达输入端的时间点。该雪崩光电二极管的阳极被共同连接到输出导线，用于分别采集在涉及的微单元(Mi，j)中由于一个或多个光子(Pl，Ph2，Pf)入射而移动的电荷。由此可以分开地采集进入的光子的时间点和数量。优选地，多个微单元，特别是微单元矩阵的每行或每列分别配有放大器级，借助其来划分触发信号导线，由此可以降低寄生电容效应的影响。放大器元件和放大器级(Ti，l ;Ti ;Ti，2)优选是基于一种技术构成的，例如以CMOS、NMOS、PMOS或双极型技术，由此降低所述装置的成本和复杂度。优选地，能够功能上基本相互独立地执行对于由光子造成的电荷移动的采集以及对于光子进入的时间点的采集，由此可以在电路设计中提供更大的自由度。
借助于以下的附图更详细的描述本发明。附图中:图1示出了按照现有技术的硅光电倍增器；图2示出了具有放大器的硅光电倍增器；图3示出了基于图2的具有分级结构的放大器电子元件的硅光电倍增器；图4A，4B示出了按照图2或图3的电路的运行的仿真结果的图表。在附图中，相同或功能相似的元件具有相同的附图标记。按组地对这些附图做共同描述。
具体实施例方式图1示出了能够作为现有技术提供的硅光电倍增器F (英文SiliziumPhotomultiplier=SiPM)的电路。矩阵布置了一定数量的探测器单元或微单元Mi, j,其具有雪崩光电二极管Di，j (英文Avalanche Photo Diode=APD)和与所述雪崩光电二极管串联连接的淬灭电阻(LoscliwuicrslaniJ ) Ri，j，以便构成光敏平面F或光电装置F。在探测器单元Mi，j的截止方向上施加供电电压Us，也就是说，正向的供电电压经由淬灭电阻Ri，j与雪崩光电二极管Di，j的阴极连接。该探测器单元Mi，j在盖革模式下工作，也就是说，该供电电压Us是直流电压(Bias-V0ltage_Bias，工作点/直流电压点)，其略微大于雪崩光电二极管Di，j的击穿电压。在探测到光子Phl的情况下产生的雪崩效应首先由于在雪崩光电二极管Di，j上的偏置电压UDi，j的下降而被中断，其借助淬灭电阻Ri，j实现。所述雪崩击穿的过程发生的非常快。当雪崩光电二极管的电容是100飞法拉(femtoFarad)并且淬灭电阻是100千欧姆时，雪崩光电二极管Di，j的重置或重新充电在此持续大约100至200微秒。这特别适合用于单个的光子计数。全部探测器单元Mi，j彼此电并联。如果一个或多个微单元Mi，j探测光子Phl，则在雪崩光电二极管Di，j中触发触发电子，由此触发雪崩效应。由此通过升高的单元电流Ii，j和由此在各个淬灭电阻Ri，j上上升的电压降，在雪崩光电二极管Di，j上的偏置电压Ui，j这样强烈下降，使得该雪崩光电二极管淬灭，也就是再次被截止。在各个雪崩光电二极管Di，j的阳极的基点的共同接头A能够测量在各个微单元Mi，j中流动的全部的单元电流Ii, j的总电流I，通过其能够确定在雪崩光电二极管Di，j中由光子Phi触发的电荷雪崩。为此，该共同接头或输出端A被设置成例如经由测量或负载电阻Rl与接地地线相连。虽然单独的/单个的探测器单元Mi，j纯数字地运行，但是整体的硅光电倍增器由于微单元Mi，j的相互并联连接而以模拟的模式工作。按照图1所示的实施方式示出了模拟的硅光电倍增器(英文SiliziumPhotomultiplier=SiPM),在其输出端A提供能量和时间信息。在用于评估闪烁事件的PET探测器内的(PET=英文Positron emission tomography,正电子发射断层扫描)娃光电倍增器(SiPM) F的应用中，必须对两个不同的信号进行评估:a)时间信息，也就是说，特别是对第一光子Phl的探测；以及b)能量(幅值信息)，也就是说，入射的光子Phl、Ph2的数量。对这两个信号的要求是不同的。时间信息需要快速的电子元件和高的带宽，而能量信息通过对该信号的积分进行评估，其不需要高的带宽。在图1中，在输出端A从相同的信号源获取时间信息和能量信息。这对于时间信息不是最佳的配置。首先，对第一探测的光子Phl/第一探测的光子群Phl、Ph2的触发是有困难的。另外，时间触发的电子元件(时间触发器)需要比能量信号的电子元件更高的带宽，这不对应功率消耗的最佳设置。图2示出了基于图1扩展的硅光电倍增器装置。为根据图1的每个微单元Mi，j配备放大器兀件Ti, j,其中，全部的放大器兀件Ti, j优选是以一种技术构成的,例如以CMOS、NMOS、PMOS或双极型技术。放大器元件Vi，j的高电阻的输入端Bi，j与在淬灭电阻Ri，j和雪崩光电二极管Di，j的截止接头之间的节点相连，并且采集在雪崩光电二极管Di，j上降落的偏置电压UDi, jo供电电压Up经由共同的上拉电阻(Pull-up-Widerstand) RTrig通过触发信号导线TRIG供应给各个放大器元件Vi，j，优选是分别通过被设计为MOS晶体管的放大器元件Vi, j的漏极接头Di，j。以此能够在触发信号导线TRIG上提供全部相连的微单元的状态的或-连接(“Wired-OR”，线路-或)。各个放大器元件Vi，j的“源极”输出端Si，j与接地地线相连。另外，各个雪崩光电二极管Di，j的阳极的基点与输出端A连接。由此将流经各个雪崩光电二极管Di，j的电流Ii，j叠加成总电流I。为了测量该总电流I，将输出端A经由测量或负载电阻Rl与接地地线连接，由此能够间接通过在负载电阻Rl上的电压降UA确定总电流I。只要放电器元件Vi，j由于光子入射到光电雪崩二极管Di，j而变得至少部分的导通，则在触发信号导线TRIG上的触发电压UTrig下降(“Lower Level”，低电平)，以下对其做更详细的描述。触发信号导线TRIG的速度主要是由寄生的电容性负载确定，其正比于与该触发导线TRIG相连的微单元Mi，j的数量。对于大的传感器布置，为了降低触发信号导线TRIG的寄生的电容性负载，使用了如图3详细示出的具有彼此退耦的触发信号导线TRIGi的分级的触发器方案。图3示出了基于图2的硅光电倍增器装置F，其中，为每一个微单元行Mi，l ;Mi，2 ；…；Mi，η设置一个触发信号导线TRIGi。行i的放大器元件Vi，j (漏极)经由各自的放大器级Ti，l ;Ti，2 ;Ti，再经由为全部行1，…i，…，m共同分配的触发信号导线TRIG，再经由共同的上拉电阻RTrig提供供电电压Up。放大器级Ti，l;Ti，2;Ti具有三个优选是被设计成MOS晶体管的放大器组件Ti，I ;Ti，2;Ti。两个放大器组件Ti，I ;Ti，2构成了电流镜像电路，其中，第三放大器组件Ti在所述两个放大器组件Ti，I ;Ti，2的共同的源极支路上进行电流输入，其取决于控制电流IBias。第一镜像组件Ti，I的基极分别地与用于供应各自的放大器元件Mi，1，…，Mi，j，…，Mi，η·的触发信号导线TRIGi连接，并且按需求的通过第一镜像组件Ti，I的漏极供电，其经由上拉电阻RTrigi与馈电电压US连接。第二镜像晶体管Ti，2的漏极与共同的触发信号导线TRIG连接，其经由共同的上拉电阻RTrig与(偏置)馈电电压Up连接。触发信号导线TRIGi的基础电压电平可以通过阈值电压UThr调节，其被共同的施加在第二镜像组件Ti，2的各自的基极上。基于图3的电路功能上如同基于图2的电路那样工作，其中，该附加的具有电流镜像电路和电流输入的放大器元件通过将触发信号导线TRIG分割成单独的触发导线TRIGi并退稱，降低了触发信号导线TRIG的寄生电容。通常地，典型是将矩阵布置F的行Ml，l，…，Ml，n或列Ml，l，…，Mm，I的全部微单元与放大器级Ti，I ；Ti,2 ；Ti 连接。图3所示的电路优选是对于全部的放大器级仅使用NMOS晶体管和电阻，也就是说，与已经在微单元Mi，j中所使用的相同的元件/装置。以这种方式，也可以将该级巨型地集成，而不提高技术的复杂性。所述放大器电路的其它实施方式仅具有CMOS晶体管或双极型晶体管或完全的CMOS工艺，其以图3中给出的相似的方式构成。在探测到光子时产生的雪崩效应首先由于在雪崩光电二极管Di，j上的偏置电压UDi，j的下降被中断，这是借助淬灭电阻Ri，j实现的。在雪崩光电二极管Di，j的电容是100飞法拉并且淬灭电阻Ri，j是100千欧姆时，雪崩光电二极管Di，j的重置或重新充电在此持续大约100至200微秒。这特别适合用于单个的光子计数。图4A和图4B示出了基于图2或图3的通过SPICE程序执行的对于在光电装置F的共同的触发信号导线TRIG和共同的输出端A上的电压值的一般的仿真，其使用了由存在的模拟的硅光电倍增器装置使用的并且基于0.5微米CMOS工艺的电路参数。在该示例中，基于图2和图3的触发导线TRIG的寄生电容效应对测量曲线的影响并不可见。假设由光子Phl在时间点tl=lns (纳秒)击中微单元Mi，j,由此触发相应的电子雪崩。通过对电流I或负载电阻Rl上的电压UA的积分可以确定由涉及的雪崩光电二极管Di，j传输的电荷量Q。在图4中示出了在使用不同的负载电阻Rl=I欧姆(方形)、20欧姆(菱形)、50欧姆(三角形)和100欧姆(倒三角行)时，在不同的负载电阻Rl上测量/仿真的电压UA所属的测量曲线。从t=lns至延时结束并在Ri，j-C_Di, j时间常数(C_Di，j=光电雪崩二极管Di，j的电容)衰减之后的在各个曲线下方的面积正比于传输的电荷量Ql0信号电压UA的上升时间分别是大约2ns。另外，在R=20欧姆时的测量曲线(双菱形)中示出了另外的光子Ph2在时间点t=5ns可选地入射到另外的光电雪崩二极管Dx，y的影响。由另外的光电雪崩二极管Dx，y传输另外的电荷量Q2，由此通过上述积分得到总电荷量 Qges=Ql+Q2。图4B中的仿真曲线示出了取决于时间t的触发导线TRIG的触发电压/触发信号UTrig。该触发信号UTrig示出了在第一光子Phl入射之后的明显的分级，具有大约0.2ns的上升时间或下降时间和大约0.5V的电压降。该曲线形状UTrig基本上与涉及的雪崩光电二极管Di，j传输的电荷量Q以及负载电阻Rl无关。该分级可以被简单地用于以高的时间分辨率触发第一光子Phl。在涉及的光电雪崩二极管的>100ns的延时结束后(不能在当前标尺下显示)，再次被调整到开始的大约3.3的电压值。可选地，在图4B的测量曲线(双菱形)中示出了，至少一个另外的光子Ph2在时间点t=5ns入射到另外的雪崩光电二极管Dl，2的影响。其出现了具有大约0.2ns的分级持续时间的大约0.5V的另外的电压降。相应地，另外的光子Phi也能击中另外的雪崩光电二极管Dxi，yi，其精确的入射时间点能够由测量曲线读取。基于从图4B所确定的入射时间点tl，t2，…和从图4B的总电荷量Qges能够实现对事件的突出的推断，例如用于评估在硅光电倍增器F之前连接的闪烁器晶体内的闪烁事件。由此能够区分具有高量子能量的一个射线量子直接入射到闪烁器晶体与具有较低能量的多个射线量子的康普顿事件(Compton-Ereigni sse)。从图4A，4B的测量曲线中可以看出，模拟信号UA以大约2ns甚至更慢的上升时间进行响应，此处大约是具有大约0.2ns的上升时间/下降时间的数字的触发信号UTrig的10倍，但是该模拟信号是适合于评估总能量的。对电荷量Q采集的持续时间由于对电流的关于时间的积分而基本上与雪崩光电二极管的延时相应。数字的触发信号导线TRIG不受添加用于评估被传输的电荷Qges的外部的负载电阻Rl的干扰，并且模拟的电荷信号UA不受数字的触发导线TRIG的干扰。`
权利要求
1.一种具有多个优选的行或矩阵形布置的光敏微单元(Mi，j)用于采集一个或多个光子(Phl，Ph2，Phi)的装置，所述光敏微单元分别具有可在截止方向施加偏置电压的可在盖革模式下运行的雪崩光电二极管(Di，j，APD)、与该雪崩光电二极管串联连接的淬灭电阻(Ri, j)以及放大器元件(Vi，j)，所述放大器元件的输入端位于所述雪崩光电二极管(Di，j)和所述淬灭电阻(Ri，j)之间的各自的节点上并且其各自的输出信号(Di，j, UTrig)与其它微单元(Mi，j)的放大器元件(Vi，j)的输出信号(Di，j, UTrig)被合并成或-连接的(WIRED-OR)的信号导线(TRIG)，用于采集/评估一个或多个光子(Phi，Ph2，Phi)击中一个或多个不同的微单元(Mi，j)的时间点(tl)或时间点(tl，t2)，其中，各个微单元(Mi，j)的雪崩光电二极管(Di，j)的阳极被共同连接到一条输出导线(A)，用于分别采集在涉及的微单元(Mi，j)中由于一个或多个光子(Pl，Ph2，Ph)入射而生成的电荷(Q，Ql, Q2)。
2.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，触发导线或信号导线(TRIG)被分割成多段(TRIGi)，其经过放大器级(Ti，I ；Ti ； Ti, 2)被合并成整体的触发信号(TRIG)。
3.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，为多个微单元(Mi，j)，优选是为微单元(Mi，j)矩阵的每行(i)或每列(j)分别配备放大器级(Ti，l ;Ti ;Ti，2)，其将信号导线(TRIG)划分成多个子信号导线(TRIGi )，每多个微单元(Mi，j )具有一个子信号导线(TRIGi)，用于退耦电容和/或降低寄生电容的影响。
4.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，放大器元件(Vi，j)和放大器级(Ti，I ；Ti ;Ti，2)是基于一种技术构成的，例如以CM0S、NM0S、PM0S或双极型技术。
5.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，对电荷(Q)的采集和对时间点(tl)或时间点(tl, t2)的采集是功能上基本相互独立进行的。
全文摘要
光电传感器矩阵(F)的每个微单元(Mi，j)包括在雪崩光电二极管(Di，j)上连接的放大器元件(Vi，j)，以便直接由微单元获取并评估时间信号(t)。所述放大器元件(Vi，j)被用作放大器，其激活共同的触发信号导线(TRIG)。与此无关的，通过雪崩光电二极管(Di，j)的电流(I)对时间(t)的积分获得电荷信号(Q)。
文档编号G01T1/24GK103154774SQ201180050100
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年9月1日
发明者D.汉斯勒, M.希恩勒 申请人:美国西门子医疗解决公司