专利名称：电子电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于多个传感器元件特别是排布成矩形矩阵或六角形矩阵的传感器元件的读出的电子电路。这样的传感器元件矩阵经常用于成像设备，如光学成像器(如CCD照相机)或X射线成像器(如基于半导体的平面X射线探测器)。
背景技术：
如此多个传感器元件的读出可以按下述方法完成。传感器元件获得最小的电信号，而例如由每个传感器元件在给定的检测周期内所接收到的模拟信号(例如积分信号)被传送到处于传感区之外的电子设备，该电子设备放大、数字化并处理这些信号。模拟信号的传送，特别是当传感器的矩阵很大和/或连续检测周期很短时，会受到电串扰、电路噪声等的影响。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种电子电路，可以读出多个传感器元件且防止了公知的读出电路的缺点。
该目的的是通过一种电子电路来实现，该电子电路包含多个传感器元件，每个都至少具有第一和第二状态，以及当传感器元件从第一状态转向第二状态时发出触发信号的输出端、多个与传感器元件的输出端连接的寄存器、在活动状态发出随着给定时钟频率变化的计数器信号的计数器、当接收到传感器元件中的一个发出的触发信号时，将计数器信号存储至寄存器中的一个的装置，和使存储的计数器信号唯一分配给触发的传感器元件的装置。
在本发明的一个实施例中，用于唯一地分配存储的计数器信号的装置包含从寄存器到传感器元件的输出端的唯一的物理连接。这很容易实现，如在每个寄存器和给定的传感器元件以硬接线直接连接。结果是，存储于各个寄存器中的值总是直接分配给和其连接的传感器元件。
在本发明的另一实施例中，用于唯一地分配存储的计数器信号的装置包含提供与计数器信号一起存储的传感器元件识别标签的装置。这可以例如通过随同用于唯一确定在传感器元件矩阵中触发元件的位置的两个正交线一起传输触发信号而实现。这一信息可以用来产生位置信息，作为与计数器值一起存储的识别标签。
在本发明的进一步的实施例中，至少传感器元件的一个子组形成于基板的连接区域上，与传感器元件连接的各个寄存器形成于这一区域之外。因为传感器元件只有最小电子设备，因此有用区域可以被最优使用。不被传感器元件的传感部分所覆盖的区域可以被最小化。
在本发明的一个实施例中，至少一个传感器元件是积分传感器元件，且其具有第一状态和第二状态。在第一状态时，传感器元件对传感器信号积分而在第二状态传感器元件是空闲状态。当积分传感器信号达到阈值时，发生从第一状态到第二状态的转换。转换同时传送出触发信号，并该触发信号与积分传感器信号达到阈值的时间相关联。
在另一个实施例中，传感器元件不是积分式的，而是将与由传感器提供的电流有关的传感器信号和阈值进行比较。如果传感器信号达到阈值，传感器转换至第二状态，并且传送触发信号。在该实施例中，触发信号与电流达到阈值的时间相关联。
在上述描述的实施例的进一步设计中，积分传感器元件在第一状态有两个积分常数。这可以允许有一个更大的动态范围。如果在短时间周期内达到阈值，则切换至第二个(较低的)积分常数，当传感器信号在较长周期内被积分时，积分信号可以只受到相对较低的噪音内容的影响。在进一步的实施例中，积分传感器元件具有第二输出端，用以传送表示关于积分处理的信息的增益信号。在一个优选实施例中，该信息与应用的积分常数相关。
在本发明的另一个实施例中，时钟频率是渐减的。这允许在检测周期的开始处使用高的时钟频率而在检测周期的结束时使用较低的时钟频率。这允许在开始阶段在降低计数器的位数(或保持常数)的同时具有较高分辨率的读出过程。
本发明也涉及利用发明的电子电路的成像设备。这样的成像设备可以是光学成像器(如基于CCD的照相机)或用以获取X光图像的医学成像设备。在这两种情况下，光电二极管都可以被用来作为传感器元件，在后一种情况下，一个转换层可以用来将X光转化成光量子。X射线成像器可以用在X射线成像、荧光(动态)成像或计算机断层成像(CT)系统。当前的CT系统具有被称之为多线成像器(或探测器)，使得在单个的循环获取过程中，可以生成穿过成像目标的多个横截面切片。
本发明也关于读出多个传感器元件的方法。
寄存器可以是单个存储单元，其可以是按地址访问的存储器的一部分，或也可以由两个或多个存储器存储部分组成，其中一个部分用于存储计数器值，而另一个部分用于存储例如传感器元件识别信息和/或增益信息的附加信息。
触发信号可以是一个短的触发脉冲或在之前恒定信号中的变化。
本发明的这些及其他方面将参照之后的实施例和附图进行阐明和描述，其中图1是一个传感器元件的示例性实施例的示意图，图2是一个根据本发明的示例性电子电路的示意图，图3是单个传感器元件的第二示例性实施例的示意图，和图4是根据发明的电路的一个实施例的各种信号的时序图。
具体实施例方式
图1示出了根据第一实施例的单个传感器元件1。单个传感器元件1包含一个输出端2，其可以提供一个触发信号。该传感器元件进一步包含比较器部分3、传感器信号积分部分4和检测部分5。在所示的实施例中，检测部分5由光电二极管实现。光电二极管根据由半导体材料制成的光电二极管的光谱灵敏度而可以用来探测光量子，如可见光、IR(红外)光或UV(紫外)光。因此光电二极管可以用于光成像器，如CCD照相机，或X射线成像器。在后者的情况下，用闪烁器来将X射线量子转换成光量子，然后由光电二极管检测该光量子。碰撞在光电二极管上的光量子与半导体材料相互作用以产生自由电子，自由电子在积分部分4上积累，积分状态是所示的传感器元件1的第一状态。在所示的实施例中，积分部分4包含一个运算放大器和一个电容C。在比较器部分3，比较器电路将积分的传感器信号和阈值进行比较。如果积分的传感器信号等于阈值，则传感器元件1转至第二状态，例如其停止积分，然后处于空闲状态。在从第一状态转至第二状态的时刻在输出端2提供触发信号。触发信号可以是简单的1位信号，如高/低电压输出。当达到阈值，该输出从高电压转至低电压，或反之亦然。在另一个实施例中，传送触发脉冲以替代从一个电压转至另一个电压。
图2显示了本发明的电子电路的一个示例性的实施例，其包含八个传感器元件1-1至1-8。在这个实施例中，传感器元件1-1至1-8中的每个的输出都唯一地与寄存器R-1至R-8中的一个以一对一的方式连接。电子电路进一步包含时钟CLK，以给定的时钟频率生成时钟脉冲，该时钟脉冲应用于计数器CNT和寄存器R-1至R-8。计数器CNT生成随着时钟频率变化的计数器信号，例如计数器信号在每个时钟信号处都增加1。计数器信号同步传送至每个寄存器，以便在给定的时刻，相同的计数器值被应用在每个寄存器。在所示的实施例中，计数器值在每个时钟脉冲处都被增加。
在一个实施例中，计数器信号是一个17位的数字计数器，其起始于零，随着每个时钟脉冲而增加。17位的分辨率通常对于多线计算机断层成像(CT)是足够的，在1×1mm2的传感器区域上期望其最大信号大约是1,000,000个光量子每毫秒(这些过程数值取决于CT系统的几何尺寸、应用等，且给出的数字并不是用来做为对本发明的限制)。然后可以分辨出8个量子的噪声信号。这要求125,000的相对分辨率，其可以被17位计数器信号(217＝131,072)所覆盖。在一个实施例中，时钟频率是常数，且被选定为在给定的检测周期的结束时(在已讨论的例子中为1ms)达到最高计数器值。对于其他的应用，如常规光学成像，8位或者10位的计数器信号是足够的；对于普通的X射线成像，12位计数器是足够的。因此，计数器信号的位数是基于应用，且能够相应地变化。也应当理解，给定的例子不是用来做为对本发明的限制。
传感器元件1-1，1-2，...，1-8的读出是如下所述来完成的。当检测周期开始(在检测周期的开始，传感器元件被设在第一状态)，在光电二极管5中生成的传感器信号由积分部分4进行积分，且比较器部分3将积分信号与阈值相比较。在所述的实施例中，阈值被选择为需要被分辨的最低信号。对于CT，如上描述的，期望的最低信号大约是64个光量子(其带来8个光量子的噪声信号)。阈值被设置成代表64个量子的电学值。在可以从噪声水平中分辨出来的最低量子流(64个量子每检测周期)撞击传感器元件的情况中，可以在检测周期的结束达到阈值。在预期的最大量子流(1,000,000个量子每检测周期)撞击传感器元件，则可在大约8个时钟周期内达到阈值。无论何时达到阈值，传感器元件都转至第二状态。在所示的实施例中，传感器元件停止积分，并忽略进一步到达的量子，第二状态是个空闲状态。
在从第一状态转成第二状态的时刻，传感器元件在其输出端发出触发信号，触发信号传送至与输出端2连接的接收元件。在所示的实施例中，接收元件是唯一连接的寄存器。触发信号导致唯一连接的寄存器存储在此时用在该寄存器中的当前计数器值。储存过程可以通过在每个进入寄存器的时钟脉冲处储存计数器信号并在接收到触发信号时阻止进一步改写来实现。在本实施例中，当传感器转入第二状态时，各个触发信号从“写入使能”转至“写入禁止”。在另一个实施例中，向寄存器提供计数器信号，但是该计数器信号在每个时钟脉冲处不被存储(在这样的情况下，时钟脉冲无需传送至每个寄存器)。只有当接收到触发信号时才开始存储。在这个周期中，每个时钟信号(或时钟单元)导致应用的计数器信号被存储在寄存器内。如果传感器元件转至第二状态，其触发信号转至低电压(写入禁止)，并阻止向与该触发传感器元件连接的各个寄存器存储计数器值。
由于检测周期的长度是公知的，在检测周期内撞击传感器元件1-1，1-2，...，1-8的信号总量可以根据线性插值法被估算出来。因为每个寄存器R-1，R-2，...，R-8都是唯一地分配给一个传感器元件，并已存储了信号计数器值，在该信号计数器值处传感器元件对等于给定阈值信号的信号进行积分，因此对于每个传感器元件，达到阈值的时间可以被推算出来(推算的阈值时间＝(信号计数器值)除以(最大信号计数器值)乘以(检测周期时间))。总的信号可以通过将阈值信号和推算的阈值时间与检测周期的时间长度的比率(或是储存的信号计数器值除以最大信号计数器值)相乘来得到。
如所描述的，在CT采集中，检测周期是大约1ms，其要求大约为130MHz的时钟频率，以便在检测周期内使17位计数器递增(在现代的CT设备中，在0.3s的旋转周期内获得大约2000个投影，要求的时钟频率为780MHz)。这显示，改善的信号精度可以通过更高的时钟频率和更大的计数器来实现，例如通过20位的计数器和相应的大约1.04GHz的时钟频率。显然，上面用于CT的给定的数字只足简单的例子，而不是要来限制本发明。也很清楚，当考虑制造容差、噪声等时，上述讨论可以随之变化。
作为参照图1和图2讨论的实施例的扩展，也可以有其他实施例。例如，并不是每个传感器元件都必须唯一地与一个寄存器连接。显然，也可以电子识别触发传感器元件并在其中一个寄存器存储在触发时刻的当前计数器值以及识别标签。唯一的连接只是避免了额外的识别电子设备。
图3显示了传感器元件的另一个实施例。在这个传感器元件中，具有多个积分电容，其中C1＜C2＜C3＜C4。在第一状态，传感器元件最初开始用最小的积分电容C1积分传感器信号。比较器3比较积分部分的输出电压和阈值，从而积分部分的输出电压与积分信号和积分电容的比率相关。如果传感器信号高，将会在相对于检测周期为很短的时间周期内达到阈值。然后比较器部分3对积分部分作用，使得接通下一个更大的积分电容C2。这导致积分部分的电压输出降低，因为C2的积分电容比C1的大。如果在比检测周期短的时间内又一次达到阈值，比较器部分3再次对积分部分作用，使其接通下一个更大的积分电容C3。为判断是否需要接通下一个大容量的积分电容，将当前检测时间和总的检测周期的比率与积分电容的增长相比较，例如，如果各积分电容间的差距是四倍，且当前检测时间和总的检测周期的比率小于0.25，则启动开关，否则就存在在检测周期内不会达到阈值的较高可能性。此外，可以使用安全缓冲器，使得只要当前检测时间和总的检测周期的比率小于例如0.20(或在给定的例子中任何其他小于0.25的比率)就开始转换积分电容。
如果因为高的量子流，在短时间内达到阈值，量子统计数的测量值可以通过接通另一个电容而得到提高，从而使用另一个积分常数。在比较器3中使用同样的阈值但是在积分部分4中使用的放大率较低，因为积分电容确定了最大电压输出。因此会需要更多的时间以达到阈值。测量的量子数量增多，因此测量值的泊松噪声相对于绝对量子数量降低。除了使用一个额外的积分电容的实施例之外，还能使用带有多个可选的积分电容的实施例。图3中显示了一个带有4个不同的积分电容C1、C2、C3和C4的实施例。积分电容可以设计成以因子1、4、16、64来减少积分常数，使得每个电容使积分常数降低4倍。这些积分常数也可以叫做增益设置。其他设置也当然是可以的，如一个电容链代表积分常数1、2、4、8或者1、8、64、512。不规则的因子也是可以使用的，如一个电容链代表积分因子(或增益设置)1、2、8、128。
在有些情况下，并不需要和增益设置联系。在某些应用中，在相邻传感器元件值上的突然变化是不期望的(例如，低对比度成像或以某一平滑的方式成像，如在传感器元件矩阵的上面放置一个转换层)。在这样的情况下，可以从传感器元件值的明显台阶中得到增益值的转换。在其他的情况下，增益因子的间接推导是不可能的。传感器元件的增益设置需要与外部电子设备通信，使得在计算整个检测周期内总的信号时应用合适的因子。在图3中所示的传感器元件具有额外的输出端6，用以提供关于积分处理的信息，特别是增益设置。在给定的带有四个积分电容的实施例中，输出端6可以是两位的数字输出，或者也可以是提供模拟电压信号的模拟输出，电压电平代表了增益设置。当寄存器接收到触发信号时，增益设置与当前的计数器信号被一起存储。在这样一个实施例中，寄存器包含计数器存储器和增益设置存储器(和没通过硬接线实现唯一分配的情况下，还有识别标签存储器)。
图4显示了根据本发明的电子电路的实施例的各种信号的时序图。最上的信号曲线(像素n，m)显示了在给定传感器元件1中积分直至积分信号达到阈值的信号。传感器元件1随后转至空闲状态。第二个曲线(CLK单位)显示了用于寄存器R-1，R-2，...的时钟信号(或单位)。在显示的实施例中，以一个固定时钟频率生成时钟单元。第三个曲线展示了由传感器元件1生成并且应用于寄存器R-1的写入使能的信号值(像素n，m写入使能)。第四和第五个信号曲线展示了计数器信号(计数器)的值和储存于寄存器R-1(寄存器n，m)的值，该寄存器在当前实施例中是假设直接与传感器元件1连接的(硬接线)，使得储存的值直接分配给相应传感器元件。当传感器元件从第一状态(积分状态)转至第二状态(空闲状态)的时刻，写入使能信号被关闭。在第一状态期间，每个时钟单元都使得所用的计数器值存入寄存器R-1。当写入使能信号被关闭时，随后的时钟单元不能使所用的计数器值存入寄存器R-1中。因此，存储于寄存器R-1中的计数器值指明了传感器元件1到达阈值的时间。
权利要求
1.一种电子电路，包括多个传感器元件(1，1-1，1-2，...)，每一个都至少具有第一和第二状态，和输出端，当传感器元件(1，1-1，1-2，...)从第一状态转向第二状态时该输出端发出触发信号，与传感器元件(1，1-1，1-2，...)的输出端连接的多个寄存器(R-1，R-2，...)，在活动状态发出随着给定时钟频率变化的计数器信号的计数器(CNT)，当接收到传感器元件当中的一个(1-1)的触发信号时，将计数器信号存储至寄存器当中的一个(R1)的装置，和使存储的计数器信号唯一地分配触发的传感器元件(1-1)的装置。
2.根据权利要求1的电子电路，其特征在于用于唯一地分配存储的计数器信号的装置包括从寄存器(R-1，R-2，...)到传感器元件(1，1-1，1-2，...)的输出端的唯一的物理连接。
3.根据权利要求1的电子电路，其特征在于用于唯一地分配存储的计数器信号的装置包括提供与计数器信号一起存储的传感器元件识别标签的装置。
4.根据权利要求1至3中任何一个的电子电路，其特征在于其有一个基板，其中传感器元件(1，1-1，1-2，...)的至少一个子组形成在基板的一个连接区域(10)上，和与传感器元件的子组连接的各寄存器形成在该区域(10)之外。
5.根据权利要求1至4中任何一个的电子电路，其特征在于传感器元件(1，1-1，1-2，...)中的至少一个是积分传感器元件，其在第一状态时对传感器信号进行积分而在第二状态中是空闲状态，当积分传感器信号达到给定阈值时，所述积分传感器元件从第一状态转换到第二状态。
6.根据权利要求5的电子电路，其特征在于积分传感器元件在第一状态具有至少两个积分常数。
7.根据权利要求5或6的电子电路，其特征在于积分传感器元件具有第二输出端，其用于传送增益信号，该增益信号表示关于积分处理的信息、关于应用的积分常数的显著信息。
8.根据权利要求1-7中任何一个的电子电路，其特征在于时钟频率随着时间减少。
9.一种成像设备，其特征在于它使用根据权利要求1-8中任何一个的电子电路。
10.一种用于读出多个传感器元件的方法，其包含步骤当处于第一状态时，在每个传感器元件中检测各个传感器信号，当达到给定的条件时传感器元件转换至第二状态，在转换的同时传送送触发信号，提供指示转换时间的计数器信号，存储计数器信号，将储存的计数器信号唯一地分配给触发传感器元件。
全文摘要
本发明涉及一种用于读出多个传感器元件的电子电路，其可避免类似于模拟信号衰退这样的缺点。该电子电路包含多个传感器元件(1，1－1，1－2，…)，每个都具有至少第一和第二状态，以及当传感器元件(1，1－1，1－2，…)从第一状态转向第二状态时发出触发信号的输出端、多个与传感器元件(1，1－1，1－2，…)的输出端连接的寄存器(R－1，R－2，…)、在活动状态发出随着给定时钟频率变化的计数器信号的计数器(CNT)、当接收到传感器元件(1－1Y)中的一个发出的触发信号时，将计数器信号存储到寄存器(R1)当中的一个内的装置，和使存储的计数器信号唯一地分配给触发的传感器元件(1－1)的装置。
文档编号H04N5/335GK1965569SQ200580018721
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月1日 优先权日2004年6月9日
发明者R·斯蒂德曼, T·多尔鲍姆, F·莫拉勒斯瑟拉诺, G·沃格特梅尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司