专利名称：图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器，特别是涉及例如作为固态X射线成像设备使用的具有图像传感像素阵列的图像传感器。
目前对于开发固态X射线成像设备以代替当前在医院中使用的图像增强器方面有很大兴趣。
已提出各种各样的像素配置，其中每个像素包括诸如光电二极管之类的光敏元件，以及至少一个开关装置。例如，一个已知的像素设计方案包括单个薄膜晶体管(TFT)和光电二极管。在照射期间，TFT被关断，以使得光电二极管被隔离。入射的光使得产生少数载流子电流，这造成二极管的寄生自身电容放电。在下一个读出期间二极管的电容被复位，以及电荷的改变被放大器检测。
还建议提供像素中(in-pixel)的增益，以便提高图像传感器像素的信号噪声比。这是在平面动态X射线检测(FDXD)中特别想要的。像素中的放大是在引入附加电子噪声之前执行的。
实现像素中的增益的一个方法是把附加存储/采样电容器包括在像素配置内，在采样电容器中存储的电荷多于由光电二极管产生的电荷。然后采样电容器电荷可以由读出放大器测量。
WO 01/57554公开了一种像素配置，其中在像素光电二极管上的电压(它代表照度级)被提供给充当单位增益电压缓冲器的源极跟随器电路装置。输出电压对采样电容器进行充电，以及像素的增益取决于采样电容器的电容值与像素电容值的比值。电路按照所谓的“二重相关采样”(DCS)工作。二重采样方法消除由采样电容器的复位引起的噪声，并且对于低噪声放大是特别想要的。DCS涉及到采样相应于传感器元件的复位条件的、在采样电容器上的电压，这样，以后流到采样电容器的充电电流代表在传感器元件上的电压的改变，并且与传感器元件的复位状态无关。
虽然这个电路工作得很好，但这个方法的一个问题是对于采样电容器所需要的面积，这会限制可达到的可能的解决方案。无论如何，需要提供具有低噪声的像素增益。
按照本发明，提供一种包括多个像素的图像传感器，每个像素包括光传感器元件，在该元件上的传感器电压随入射到该元件上的光而变化；具有大于1的增益的电压放大器；以及由电压放大器进行充电的采样电容器。
在这个装置中，每个像素通过电压放大来提供增益。这使得采样电容器能够保持小型化，从而像素电路占用最小可能的空间，由此能够形成大孔径的像素。
虽然光传感器元件的自身电容对于临时存储光电二极管电压可能是足够的，但每个像素优选地还包括被连接到光传感器元件的像素存储电容器。采样电容器的电容值小于像素存储电容器的电容值的10倍，优选地小于像素存储电容器的电容值的2倍，以及可以等于像素存储电容器的电容值。
因此，采样电容器的尺寸可以保持为最小值。
采样电容器的电容值可以在0.5pF到3pF的范围内，以及光传感器的自身电容值或像素存储电容器的电容值也可以在0.5pF到3pF的范围内。电压放大器的增益可以在2到5的范围内。
电压放大器可以包括在电源线之间串联连接的第一和第二晶体管，光传感器元件被连接到一个晶体管的栅极，以及偏置电压被连接到另一个晶体管的栅极，电压放大器的输出端被限定为在第一和第二晶体管之间的连接处。这限定了一种布置，其中对于相等的源极漏极电流的要求可用来提供栅极源极电压信号的电压放大。
电压放大器的输出端优选地被连接到采样电容器的一个端子，采样电容器的另一个端子通过输出开关连接到像素输出端。这个输出开关可用来把电荷敏感放大器连接到输出端以及用于复位操作。每个像素优选地还包括输入开关，用于在光传感器元件上施加固定的电位，由此提供复位功能。
本发明还提供一种使用多个光传感器元件测量要被检测的图像的光强度的方法，每个光传感器元件形成图像传感器的一个像素，在这些元件上的传感器电压随入射在元件上的光而变化，该方法包括使用具有大于1的增益的像素中电压放大器来放大传感器电压；用放大的电压对采样电容器进行充电，并测量充电采样电容器所需的电荷流。
优选地，复位操作在放大传感器电压之前被执行，复位操作包括把已知的电位加到采样电容器的一个端子以及在传感器元件上加上已知的电位，放大的电压随后被加到采样电容器的另一个端子。
这个复位操作对于相应于复位像素的电压放大器的输出进行采样，可以实施二重相关采样。
现在参照附图并通过例子来描述本发明的例子，在附图中
图1示意地显示在按照本发明的图像传感器中使用的像素配置；图2更详细地显示图1的像素电路的第一实施方案；图3显示说明图2的电路的操作的时序图；图4更详细地显示图1的像素电路的第二实施方案；以及图5显示本发明的图像传感器。
在所有的图上相同的标注数字被使用来表示相同的或相似的部件。
图1以示意的方式显示在固态图像传感器中使用的本发明的像素配置。
像素10包括采用光电二极管形式的光传感器元件12。
光电二极管信号采用电流的形式，该电流取决于光输入以及它在规定的时间即采样时间内流动。因此要传感的信号是流动的电荷，它是在照射期间对光电二极管的自身电容放电的少数载流子电流。这个电荷的流动被像素电容器14变换成电压。
光电二极管上的电压因此随照射到光电二极管的光而变化。在下面的例子中，像素电容器14是与光电二极管分开的元件，但光电二极管自身电容可以执行相同的功能。
在图1上，像素电容器14被连接在光电二极管输出端(阴极)与地之间。替换地，像素电容器可以与光电二极管并联。每个像素的光电二极管用它的阳极连接到电源电压线15。
由光电二极管提供的电压Vin被具有增益G的像素中放大器16放大，从而在放大器的输出端处的采样电容器18被充电到比光电二极管电压更高的电压。结果，需要更大的电荷流动，并且这个电荷流动作为像素的输出而被测量。
如果采样电容器18具有与像素电容器14相同的电容值，则像素的增益是G以及没有充电增益。然而，采样电容器18可能大于像素电容器14，这样，电路可以实施电压放大以及充电增益。
这个电路使得采样电容器的尺寸减小，这样，像素电路元件可以占用更小的空间，由此增大像素的光学孔径。
复位输入开关20被提供在像素的输入端处，这使得复位电压Vreset能够加到光电二极管和像素电容器上，以便在读出周期之间复位光电二极管。输出开关22使得输出端能够连接到电荷敏感放大器，以及也能够执行复位采样操作，正如下面进一步描述的。
在照射期间之前，通过闭合复位输入开关20进行复位操作。这使得光电二极管被充电到已知的电压。在放大器16的输出端处呈现的电压然后通过闭合输出开关22来采样，以便把采样电容器的输出板充电到固定的电位，典型地为0伏。因此相应于在复位条件下像素的放大信号的输出电压被保持在采样电容器上。输出开关22然后被打开，输入开关20也被打开，以及像素被照射。
像素电容器14保持最终得到的光电二极管/像素电容器电压，以及这是由放大器16放大的。由于采样电容器22的输出板没有充电路径，所以在这个板上的电压随放大器的输出电压而上升。在照射结束后，输出开关22被闭合，以及测量电荷流动以使得采样电容器的输出板返回到0伏(即在初始复位操作期间加到采样电容器的相同电压)。因此，所测量的电荷与从复位操作得到的电压无关，以及以这样的方式实施二重相关采样。
图2更详细地显示图1的像素电路的第一NMOS实施方案，以及该NMOS可以使用非晶硅晶体管来实施。对于相同的部件使用与图1上相同的标注数字。
输入开关20用输入TFT(薄膜晶体管)30来实施，它的栅极被连接到复位输入控制线32。输出开关22用输出TFT 34来实施，它的栅极被连接到复位输出控制线36。放大器16用第一和第二NMOS晶体管38、40实施，它们被串联连接在电源电压线15与地42之间。
当放大器工作时，采样电容器被输出开关22隔离，以使得流过两个晶体管的电流被限定为相同的数值。流过晶体管40的电流是作为栅极源极电压的输入电压的函数。同样地，流过晶体管38的电流是输出电压Vout的函数，因为在输出电压Vout与固定的偏压44之间的电压限定晶体管38的栅极源极电压。因此，当输出电压使得两个晶体管的源极漏极电流一致时放大器稳定工作。
通过两个晶体管38、40的适当的设计，对于晶体管38的栅极源极电压需要比起对于晶体管40所需要的栅极源极电压的改变更大的改变，以便达到源极漏极电流的相同的改变，从而放大器提供电压增益。每个晶体管38的漏极被连接到固定的电源电压线15。
所提供的增益可以在1.5到10的范围内，优选地是2到5。放大器部分的增益基本上是两个TFT的跨导(gm)的比值的平方根。该跨导正比于TFT沟道的宽度与长度的比值，所以该跨导可以通过选择晶体管沟道的尺寸和形状而被控制。例如，对于具有上部TFT宽度5μm和下部TFT宽度100μm(二者长度都是5μm)的放大器，宽度的比值是20。这直接(相当近似)与跨导gm相关，所以增益约为4.5。实际上，TFT实际不工作在理想的饱和区，所以增益稍微不同。
对于在饱和区(或接近饱和区)的工作，TFT必须被适当地偏置。栅极电压越高，流过放大器的DC偏置电流越大。这加速像素的动作。然而，这往往也减小放大器的工作范围，所以减小动态范围。
放大器的具体实施方案以及用于适当操作的偏置条件对于本领域技术人员来说是惯用的。
光传感器元件被连接到一个晶体管40的栅极，以及偏置电压44被连接到另一个晶体管38的栅极，电压放大器的输出端被限定在第一与第二晶体管之间的连接处。
图3显示说明图2的电路的工作的时序图。
曲线50显示照射期间，在此期间像素电容器上的电压随输入电压变化。在照射期间，输入和输出开关是断开的。
曲线52显示输出开关22的操作并代表加到输出控制线36上的信号。曲线54显示复位输入开关20的操作并代表加到复位输入控制线32上的信号。曲线56显示被连接到输出端的电荷测量电路的操作。
所有的像素被同时照射，以及随后按行被读出。因此，曲线52、54、56的每个可以轮流应用到像素阵列的不同行上。
当在一行像素中所存储的信号要被读出时，用于每列像素的输出开关首先被闭合，然后各个电荷敏感放大器使采样电容器充电或放电，直至输出板上的电压等于电荷敏感放大器的电压为止。这被显示为曲线56。电荷敏感放大器具有虚拟的地输入端，这样它保持电容器输出板为0伏，而放大器16保持放大的输出电压，因为输入到放大器的电压由像素电容器14保持。电荷的流动被测量并代表在光电二极管上的电压的变化。
每个列可以与电荷敏感放大器有关，这样，所有列的像素被逐行地同时读出。然而，可以使用复用安排来减小所需的电荷敏感放大器的数目。
在电荷测量操作的末尾，光电二极管被曲线54的脉冲复位。这将在光电二极管上设置固定的电压。由于输出开关22保持闭合，电荷可被存储在采样电容器上，这样，复位噪声被有效地采样，以及以这种方式实施二重相关采样。
然后复位脉冲结束，不久之后输出开关被断开，准备用于下一个照射周期。
复位开关可以与采样电容器18并联连接，它与输入开关20同步地工作，用于在电荷测量周期之后协助采样电容器放电。在这种情形下，输出开关优选地在这时被断开，如曲线52的虚线显示的。
图4显示图1的像素电路的第二实施方案，它是CMOS(多晶硅)实施方案。图4与图2之间的唯一不同在于，晶体管38用PMOS晶体管实施，其源极与栅极被连接在一起。
图5显示已知的X射线检查设备，它包括X射线源60，用于照射要被检查的对象，例如要借助于X射线束64进行放射性检查的病人。由于在病人体内X射线吸收的局部差异，X射线图像被形成在X射线检测器68的X射线敏感表面66上。
众所周知使用固态光学图像传感器来作为X射线检测器68。入射的X射线辐射使用磷闪烁体66被变换成光。这个光可被固态装置68检测。替换地，X射线敏感光电导体可用来把X射线直接变换成电子。
本发明的像素设计适合于在固态光学图像传感器中使用。
各种修正方案对于本领域技术人员将是显而易见的。
权利要求
1.一种包括多个像素的图像传感器，每个像素包括光传感器元件(12)，在该元件上的传感器电压随入射到该元件(12)上的光而变化；具有大于1的增益的电压放大器(16)；以及由电压放大器进行充电的采样电容器(18)。
2.如权利要求1中要求的图像传感器，其中每个像素还包括被连接到光传感器元件(12)的像素存储电容器(14)。
3.如权利要求2中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值小于像素存储电容器(14)的电容值的10倍。
4.如权利要求3中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值小于像素存储电容器(14)的电容值的2倍。
5.如权利要求4中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值近似等于像素存储电容器(14)的电容值。
6.如权利要求3、4或5中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值在0.5pF到3pF的范围内，以及像素存储电容器(14)的电容值在0.5pF到3pF的范围内。
7.如权利要求1中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值小于光传感器元件(12)的自身电容值的10倍。
8.如权利要求7中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值小于光传感器元件(12)的自身电容值的2倍。
9.如权利要求7或8中要求的图像传感器，其中采样电容器(18)的电容值在0.5pF到3pF的范围内，以及光传感器(12)的自身电容值在0.5pF到3pF的范围内。
10.如任何前述权利要求中要求的图像传感器，其中电压放大器(16)的增益在2到5的范围内。
11.如任何前述权利要求中要求的图像传感器，其中电压放大器(16)包括在电源线(15)之间串联连接的第一(38)和第二(40)晶体管，光传感器元件(12)被连接到一个晶体管(40)的栅极，以及偏置电压(44)被连接到另一个晶体管(38)的栅极，电压放大器(16)的输出端被限定在第一和第二晶体管(38，40)之间的连接处。
12.如权利要求11中要求的图像传感器，其中电压放大器(16)的输出端被连接到采样电容器(18)的一个端子，以及采样电容器(18)的另一个端子通过输出开关(22；34)连接到像素输出端。
13.如任何前述权利要求中要求的图像传感器，其中每个像素还包括输入开关(20；30)，用于在光传感器元件上加上固定的电位(Vreset)。
14.一种使用多个光传感器元件(12)测量要被检测的图像的光强度的方法，每个光传感器元件(12)形成图像传感器的像素，在所述元件上的传感器电压(Vin)随入射在元件上的光而变化，该方法包括使用具有大于1的增益的像素中电压放大器(16)放大传感器电压(Vin)；用放大的电压(Vout)对采样电容器(18)充电，以及测量对采样电容器(18)充电所需的电荷流动。
15.如权利要求14中要求的方法，其中复位操作在放大传感器电压(Vin)之前执行，复位操作包括把已知的电位加到采样电容器(18)的一个端子以及在传感器元件上加上已知的电位(Vreset)，放大的电压(Vout)随后被加到采样电容器(18)的另一个端子。
16.如权利要求14或15中要求的方法，其中采样电容器(18)的电容值小于像素的像素存储电容器(14)的电容值的10倍。
17.如权利要求16中要求的方法，其中采样电容器(18)的电容值小于像素存储电容器(14)的电容值的2倍。
18.如权利要求17中要求的方法，其中采样电容器(18)的电容值近似等于像素存储电容器(14)的电容值。
19.如权利要求12到16的任一项中要求的方法，其中电压放大器(16)的增益在2到5的范围内。
全文摘要
一种图像传感器具有多个像素，每个像素具有光电二极管(12)、具有大于1的增益的电压放大器(16)、以及由电压放大器进行充电的采样电容器(18)。在这个装置中，每个像素通过电压放大来提供增益。这使得采样电容器(18)能够保持小型化，这样，像素电路占用最小可能的空间，由此能够形成大孔径的像素。
文档编号H04N3/15GK1736094SQ200380108176
公开日2006年2月15日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年1月3日
发明者M·J·蔡尔兹 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司