论文部分内容阅读
基于数字图像传感器的X射线成像仪，由于成像质量良好，能够实时显示以及数字化的存储，如今在医学疾病诊断、工业无损检测、交通安全检查等领域获得了广泛的应用。但是这类用于X射线成像的图像传感器需要一个诸如闪烁体或荧光体的X射线到可见光的转换介质，从而影响了它的时间和空间分辨率，使得它无法满足诸如生物医学成像等高分辨率X射线成像领域的要求。本文在国家自然科学基金的资助下，参考了国内外相关研究后，提出一种用于X射线直接成像的CMOS有源像素图像传感器。这种X射线直接成像的图像传感器无需X射线到可见光的转换介质，直接感受X射线光子，且采用标准CMOS工艺，可以获得较高的时间和空间分辨率，以及100%的像元填充率。论文首先对存在的直接探测X射线的CMOS APS(Active Pixel Sensor)结构进行了分析，并选取了基于非外延硅衬底的CMOS APS结构。然后采用Silvaco TCAD对基于非外延硅衬底的X射线探测元阵列进行了器件建模与仿真，分析了像元中心距、衬底掺杂浓度、N阱深度对像元之间的串扰、电荷收集数量的影响。其次，对NMOS管和电荷收集二极管进行了抗总电离剂量效应的加固设计。改进了用于像元寻址的移位寄存器，使得其抗SEU的能力提高了约10倍。采用Silvaco TCAD工艺与器件仿真软件对抗辐射总剂量效应的Dog Bone MOS FET版图结构进行了建模与仿真，拟合得到了等效宽长比的计算公式，设计的样管采用CSMC0.5μmDPTM CMOS工艺流片并进行了测试。最后，对X射线直接成像的CMOS APS的读出电路和片上集成的时序控制电路进行了设计。读出电路由3管结构的像元电路、列共用的相关双采样电路、采样保持电路和输出缓冲器组成；采样保持电路是一种低功耗的电路，它的源随器仅在采样期间有电流。时序控制电路采用Cadence Composer原理图输入工具进行全定制设计，并用Spectre模拟仿真器进行仿真验证。根据CSMC0.5μm DPTMCMOS工艺规则，对芯片版图进行了详细设计。完整的芯片版图集成了128×128的像元阵列、读出电路、行/列选通移位寄存器、时序控制电路四个模块，总面积为4400×3730μm~2。