В - MES conference
реклама
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КМОП ЛИНЕЙНЫХ И МАТРИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ С АКТИВНЫМИ СЕНСОРНЫМИ ЯЧЕЙКАМИ В.Л. Перевертайло, А.А. Епифанов, В.Г. Каренгин, Л.И. Тарасенко Институт микроприборов НАН Украины, detector@carrier.kiev.ua Применение кремниевых твердотельных многоэлементных фотоприемных устройств для формирователей рентгеновских изображений позволяет создать малогабаритные рентгеновские инспекционные сканеры. Однако существует ряд ограничений и особенностей при решении этой задачи, связанных с согласованием геометрических размеров элементарных ячеек изображения первичного преобразователя рентгеновского излучения в световой сигнал и размеров ячеек вторичного преобразователя светового сигнала в электрический сигнал. Поэтому выбор формата твердотельного преобразователя и геометрии его ячеек определяется форматом и геометрией ячеек первичного преобразователя. Рассмотрим варианты построения детекторной части рентгеновского сканера. 1). Прямая регистрация рентгеновского излучения фотоприемным массивом, сформированным на кремниевой пластине. Возможности регистрации ограничиваются малой величиной сигнального заряда из-за слабого поглощения рентгеновского излучения в относительно тонкой пластине кремния. Исключением является случай низких энергий (~ 1 - 10 кэВ), когда поглощение энергии рентгеновского излучения в тонкой пластине практически полное. Но столь низкие энергии практически не используются для рентгеновской интроскопии. 2). Предварительное формирование изображения (например, на фосфоролюминисцентных экранах) с последующей его передачей волоконно-оптическим переходником на твердотельный преобразователь изображения (с фокусировкой и уменьшением размера изображения для его проектирования, например, на фотоматрицу ПЗС). Для этого варианта характерны потери светового сигнала при передаче и преобразованиях и другие проблемы, связанные с оптоволоконным соединением. Здесь уменьшение размера изображения необходимо для использования ПЗС камеры или другого твердотельного формирователя, имеющих, как правило, малые размеры ячеек (10 - 20 мкм). 3). Регистрация светового излучения сцинтилляторного массива твердотельным формирователем изображения. Сцинтилляторный массив и фоточувствительные ячейки кремниевого формирователя изображения соединены оптическим клеем, так что ячейки формирователя непосредственно контактируют со сцинтиллятором через тонкий (10 - 20 мкм) оптически прозрачный слой клея. В этом случае высокоэнергетичное рентгеновское излучение практически полностью поглощается в сцинтилляторе и преобразуется в световые вспышки, которые регистрируются ячейками твердотельного формирователя (рис. 1). ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ― рентгеновское излучение ― сцинтилляторные элементы ― оптическая склейка ― твердотельный формирователь Рис. 1. Детекторный блок сцинтиллятор-формирователь изображения В последнем варианте размеры ячеек твердотельного преобразователя могут значительно превышать величины 10 - 50 мкм и достигать 150 - 200 мкм, что необходимо для оптимального согласования с параметрами изображения, формирующегося сцинтилляторным массивом. Заметим, что в случае пикселирования сцинтиллятора минимальный размер его ячеек ограничивается возможностями обработки материала сцинтиллятора (как правило, это механическая обработка). Таким образом, последний вариант обеспечивает минимальные потери светового сигнала, поэтому нами проведена разработка линейных и матричных твердотельных формирователей 314 изображения для случая непосредственного соединения сцинтилляторного массива и твердотельного преобразователя, как показано на рис. 1. В настоящее время хорошо известны формирователи изображения на приборах с зарядовой связью (ПЗС) [1]. Эти приборы предъявляют высокие требования к технологии, и технология их изготовления отличается от широко распространенной в настоящее время и более доступной технологии КМОП ИС. Развитие этой технологии стимулирует создание нового класса преобразователей изображения на основе цифровых регистров [2, 3], которые способны конкурировать с аналогичными устройствами на ПЗС не только по цене, но и по ряду других параметров, в том числе и по радиационной стойкости, что важно при работе в составе аппаратуры для гамма-, рентгеновской интроскопии и др. Кроме того, описанное выше согласование размеров ячеек упрощается, если вместо ПЗС используется опрос фоточувствительных ячеек цифровыми регистрами. Дополнительным преимуществом таких систем является то, что цифровые регистры опроса могут располагаться отдельно от фоточувствительных элементов (ФЧЭ), при этом появляется возможность варьировать геометрию и размеры ячейки, а также возможность обработки сигнала внутри самой фотоприемной ячейки, т.к. в фоточувствительном элементе и рядом с ним можно размещать необходимые МОП элементы преобразования и обработки сигнала для улучшения его параметров. В отношении таких ФЧЭ с описанными МОП элементами употребляют термин “активная сенсорная ячейка” (АСЯ). Использование технологии КМОП ИС расширяет также возможности интеграции фотоприемных элементов с электронными схемами обработки и усиления сигналов на одном кремниевом чипе, что является современной тенденцией при разработке подобных изделий. В данной работе представлены линейные и матричные фоточувствительные приборы на основе массива фоточувствительных элементов (ячеек) и цифровых регистров, изготовленных по технологии КМОП ИС. В разработанных нами интегральных микросхемах линейных фоточувствительных приборов (ЛФП) SFD32 и SFD128 реализован принцип построения кремниевых многоэлементных фотоприемников с совмещением функций накопления сигнального заряда, считывания сигналов и превращения заряда в напряжение. Структурная схема ИС приведена на рис. 2, где: InR – стартовый импульс цифрового регистра развертки; QA - выход аналогового сигнала; QR - выходной импульс цифрового регистра развертки. Линия фоточувствительных элементов → Усилитель считывания → QR → QA ↑ Блок коммутации ↑ InR → Цифровой регистр развертки Рис. 2. Структурная схема ИМС SFD128 (SFD32) В данной конструкции реализована схема последовательного опроса фоточувствительных ячеек со считыванием их сигналов на общий предусилитель. Разработка потребовала проведения расчета и исследования временных и зарядовых характеристик основных схемотехнических узлов аналоговой и цифровой частей микросхем, а также исследований, связанных с необходимостью совмещения технологии изготовления фотоприемников и технологии микроэлектронных схем обработки сигналов с учетом возможностей изготовления в рамках технологии КМОП ИС. Разработанные ИС имеют соответственно 32 и 128 ФЧЭ. Микросхема SFD128 содержит в составе чипа линию из 128 фоточувствительных элементов, цифровой регистр развертки, имеющий более 128 каскадов, и выходной усилитель считывания. Шаг ФЧЭ - 0,2 мм, размер - 0,1 х 2 мм2, длина кристалла фотолинейки - 25,4 мм. Для микросхемы SFD32 шаг - ФЧЭ 0,8 мм, размер - 0,6 х 2 мм2. На рис. 3 показана электрическая схема активной сенсорной ячейки, включающей ФЧЭ. Каждая такая ячейка содержит фотодиод FD, МДП-транзистор М1, который предназначен для предустановки потенциала на фотодиоде FD перед каждым циклом регистрации фотозаряда путем периодической подачи на FD положительного напряжения Vd. При этом затворы транзисторов М1 линии ФЧЭ управляются выходными сигналами каскадов регистра развертки. МДП-транзистор М3 функционирует как устройство антиблюминга для фотодиода FD, т.е. позволяет устранить боковое растекание и инжекцию фотоносителей в полупроводниковую подложку при чрезмерной 315 засветке ЛФП. Уровень срабатывания антиблюминга определяется значением напряжения V AB, подаваемого на затвор транзистора М3. B1 VCCA М3 VAB VD B2 М4 М1 К усилителю считывания FD 0VA Рис. 3. Схема активной сенсорной ячейки с ФЧЭ Детектирование фотогенерированного заряда в каждом ФЧЭ производится путем подключения фотодиода FD через транзистор М4 ко входу усилителя считывания. Затворы транзисторов М4 линии ФЧЭ управляются выходными сигналами каскадов регистра развертки. В данной схеме детектирования устраняется “геометрический шум”, связанный с пространственным разбросом параметров усилителя считывания и минимизируется мощность, потребляемая устройством считывания. Коэффициент преобразования заряд-напряжение при этом определяется отношением: CFD / (CFD +CВХ.УС.+CВЫХ.Ш.), где C FD - емкость фотодиода FD; CВХ.УС. - входная емкость усилителя считывания; CВЫХ.Ш. - емкость выходной шины. Цифровой регистр развертки предназначен для управления последовательным подключением фоточувствительных элементов в процессе их предустановки, а также для управления считыванием фотогенерированных в них зарядов. Регистр развертки построен по схеме динамического сдвигового регистра. Каждый каскад регистра состоит из двух динамических инверторов, между которыми включена фиксирующая емкость. Схема одного каскада цифрового регистра развертки приведена на рис. 4. F4 VCCD F3 М6 М2 D М3 М4 F1 0VD М5 М1 Q C М7 М8 F2 Рис. 4. Схема каскада цифрового регистра развертки Управление регистром развертки производится посредством 4-фазных тактовых импульсов (рис. 5). Для согласования по входу регистра с уровнями ТТЛ-сигналов в него введен согласующий входной каскад. На вход регистра развертки периодически подается входной импульсный сигнал логической “1”. Передача этого импульса через регистр производит последовательное подключение каждого из фотодиодов линии ФЧЭ сначала ко входу усилителя считывания для детектирования фотогенерированного заряда, а затем к источнику напряжения V D для предустановки фотодиода. Для контроля работы регистра, а также для синхронизации работы различных микросхем в составе одного модуля предусмотрен цифровой выход QR от 128-го каскада регистра. Для управления предустановкой 128-го ФЧЭ в регистре развертки предусмотрен 129-й каскад (рис. 6). 316 InR F1 F3 F2 F4 Рис. 5. Тактовые импульсы цифрового регистра развертки Цифровой регистр развертки ИС SFD128 позволяет проводить опрос элементов с частотой до 10 МГц. Структурная схема сопряжения каскадов цифрового регистра и фоточувствительных элементов показана на рис. 6. V d МW1 МR1 МW3 МW2 FD1 МR2 МR3 FD2 FD3 МW128 Блок коммутации фотоэлементов FD128 МR128 Шина ЧТЕНИЕ InR D D D 2 1 C C D RG Q Q Q D RG RG RG Q 3 4 C C Тактовое управление D RG RG Q 128 C QR Q 129 Выход C Регистр развертки Рис. 6. Функциональная схема регистра развертки и блока коммутации Изготовление микросхем SFD32 и SFD128 проводилось по технологии изготовления серийных КМОП ИС на стандартных пластинах кремния КДБ-12 диаметром 100 мм. Размер кристалла ИС составляет 3,45 х 25,4 мм2. ИС смонтированы в 20-выводном корпусе типа DIP с двухрядным расположением выводов и базой 15 мм. Микросхема SFD128 в корпусе показана на рис. 7. Конструкция фотолинейки и корпуса дает возможность последовательной линейной стыковки двух и более микросхем в одну строку с необходимым общим количеством элементов, например 512. 317 QR Рис. 7. Микросхема SFD128 в корпусе Выходной усилитель считывания, расположенный на кристалле ИС, выполнен как инвертирующий операционный усилитель и предназначен для детектирования фотогенерированных зарядов, а также для согласования аналогового выхода микросхемы с внешними устройствами. Он обеспечивает согласование аналогового выхода ИМС с емкостной нагрузкой не более 10 пФ. Амплитуда выходного сигнала SFD128 для максимального освещения составляет около 1,3 В. Напряжение питания микросхемы – 6,0 – 9,0 В. Описанные фоточувствительные линейки используются в детекторах рентгеновского излучения в сочетании со сцинтилляторными линейками для преобразования энергии рентгеновского излучения в световое излучение, что позволяет реализовать формирователь рентгеновского изображения с повышенным разрешением (10-20 мкм) в интроскопии и томографии. В этом случае фотолинейки используются для регистрации вторичного оптического излучения сцинтилляторных кристаллов, высвечивающих люминесцентное излучение при взаимодействии с рентгеновским излучением. Зависимость выходного сигнала ЛФП от мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения, падающего на сцинтилляторные элементы, близка к линейной в диапазоне мощностей 0,15·102 Р/ч. В варианте без сцинтиллятора фотолинейки могут быть использованы для регистрации излучения в видимой области с предельной длиной волны 1 мкм. Для расширения диапазона регистрируемого излучения в сторону УФ используется специальная конструкция фотоприемного элемента, позволяющая уменьшить поглощение УФ излучения в пассивном поверхностном слое ФЧЭ. Описанный принцип опроса цифровыми регистрами позволяет также реализовать матричные формирователи изображения, используя горизонтальный и вертикальный регистры. Конструкция реализована для построения матриц 32 х 32 элемента и 128 х 128 элементов. На рис. 8 показана функциональная схема ИС матричного преобразователя FM32 Выводы ИС FM32 имеют следующее назначение: VccA – напряжение питания аналоговой цепи, VssA – общий вывод аналоговой цепи, VccD – напряжение питания цифровой цепи, VssD – общий вывод цифровой цепи, InV – стартовый импульс вертикального регистра развертки, InH – стартовый импульс горизонтального регистра развертки, QRH – выход горизонтального регистра развертки, QRV – выход вертикального регистра развертки, FH1 - FH4-–тактовые импульсы 1-й - 4-й фазы горизонтального регистра развертки, FV1 - FV4– тактовые импульсы 1-й фазы вертикального регистра развертки, VOB – опорное напряжение ячеек APS, VLP – опорное напряжение РМОПТ истоковых повторителей, VLN –опорное напряжение NМОПТ истоковых повторителей, OUTREF –аналоговый выход нулевого столбца, OUTAN –аналоговый выход матрицы. 318 Рис. 8. Функциональная схема ИС матричного преобразователя FM32 На основе активных сенсорных ячеек спроектирована КМОП ИС матричного преобразователя изображения XFM128, предназначенного для регистрации вторичного оптического излучения сцинтилляторных кристаллов, высвечивающих люминисцентное излучение при поглощении рентгеновского излучения. Преобразователь изображения XFM128 содержит на кремниевом чипе размером 25,4 х 25,4 мм 2 матричный массив активных сенсорных ячеек в формате 128 х 128 и схемы электронного обрамления. Таким образом, используемый в данной работе подход позволяет согласовать параметры сцинтилляторного массива и твердотельного формирователя изображения с помощью гибкого комбинирования его элементов в КМОП исполнении и может быть использован для создания линейных и матричных преобразователей гамма-, рентгеновских изображений на основе фоточувствительных приборов с активными сенсорными ячейками и цифровыми регистрами опроса. ЛИТЕРАТУРА Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. - М.:Мир, 1978. Wong H.-S. Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers // IEEE Trans. Electron Devices. – 1996. - V. 43. - №12. - P. 2131-2142. 3. Mendis S.K., Kemeny S.E., Gee R.C., Pain B., Staller G.O., Kim Q., Fossum E.R. CMOS Active Pixel Image Sensor for Integrated Imaging Systems // IEEE J. of Solid State Circuits. - 1997. - V. 32. - №2. P. 187-197. 1. 2. 319
