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用于通用X射线应用的晶圆级有源像素CMOS图像传感器

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作者:比利时赛普拉斯半导体公司时间:2007-05-09来源:EEPW

摘要: 本文以使用标准技术和架构的传感器为研究对象。该传感器专为成像系统而设计,具有噪声低和感光度高等特点。这种传感器已使用标准0.35μm技术和8″晶圆得到生产。传感器分辨率为每40 x 40μm2 面积3360 x 3348像素。其对角长度略大于190mm。本文对传感器的图纸设计、拼接图和已得到开发的电子光学性能进行了论述。  
      
关键词:,噪声,拼接  

I.介绍 
  
需要大面积光电探测器阵列的应用通常使用基于无定形光电探测器(即无定型硅或无定型硒)的固体静态探测器,使设备的电子性能受到限制。最近几年来,这类传感器已在各种应用中得到了广泛使用,如乳房X线照相术(mammography)、牙科X射线成像及通用放射线应用等。探测器阵列上部粘着的闪烁器将X射线转换成可视光线,此可视光线可被探测器阵列感知并读出。许多公司使用的高端X射线设备系统都以此类传感器为基础。虽然实践证明无定型传感器能够产生高质量图像,但传感器的性能仍受像素[1]和[2]读噪声的制约。无源像素的使用是产生这种制约的主要原因,但对于大面积阵列无定形硅处理技术来说,使用无源像素是为数不多的选择之一。本文对使用有源像素、标准及商业0.35μm CMOS技术的8″CMOS的架构和性能进行了论述。这种传感器最近已作为通用X射线应用的原型技术而得到开发,其噪声水平与现行无定形阵列设备的工业标准相比约低一个数量级。本文论述的技术通过拼接方法提供了一种灵活的解决方案,其分辨率上限约为每40 x 40μm面积 4200 x 3384像素,所对应设备尺寸约为13.4x13.5 cm2。上述设备较小;3360x3348像素,直径为168mm。动态范围大于80dB,电能消耗为210mW,电压3.3V。传感器为三边可对接(buttable),允许2 x 2或2 x 3片化。全幅帧速率为8口模拟输出10fps,在外部真相关双取样(CDS)的情况下为5fps。  

II.传感器架构  

图1为XXL的架构。这种传感器基本上由8个片化小型图像传感器次阵列组成,每一次阵列拥有一个420 x 3348像素阵列。每一次阵列与其相邻次阵列间都有电子连接,但都可独立于其相邻次阵列进行操作。利用这种方法,测试在无需全画幅探针卡的情况下即可进行。一个次阵列包括x和y读出、控制逻辑、模拟偏差以及输出信道等。传感器只拥有模拟输出。芯片不包含ADC,取窗和二次取样可通过外部控制完成。模拟偏差位于外部,通过调整偏差值可以改变功率消耗与带宽的比值。在预设210mW、3.3V的电源供应下每秒产生10个全画幅。

  
Figure 1. Architecture XXL sensor and wafer picture  
图1. XXL传感器架构及晶圆图  
Y shift registers + drivers:Y移位寄存器+驱动器  
Pixel array:像素阵列  
Sample and hold:取样与保留  
X multiplexers:X多路器  
Digital buffers:数字缓冲器  
Analog out:模拟输出  
Analog biasing:模拟偏差  

III.像素架构  

XXL传感器使用的像素架构以传统的3T有源像素架构为基础。其他使用不同架构的像素也曾被纳入考虑范围,但都因潜在的良品率(yield)问题,或因所选技术不能提供合适的架构而未能入选。在产品开发中还采取了特别方法保护光电二级管不受X射线幅射的损害。这些方法的主要特点在于对由幅射损害引起的场漏进行控制。像素大小为40 x 40μm2,在所需读出电子元件旁还含有若干伪金属图形以满足代工生产(foundry)的“最小金属密度”要求。

  
Figure 2. Pixel layout and architecture of the XXL sensor  
图2. XXL传感器像素布局和架构  
reset:复位  
select:选择  
输出(列)  

由于以3T架构为基础,像素不支持片上真相关双取样以减少KTC噪声的功能。但是传感器允许通过使用恰当的读出序列完成离片CDS的实施:复位后不久即读出帧数据,在X射线曝光前曝光并读出第二幅帧数据。 {{分页}}

 

图3. 传感器读出序列,用以完成离片CDS  
X-ray pulse time:X射线脉冲时间  
Dark reference frame readout:暗参考帧读取  
Exposed image readout:曝光图像读取  
Image readout time:图像读取时间  

IV.使用X射线照明的分析技术  

XXL CMOS传感器也可使用X射线照明进行分析。为了达到这个目的,开发者在硅片上安装了CsI闪烁器。下列电子参数在X射线剂量达到175krad后又被重新评估。  

放射线剂量达到175krad后,暗电流水平增加。可观察到电流增加14x,进而导致在30℃条件下暗电流水平>100ke/秒。在总读出时间为200ms(离片CDS)的条件下,这就意味着每获取一帧的暗电流为20ke或40mV。值得注意的是,这一测量是在持续X射线照射后进行的,在一段恢复时间过后,测量结果又有很大改善(三天后减少20%)。 

  

此外,我们还利用人像幻影拍摄了照片,下图即为一例。很显然,这一过程中的MTF(模传函数)由闪烁器照射到硅片上的光线的耦合质量决定,因此使用正确连接在硅片上的闪烁器有望使MTF得到改善。

  

图4. 使用简化版XXL传感器拍摄的人类手腕照片。可以看出图像上存在一处坏列(bad column)。  

V. 拼接  

晶圆级2D拼接布局是XXL传感器的设计与制造面临的主要挑战之一,如图5所示。共有四个主要区块:
  
R:垂直刻线和密封圈  
C:角落刻线和密封圈  
Pix:420 x 414像素阵列  
Sens:读出传感器+水平刻线  

 

刻线 晶圆  
图5. XXL传感器拼接  

边缘小区R和C为完全对称:它们包含有所需的传感器左边缘和右边缘。Sens小区也是如此:图中所示为设计的上部和下部。  




表1. 区块维度  


传感器的总分辨率为:x方向8*420=3360,y方向8*413+44=3348。传感器尺寸约为135 x 101 mm2,对角长度为168mm。可应用于芯片的最小传感器的分辨率为420 x 457像素,而适用于晶圆的最大传感器分辨率为4200 x 3348像素(SENS区块在x方向上10次重复)。也可进行其他设置,如:传感器可包括一组PIX区块2 x 2阵列。在这种情况下,传感器将拥有840 风速传感器相关文章:风速传感器原理
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