可重構型x射線能譜探測方法及探測器像素單元結構的制作方法
【專利摘要】本發明涉及半導體光電探測器領域，為解決現有的能譜CT探測器能量區分度不足的問題，提升能譜CT成像的精度，通過一次曝光，即可解析得到多個不同能量段的X射線的衰減信息。本發明采用的技術方案是，可重構型X射線能譜探測方法及探測器像素單元結構，作為探測器主體的襯底部分用于完成X射線的接收及光電信號的轉化，襯底部分尺寸以全部吸收待探測能譜范圍內的X射線光子為宜；襯底部分兩表面為熱氧化生長的氧化物，所述氧化物實現襯底部分與電極的電絕緣隔離；所述電極通過金屬導線連接至時序控制單元，實現電荷包的順序讀出；還設置有用于控制X射線曝光時間的遮光板。本發明主要應用于半導體光電探測器設計制造場合。
【專利說明】
可重構型X射線能譜探測方法及探測器像素單元結構
技術領域
[0001]本發明涉及半導體光電探測器領域，尤其涉及對醫用X射線能譜的探測。【背景技術】
[0002]傳統醫用螺旋CT(Computed Tomography，電子計算機斷層掃描)的探測器基于X射線的平均衰減效應進行探測，重建后的圖像受射束硬化效應影響嚴重而無法區分人體內相似組織結構。目前，隨著探測器技術的不斷發展，對物質區分性更強的能譜CT越來越成為人們研究的焦點。能譜CT基于人體組織對不同光子能量吸收能力的差異，利用多組X射線能量的衰減特性進行圖像重建，能提供比常規CT更多的影像信息。能譜CT成像的關鍵技術就是利用探測器獲得多種能量的X射線在人體內的衰減信息，具有高精度能譜解析能力的X射線能譜探測器是能譜CT極其重要的部分。
[0003]目前，醫療能譜CT較常用的X射線探測器是間接型探測器，主要利用熒光閃爍體材料把X射線轉換成可見光，再用可見光探測器進行探測。該方法在轉換過程中，會不可避免地造成X射線能量損失，而且對X射線的能量區分度較低，如當前醫學能譜CT中采用較多的雙能探測器只能對X射線的高能和低能組分進行分析，而且還受射束硬化效應影響嚴重，很難滿足利用多能量成像的能譜CT的實際醫學需求。本發明面向醫用能譜CT實際應用領域， 提出了一種高精度的X射線能譜探測器像素結構，并基于此結構提出了一種可重構的X射線能譜分層探測方法，通過一次曝光即可同時獲得多種能量組分的X射線的衰減信息，可為醫用能譜CT成像提供更多的參數信息，充分滿足能譜CT對物質定性和定量分析的要求。
【發明內容】
[0004]為克服現有技術的不足，解決現有的能譜CT探測器能量區分度不足的問題，提升能譜CT成像的精度，本發明提出了一種高精度的X射線能譜探測器像素結構及相應的能譜分層探測方法。通過一次曝光，即可解析得到多個不同能量段的X射線的衰減信息。利用該探測器像素結構及能譜探測方法，能夠在減小病人承受輻射量的同時獲得更高分辨率、更高精度的臨床圖像。本發明采用的技術方案是，可重構型X射線能譜探測器像素單元結構， 作為探測器主體的襯底部分用于完成X射線的接收及光電信號的轉化，襯底部分尺寸以全部吸收待探測能譜范圍內的X射線光子為宜;襯底部分上表面為熱氧化生長的氧化物，所述氧化物實現襯底部分與電極的電絕緣隔離;所述電極為多晶硅或金屬材料制成，且正負對應離散排布在襯底部分下表面及氧化物上表面，其中所有的正電極分布在同一表面，所有的負電極分布在另一表面;所述正電極按相鄰依次排列關系分成若干層，每層正電極數目相同；所述若干層中各層的第一個正電極都通過同一根金屬導線連接至時序控制單元，所述若干層中各層的第二個正電極也都通過另一根金屬導線連接至時序控制單元，各層中其余電極與時序控制單元的連接以此類推;所述時序控制單元通過控制相鄰電極高低電平周期性變化，實現電荷包的順序讀出；還設置有用于控制X射線曝光時間的遮光板，遮光板打開X射線進入襯底部分，遮光板關閉X射線被遮擋不能進入襯底部分。
[0005]電極的三維尺寸、個數及電極間的間距視探測器襯底的尺寸及光生電荷的收集效率而定，順序排布的電極應滿足完全收集曝光后光生電荷的要求。
[0006]所述襯底部分的構成材料選擇輕摻雜的P型硅，或者碲鋅鎘、碲化鎘等半導體中的一種。
[0007]順序排布的電極應滿足完全收集曝光后光生電荷的要求具體是指，在X射線結束曝光后，開始進行光生電荷的轉移，在探測器內光生電荷在電極電壓的控制下以電荷包的形式在相鄰電極間轉移，具體時序:在tl時刻，編號為I的正電極設置為高電平，電荷會在曝光期間收集到該正電極下的勢阱中；在t2時刻，編號為I的正電極設置為1/2倍的高電平，編號為2的正電極設置為高電平，兩個電極之間存在勢皇，在此過程中編號為I的正電極收集的電荷將不斷流向編號為2的正電極;在t3時刻，編號為I的正電極下的電子將全部轉移至編號為2的正電極下的勢阱中，編號為3的正電極設置為高電平;依此類推，直至將收集的光生電荷依次轉移到位于最邊上的讀出電路。
[0008]可重構型X射線能譜探測方法，借助于前述探測器像素單元結構實現，步驟如下:
[0009]Stepl:探測器復位:每完成一次X射線的探測過程，都需復位重置探測器，以便開啟下一次的X射線束探測；
[0010]step2: X射線曝光:打開X射線遮光板進行曝光，調整探測器方位，使射線自探測器的側邊緣射入探測器像素單元結構襯底部分，滿足重建圖像要求的時間后關閉遮光板，停止射線的照射；
[0011]Step3:光生電荷收集:在X射線開始照射后將所有編號為I的正電極置為高電平，將負電極全部置為幅值與所述高電平相同的負電平，在曝光期間實現光生電荷的收集，遮光板關閉后電荷收集過程結束；
[0012]step4:光生電荷轉移。在X射線結束曝光后，開始進行光生電荷的轉移，在探測器內光生電荷在電極電壓的控制下以電荷包的形式在相鄰電極間轉移，具體時序:在11時刻，編號為I的正電極設置為高電平，電荷會在曝光期間收集到該正電極下的勢阱中；在t2時亥IJ，編號為I的正電極設置為1/2倍的高電平，編號為2的正電極設置為高電平，兩個電極之間存在勢皇，在此過程中編號為I的正電極收集的電荷將不斷流向編號為2的正電極;在t3時刻，編號為I的正電極下的電子將全部轉移至編號為2的正電極下的勢講中，編號為3的正電極設置為高電平;依此類推，直至將收集的光生電荷依次轉移到位于最邊上的讀出電路；
[0013]Step5-1:光生電荷分組處理:針對能譜解析過程，在電荷轉移讀出后，為了得到符合要求的能譜解析結果，不同深度的半導體內產生的光生電荷需要進行分組累加，電荷分組的形式取決于待解析的X射線的能譜分段情況及射線在半導體中的吸收情況；
[0014]Step5-2:光生電荷重構分組:為了得到最優的能譜解析結果，設η種可重構電荷分組方案，在Step5.1對電荷處理的基礎上，按照事先設定的η種分組方案，調整各個電極下電荷包的分組狀態，即電荷包從屬的組次，改變各組內電荷的總量后再將各組電荷累加，并分別存儲各自的累加結果。當所有的η種重構方案都被實施后，結束此電荷重構分組處理步驟；
[0015]Step6:能譜解析:根據η種分組方案，通過各組光生電荷的總量，倒推解析出各區間內X射線的能譜衰減信息，選擇最優的解析結果重建圖像。
[0016]待解析的分段能譜有幾種，即將半導體內的光生電荷順序組合幾組，電荷分組的位置以相應能量段的X射線在該半導體厚度內完全吸收為宜。
[0017]本發明的特點及有益效果是:
[0018]本發明提出了一種高精度的X射線能譜探測器像素結構，并提出了一種利用此結構重構探測X射線能譜信息的方法，實現了 X射線能譜的分層探測。經過一次曝光，即可解析得到多種分段的X射線能譜衰減信息；并且能夠針對不同射線源及不同的能譜解析精度要求，動態可重構地調整電荷的分組。此探測方法不僅降低了患者承受的輻射劑量，更提升了能譜CT成像的質量，適用于醫用X射線的多能譜組分的探測。
【附圖說明】
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[0019]圖1本發明所提出的X射線能譜探測器的三維像素結構。
[0020]圖2X射線能譜探測方法的流程圖。
[0021]圖3電荷收集轉移時序圖。
[0022]圖4像素結構平面圖。
[0023]圖5半導體內電荷動態分組示意圖。
【具體實施方式】
[0024]復合X射線穿過半導體時，由于光電效應、康普頓效應及電子對效應等作用，X射線(即入射光子)將在半導體中被吸收并產生光生電荷，不同能量的X射線強度遵循指數衰減規律，低能的X射線將先被吸收，高能的X射線吸收較緩慢。本發明基于上述X射線的吸收規律，提出了一種邊緣入射型X射線能譜探測器像素結構，并提出了一種利用此像素結構探測X射線分段能譜信息的方法。
[0025]本發明提出的探測器像素結構具體實施方案如下:
[0026]基本的三維探測器像素結構如圖1所示，其中101為探測器襯底部分，襯底材料可以選擇輕摻雜的P型硅，也可以是其他合適尺寸的碲鋅鎘、碲化鎘等半導體，其作為探測器的主體主要完成X射線的接收及光電信號的轉化，襯底尺寸以全部吸收待探測能譜范圍內的X射線光子為宜；圖中102部分為熱氧化生長的合適厚度的氧化物，主要實現襯底與電極的電絕緣隔離；圖中1 3部分為多晶硅或金屬材料的電極，其離散排布方式如圖所示，每個電極都通過金屬導線連接至時序控制單元105，時序控制單元通過控制相鄰電極高低電平周期性變化，實現電荷包的順序讀出。電極的三維尺寸、個數及電極間的間距視探測器襯底的尺寸及光生電荷的收集效率而定，順序排布的電極應滿足完全收集曝光后光生電荷的要求；104部分為背面電極，尺寸及分布情況可參考103電極部分；106結構為遮光板，主要作用是控制X射線的曝光時間。以上為本發明所提出的適用于可重構的X射線能譜探測方法的探測器像素結構。
[0027]基于上述探測器像素結構，本發明提出的X射線能譜探測方法的流程如圖2所示，具體實施方案如下:
[0028]Stepl:探測器復位。每完成一次X射線的探測過程，都需復位重置探測器，以便開啟下一次的X射線束探測。可采用將全部電極電位置零的方式復位，但不僅限于此種方法。
[0029]Step2:X射線曝光。打開X射線遮光板進行曝光，調整探測器方位，使射線自探測器的側邊緣射入探測器襯底101部分，如圖1所示，滿足重建圖像要求的時間后關閉遮光板，停止射線的照射。
[0030]Step3:光生電荷收集。在X射線開始照射后將所有編號為Vl的電極置為高電平(此處取高電平為5￥為例，但不僅限于此電平標準)，將背面電極Vss全部置為-5v(但不僅限于此電平標準)，在曝光期間實現光生電荷的收集，遮光板關閉后電荷收集過程結束。
[0031 ] Step4:光生電荷轉移。在X射線結束曝光后，開始進行光生電荷的轉移，在探測器內光生電荷主要在電極電壓的控制下以電荷包的形式在相鄰電極間轉移。此處以三相轉移邏輯為例(但不僅限于此邏輯的電荷轉移方式)，具體時序如圖2所示:在tl時刻，Vl電極設置為高電平，電荷會在曝光期間收集到Vl下的勢阱中；在t2時刻，Vl設置為1/2倍的高電平，v2電極設置為高電平，兩個電極之間存在勢皇，在此過程中Vl收集的電荷將不斷流向v2;在t3時刻，Vl電極下的電子將全部轉移至v2電極下的勢阱中，v3設置為高電平;t4時刻，v2電極下的電荷不斷向v3轉移，至t5時刻v2電荷全部轉移至v3電極勢阱中。至此完成了一次完整的三相控制電荷轉移過程。重復此步驟，可將收集的光生電荷依次轉移到最右端的讀出電路。
[0032]Step5-1:光生電荷分組處理。針對能譜解析過程，在電荷轉移讀出后，為了得到符合要求的能譜解析結果，不同深度的半導體內產生的光生電荷需要進行分組累加。電荷分組的形式取決于待解析的X射線的能譜分段情況及射線在半導體中的吸收情況。一般情況下，待解析的分段能譜有幾種，即將半導體內的光生電荷順序組合幾組，電荷分組的位置以相應能量段的X射線在該半導體厚度內完全吸收為宜。
[0033]Step5-2:光生電荷重構分組。為了得到最優的能譜解析結果，本發明針對被探測對象的射線吸收特性，事先提供了η種與之相適應的可重構電荷分組方案。在Step5.1對電荷處理的基礎上，按照事先設定的η種分組方案，調整各個電極下電荷包的分組狀態，即電荷包從屬的組次，改變各組內電荷的總量后再將各組電荷累加并分別存儲各自的累加結果。當所有的η種重構方案都被實施后，結束此電荷重構分組處理步驟；
[0034]射線曝光后，針對各個勢阱中的光生電荷包，按照η種預設方案進行順序分組，利用連續的多個電極下勢阱中的電荷來求解一段射線能譜，每組電荷包數量的不同，也就意味著求解的能譜段存在差異。
[0035]Step6:能譜解析。根據η種分組方案，通過各組光生電荷的總量，倒推解析出各區間內X射線的能譜衰減信息，選擇最優的解析結果重建圖像。
[0036]通過以上六步，便可利用本發明所提出的探測器像素結構完成醫用X射線分段能譜信息的重構探測。
[0037]本發明所提出的X射線能譜CT探測器像素結構平面結構如圖4所示，最佳實施方案以長度為5cm的Si半導體為例，厚度TH和寬度Width均取0.5mm，其上淀積氧化物0.005mm的Si02，最后刻蝕多晶硅及完成電極互連，其中多晶硅電極的厚度為0.01mm，電極長度為0.4mm，電極寬度為0.1mm，相鄰電極間隔為0.001mm。探測器像素結構利用埋溝工藝降低表面陷阱或缺陷產生的暗電流。若待探測的X射線能量值超過lOOKev，探測器的長度應超過5cm。本發明提出的探測器結構并不僅限于此種襯底材料及電極分布方案，還可以采用CZT、CdTe等其他半導體材料。
[0038]基于此結構的X射線能譜探測過程如上六步所述，主要包括像素復位、X射線曝光、光生電荷收集、光生電荷轉移、電荷重構分組處理及能譜解析等。此處以待解析三段連續能譜信息0-20Kev，20-40Kev，40-60Kev為例，X射線曝光后，不同能量的射線在半導體的不同深度產生數量不一的光生電荷，由電極下的勢阱完成各層電荷的收集，并按照如圖3所示的電荷轉移時序實現電荷的分層讀出；參照待解析的X射線分段能譜信息及射線吸收規律，將半導體中的光生電荷按順序劃分為三組，如圖5所示，三組分別為0-0.5cm,0.5-2.0cm,2.0-3.5cm各段內的光生電荷總數。根據能譜解析的精度及成像質量，還可以再按照預先設定的5種分組方案，動態調整5次電極下電荷包的分組狀態(即調整電荷包從屬的組次)，每次調整后都將各個組內的電荷累加并存儲。當所有的5種重構方案都被實施后，結束此過程，最后通過最優厚度的半導體內的光生電荷總數倒推出X射線的分段能譜信息。本發明提供的能譜探測器像素結構及與其相適應的能譜探測方法，能提供更多組分的X射線能量衰減信息，可被應用于醫用能譜CT成像領域。
【主權項】
1.一種可重構型X射線能譜探測器像素單元結構，其特征是，作為探測器主體的襯底部 分用于完成X射線的接收及光電信號的轉化，襯底部分尺寸以全部吸收待探測能譜范圍內 的X射線光子為宜;襯底部分上表面為熱氧化生長的氧化物，所述氧化物實現襯底部分與電 極的電絕緣隔離;所述電極為多晶硅或金屬材料制成，且正負對應離散排布在襯底部分下 表面及氧化物上表面，其中所有的正電極分布在同一表面，所有的負電極分布在另一表面； 所述正電極按相鄰依次排列關系分成若干層，每層正電極數目相同；所述若干層中各層的 第一個正電極都通過同一根金屬導線連接至時序控制單元，所述若干層中各層的第二個正 電極也都通過另一根金屬導線連接至時序控制單元，各層中其余電極與時序控制單元的連 接以此類推;所述時序控制單元通過控制相鄰電極高低電平周期性變化，實現電荷包的順 序讀出；還設置有用于控制X射線曝光時間的遮光板，遮光板打開X射線進入襯底部分，遮光 板關閉X射線被遮擋不能進入襯底部分。2.如權利要求1所述的可重構型X射線能譜探測器像素單元結構，其特征是，電極的三 維尺寸、個數及電極間的間距視探測器襯底的尺寸及光生電荷的收集效率而定，順序排布 的電極應滿足完全收集曝光后光生電荷的要求。3.如權利要求1所述的可重構型X射線能譜探測器像素單元結構，其特征是，所述襯底 部分的構成材料選擇輕摻雜的P型硅、碲鋅鎘或碲化鎘半導體中的一種。4.如權利要求1所述的可重構型X射線能譜探測器像素單元結構，其特征是，順序排布 的電極應滿足完全收集曝光后光生電荷的要求具體是指，在X射線結束曝光后，開始進行光 生電荷的轉移，在探測器內光生電荷在電極電壓的控制下以電荷包的形式在相鄰電極間轉 移，具體時序:在tl時刻，編號為1的正電極設置為高電平，電荷會在曝光期間收集到該正電 極下的勢阱中；在t2時刻，編號為1的正電極設置為1/2倍的高電平，編號為2的正電極設置 為高電平，兩個電極之間存在勢皇，在此過程中編號為1的正電極收集的電荷將不斷流向編 號為2的正電極;在t3時刻，編號為1的正電極下的電子將全部轉移至編號為2的正電極下的 勢阱中，編號為3的正電極設置為高電平;依此類推，直至將收集的光生電荷依次轉移到位 于最邊上的讀出電路。5.—種可重構型X射線能譜探測方法，其特征是，借助于權利要求1所述探測器像素單 元結構實現，步驟如下:Stepl:探測器復位:每完成一次X射線的探測過程，都需復位重置探測器，以便開啟下 一次的X射線束探測；Step2: X射線曝光:打開X射線遮光板進行曝光，調整探測器方位，使射線自探測器的側 邊緣射入探測器像素單元結構襯底部分，滿足重建圖像要求的時間后關閉遮光板，停止射 線的照射；Step3:光生電荷收集:在X射線開始照射后將所有編號為1的正電極置為高電平，將負 電極全部置為幅值與所述高電平相同的負電平，在曝光期間實現光生電荷的收集，遮光板 關閉后電荷收集過程結束；Step4:光生電荷轉移。在X射線結束曝光后，開始進行光生電荷的轉移，在探測器內光 生電荷在電極電壓的控制下以電荷包的形式在相鄰電極間轉移，具體時序:在tl時刻，編號 為1的正電極設置為高電平，電荷會在曝光期間收集到該正電極下的勢阱中；在t2時刻，編 號為1的正電極設置為1/2倍的高電平，編號為2的正電極設置為高電平，兩個電極之間存在勢皇，在此過程中編號為1的正電極收集的電荷將不斷流向編號為2的正電極;在t3時刻，編 號為1的正電極下的電子將全部轉移至編號為2的正電極下的勢講中，編號為3的正電極設 置為高電平;依此類推，直至將收集的光生電荷依次轉移到位于最邊上的讀出電路；Step5-1:光生電荷分組處理:針對能譜解析過程，在電荷轉移讀出后，為了得到符合要 求的能譜解析結果，不同深度的半導體內產生的光生電荷需要進行分組累加，電荷分組的 形式取決于待解析的X射線的能譜分段情況及射線在半導體中的吸收情況；Step5-2:光生電荷重構分組:為了得到最優的能譜解析結果，設n種可重構電荷分組方 案，在Step5-1對電荷處理的基礎上，按照事先設定的n種分組方案，調整各個電極下電荷包 的分組狀態，即電荷包從屬的組次，改變各組內電荷的總量后再將各組電荷累加，并分別存 儲各自的累加結果，當所有的n種重構方案都被實施后，結束此電荷重構分組處理步驟； Step6:能譜解析:根據n種分組方案，通過各組光生電荷的總量，倒推解析出各區間內X 射線的能譜衰減信息，選擇最優的解析結果重建圖像。6.如權利要求5所述的可重構型X射線能譜探測方法，其特征是，待解析的分段能譜有 幾種，即將半導體內的光生電荷順序組合幾組，電荷分組的位置以相應能量段的X射線在該 半導體厚度內完全吸收為宜。
【文檔編號】H01L31/115GK105974460SQ201610311377
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】史再峰, 孟慶振, 楊浩宇, 曹清潔, 張嘉平
【申請人】天津大學