什么是CMOS平板探測器呢？

吶吶吶，了解CMOS平板探測器之前呢，小V先帶大家來認(rèn)識認(rèn)識CMOS和平板探測器。

CMOS

CMOS全稱是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體），它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片。

平板探測器

平板探測器是一種精密和貴重的設(shè)備，對成像質(zhì)量起著決定性的作用，熟悉探測器的性能指標(biāo)有助于提高成像質(zhì)量和減少X線輻射劑量。

所謂CMOS平板探測器就是運用了CMOS技術(shù)的平板探測，即主要的核心部分使用了晶圓制造工藝。

什么是CMOS平板探測器就講完啦～但是對于求知若渴的同學(xué)們來說，這點知識肯定是不夠滴，所以下面我們再一起了解一下CMOS平板探測器相較于普通非晶硅平板探測器有什么優(yōu)勢吧。

CMOS與非晶硅（a-Si）技術(shù)的異同點

其實CMOS和非晶硅（amorphous silicon: a-Si）的概念并不是同樣一個維度的對比，而是業(yè)界沿襲下來的叫法。

更加精準(zhǔn)的對比稱呼應(yīng)該是單晶硅（CMOS）和非晶硅（a-Si）平板探測器。

無論是單晶硅（CMOS）還是非晶硅（amorphous silicon: a-Si）平板探測器，都是遵循類似的X射線探測原理。

其工作時的信號轉(zhuǎn)換過程都遵循如下過程：X射線→可見光→電荷信號→數(shù)字信號→圖像信號。

其中X射線到可見光的轉(zhuǎn)換利用了閃爍體在X射線照射下的發(fā)光性質(zhì)；可見光到電荷信號的轉(zhuǎn)換使用了光電二極管；數(shù)字信號到圖像信號的轉(zhuǎn)換一般使用FPGA芯片進(jìn)行。

01

射線源

發(fā)射X射線

02

閃爍體

轉(zhuǎn)換為光信號

03

光電二極管

轉(zhuǎn)換為電信號

04

A/D轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號

05

FPGA芯片

轉(zhuǎn)換為圖像信號

上述幾個過程中，a-Si與CMOS探測器的技術(shù)原理是相同的。

同時，上述的1、2部分也是相同的，都使用了類似的閃爍體，例如碘化銫（CsI）或者硫氧化釓（GOS）。

其中第5部分使用電路進(jìn)行圖像信號的輸出部分也是相同的。

關(guān)鍵差異來自模擬的電荷信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，這其中包括模擬電荷的傳輸、讀取、轉(zhuǎn)換等過程。

CMOS探測器利用的是模擬集成電路芯片來實現(xiàn)模擬前端電路（AFE）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC），并且和像素陣列集成到同一個芯片上。

而a-Si探測器是以非晶硅為原材料，使用薄膜晶體管（TFT）工藝形成探測器像素陣列，而模擬前端電路（AFE）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）則用一個單獨的ASIC芯片。

二者最大的區(qū)別是：兩種材料內(nèi)部硅原子的排列情況不同，電子遷移率不同——單晶硅比非晶硅要快3個數(shù)量級（1000倍）。由于電子遷移率的差異，使得材料的電阻率也不同，這在電路中表現(xiàn)出時間響應(yīng)、噪聲響應(yīng)等方面的差異，因此帶來了諸多好處。

圖2非晶硅（a-Si）結(jié)構(gòu)與單晶硅( CMOS )結(jié)構(gòu)的比較

科普解釋：

在進(jìn)入下面的學(xué)習(xí)之前，讓我們一起先來了解幾個名詞吧！

電子遷移率：固體物理學(xué)中用于描述金屬或半導(dǎo)體內(nèi)部電子，在電場作用下移動快慢程度的物理量，主要受半導(dǎo)體材料影響。

幀速率：是指每秒鐘可以輸出多少幀圖像。

劑量：本文所說的劑量指的是吸收劑量。是單位質(zhì)量受照物質(zhì)所吸收的平均電離輻射能量，單位是J/kg。在X射線成像的應(yīng)用中，光源的能譜確定的情況下，輻射的劑量就與X射線光子的數(shù)量成比例了，可以用來表示探測器接收到的信號量子數(shù)大小。

分辨率：又稱為像素矩陣，例如1536*1536，意思是一塊平板探測器有1536行，1536列，有1536*1536=2359296個標(biāo)準(zhǔn)大小的像素。

CMOS探測器的低劑量優(yōu)勢

探測器的噪聲來源大體上可以分為兩類：

（1）X射線本身、X光子與物質(zhì)相互作用的量子屬性導(dǎo)致的散粒噪聲。這類噪聲服從泊松分布，信號強(qiáng)度與方差相同。即，隨著信號強(qiáng)度的加大，噪聲也會增加。

（2）讀出信號的電路引入的噪聲。其大體上遵循高斯分布，且不會隨著X射線信號的增強(qiáng)而增加，屬于探測器自身屬性。

因此探測器輸出的單幀圖像信噪比可以表示為：

其中λ表示信號泊松分布的均值，δ2表示讀出噪聲的方差。

可以看出，隨著X射線曝光劑量的提高（信號量變多），λ?δ2，SNR將主要由量子噪聲決定，其大小趨近于√λ。所以此時信噪比主要取決于曝光劑量、閃爍體發(fā)光量、像素大小等因素。由于曝光劑量是一個體積微分量，需要對每個像素的靈敏區(qū)體積（包括了閃爍體厚度和像素面積大小）進(jìn)行積分才可以得到真正的信號量。

但當(dāng)探測器接收到的照射劑量很低時，讀出噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)。CMOS探測器噪聲優(yōu)于非晶硅探測器的原因有兩點，第一是本身電子傳輸過程中的噪聲較小，第二是CMOS探測器可以在像素內(nèi)做放大器，因此是將像素內(nèi)的信號放大后再傳輸，而a-Si是將像素內(nèi)信號傳輸?shù)酵獠亢笤俜糯螅瑐鬏斣肼暸c信號一起被放大了。兩種因素疊加導(dǎo)致CMOS的讀出噪聲一般僅有a-Si的1/10，導(dǎo)致極低劑量時CMOS具有明顯的信噪比優(yōu)勢。

圖1非晶硅與CMOS探測器像素放大的差異

CMOS探測器的高速優(yōu)勢

為什么CMOS平板探測器比非晶硅平板探測器更適合高速動態(tài)成像。

首先，CMOS平板探測器的半導(dǎo)體材料使用的晶圓級單晶硅為原材料，由于單晶硅內(nèi)晶格缺陷較少，其電子遷移率可以達(dá)到1400 cm2/（V·s）；而a-Si材料中電子遷移率僅有大約1 cm2/（V·s）。這三個數(shù)量級的差距使得CMOS探測器可以有更快的信號讀出，即實現(xiàn)更高的幀速率。

目前我司設(shè)計的平板探測器可以實現(xiàn)全尺寸將近100FPS@1x1的輸出，歡迎各位客戶來體驗高速的快樂。

CMOS傳感器像素尺寸優(yōu)勢

第三節(jié)中提到的單晶硅（CMOS）相對于非晶硅（a-Si）的優(yōu)勢根源是晶體硅的低缺陷率。低晶體缺陷率除了直接地帶來了高電子遷移率外，還間接地影響了探測器其他方面的設(shè)計。比如，可以利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成熟制的程工藝在硅片上刻蝕更細(xì)的線路，而更細(xì)的線路可以組成更小尺寸的晶體管。這就意味著，CMOS可以實現(xiàn)與a-Si相同像素尺寸時更高的像素區(qū)域填充率，或在相同填充率下制作出更小尺寸的像素。前者可以使得像素的有效面積更大，提高了探測效率；后者可以實現(xiàn)更高的空間分辨能力。目前市面上的CMOS探測器已經(jīng)可以實現(xiàn)50微米甚至更小的像素尺寸，這可以在維持圖像分辨率的同時，為客戶提供更緊湊的整機(jī)結(jié)構(gòu)等多項優(yōu)勢。

CMOS傳感器低殘影優(yōu)勢

CMOS探測器的單晶硅電子遷移率優(yōu)勢也會體現(xiàn)在殘影問題上。由于CMOS的電子遷移率高，相同幀速率下，下一幀圖像中包含的之前幀的殘留就更低。這對于拍攝動態(tài)圖像或需要快速完成掃描的應(yīng)用至關(guān)重要。如錐形束CT（CBCT）的應(yīng)用場景，殘影的增加，就需要后期的殘影修正算法來降低偽影。而這些補(bǔ)救手段會有其負(fù)面作用，例如滯后校正算法帶來的重建時間延長和空間分辨的下降等。CMOS探測器由于殘影比非晶硅低近一個數(shù)量級，因此幾乎不存在這些問題。

輻照壽命

集成電路固有的對輻照耐受度低的問題依然導(dǎo)致了對CMOS探測器的種種顧慮。不過需要指出的是，CMOS探測器發(fā)揮優(yōu)勢的醫(yī)療領(lǐng)域，所用到的劑量一般不大，CMOS傳感器的輻照壽命不是探測器壽命的瓶頸。而工業(yè)應(yīng)用中的高劑量場景下，也可以通過增加FOP屏蔽層來大幅度減少芯片受到的輻射。

綜上所述，CMOS探測器相比于非晶硅探測器具有小像素、高幀速率、低讀出噪聲等優(yōu)勢，其各項性能優(yōu)劣對比可見下表。實際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ煌阅苤笜?biāo)需求的取舍，來選擇合適的探測器技術(shù)。

表1各種類探測器比較

審核編輯：劉清