什么是CMOS平板探測(cè)器呢？

吶吶吶，了解CMOS平板探測(cè)器之前呢，小V先帶大家來(lái)認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)CMOS和平板探測(cè)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(lái)的芯片。

平板探測(cè)器

平板探測(cè)器是一種精密和貴重的設(shè)備，對(duì)成像質(zhì)量起著決定性的作用，熟悉探測(cè)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(cè)器就是運(yùn)用了CMOS技術(shù)的平板探測(cè)，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(cè)器就講完啦～但是對(duì)于求知若渴的同學(xué)們來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)知識(shí)肯定是不夠滴，所以下面我們?cè)僖黄鹆私庖幌翪MOS平板探測(cè)器相較于普通非晶硅平板探測(cè)器有什么優(yōu)勢(shì)吧。

CMOS與非晶硅（a-Si）技術(shù)的異同點(diǎn)

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

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

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

其工作時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程都遵循如下過(guò)程：X射線→可見光→電荷信號(hào)→數(shù)字信號(hào)→圖像信號(hào)。

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(hào)的轉(zhuǎn)換使用了光電二極管；數(shù)字信號(hào)到圖像信號(hào)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(hào)

03

光電二極管

轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

04

A/D轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

05

FPGA芯片

轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)

上述幾個(gè)過(guò)程中，a-Si與CMOS探測(cè)器的技術(shù)原理是相同的。

同時(shí)，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(hào)的輸出部分也是相同的。

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

CMOS探測(cè)器利用的是模擬集成電路芯片來(lái)實(shí)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(gè)芯片上。

而a-Si探測(cè)器是以非晶硅為原材料，使用薄膜晶體管（TFT）工藝形成探測(cè)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(gè)單獨(dú)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(gè)數(shù)量級(jí)（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(shí)間響應(yīng)、噪聲響應(yīng)等方面的差異，因此帶來(lái)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(lái)了解幾個(gè)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(chǎng)作用下移動(dòng)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(shuō)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(lái)表示探測(cè)器接收到的信號(hào)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(cè)器有1536行，1536列，有1536*1536=2359296個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大小的像素。

CMOS探測(cè)器的低劑量?jī)?yōu)勢(shì)

探測(cè)器的噪聲來(lái)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(hào)強(qiáng)度與方差相同。即，隨著信號(hào)強(qiáng)度的加大，噪聲也會(huì)增加。

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

因此探測(cè)器輸出的單幀圖像信噪比可以表示為：

其中λ表示信號(hào)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(hào)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(shí)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(gè)體積微分量，需要對(duì)每個(gè)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(hào)量。

但當(dāng)探測(cè)器接收到的照射劑量很低時(shí)，讀出噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)。CMOS探測(cè)器噪聲優(yōu)于非晶硅探測(cè)器的原因有兩點(diǎn)，第一是本身電子傳輸過(guò)程中的噪聲較小，第二是CMOS探測(cè)器可以在像素內(nèi)做放大器，因此是將像素內(nèi)的信號(hào)放大后再傳輸，而a-Si是將像素內(nèi)信號(hào)傳輸?shù)酵獠亢笤俜糯螅瑐鬏斣肼暸c信號(hào)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(shí)CMOS具有明顯的信噪比優(yōu)勢(shì)。

圖1非晶硅與CMOS探測(cè)器像素放大的差異

CMOS探測(cè)器的高速優(yōu)勢(shì)

為什么CMOS平板探測(cè)器比非晶硅平板探測(cè)器更適合高速動(dòng)態(tài)成像。

首先，CMOS平板探測(cè)器的半導(dǎo)體材料使用的晶圓級(jí)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(gè)數(shù)量級(jí)的差距使得CMOS探測(cè)器可以有更快的信號(hào)讀出，即實(shí)現(xiàn)更高的幀速率。

目前我司設(shè)計(jì)的平板探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)全尺寸將近100FPS@1x1的輸出，歡迎各位客戶來(lái)體驗(yàn)高速的快樂(lè)。

CMOS傳感器像素尺寸優(yōu)勢(shì)

第三節(jié)中提到的單晶硅（CMOS）相對(duì)于非晶硅（a-Si）的優(yōu)勢(shì)根源是晶體硅的低缺陷率。低晶體缺陷率除了直接地帶來(lái)了高電子遷移率外，還間接地影響了探測(cè)器其他方面的設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)與a-Si相同像素尺寸時(shí)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(cè)效率；后者可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨能力。目前市面上的CMOS探測(cè)器已經(jīng)可以實(shí)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(shí)，為客戶提供更緊湊的整機(jī)結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

CMOS傳感器低殘影優(yōu)勢(shì)

CMOS探測(cè)器的單晶硅電子遷移率優(yōu)勢(shì)也會(huì)體現(xiàn)在殘影問(wèn)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(duì)于拍攝動(dòng)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(chǎng)景，殘影的增加，就需要后期的殘影修正算法來(lái)降低偽影。而這些補(bǔ)救手段會(huì)有其負(fù)面作用，例如滯后校正算法帶來(lái)的重建時(shí)間延長(zhǎng)和空間分辨的下降等。CMOS探測(cè)器由于殘影比非晶硅低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此幾乎不存在這些問(wèn)題。

輻照壽命

集成電路固有的對(duì)輻照耐受度低的問(wèn)題依然導(dǎo)致了對(duì)CMOS探測(cè)器的種種顧慮。不過(guò)需要指出的是，CMOS探測(cè)器發(fā)揮優(yōu)勢(shì)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(cè)器壽命的瓶頸。而工業(yè)應(yīng)用中的高劑量場(chǎng)景下，也可以通過(guò)增加FOP屏蔽層來(lái)大幅度減少芯片受到的輻射。

綜上所述，CMOS探測(cè)器相比于非晶硅探測(cè)器具有小像素、高幀速率、低讀出噪聲等優(yōu)勢(shì)，其各項(xiàng)性能優(yōu)劣對(duì)比可見下表。實(shí)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(lái)選擇合適的探測(cè)器技術(shù)。

表1各種類探測(cè)器比較

審核編輯：劉清