什么是CMOS平板探测器？CMOS与非晶硅威廉希尔官方网站 的异同点

什么是CMOS平板探测器呢？

呐呐呐，了解CMOS平板探测器之前呢，小V先带大家来认识认识CMOS和平板探测器。

CMOS

CMOS全称是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体），它是指制造大规模集成电路芯片用的一种威廉希尔官方网站 或用这种威廉希尔官方网站 制造出来的芯片。

平板探测器

平板探测器是一种精密和贵重的设备，对成像质量起着决定性的作用，熟悉探测器的性能指标有助于提高成像质量和减少X线辐射剂量。

所谓CMOS平板探测器就是运用了CMOS威廉希尔官方网站 的平板探测，即主要的核心部分使用了晶圆制造工艺。

什么是CMOS平板探测器就讲完啦～但是对于求知若渴的同学们来说，这点知识肯定是不够滴，所以下面我们再一起了解一下CMOS平板探测器相较于普通非晶硅平板探测器有什么优势吧。

CMOS与非晶硅（a-Si）威廉希尔官方网站 的异同点

其实CMOS和非晶硅（amorphous silicon: a-Si）的概念并不是同样一个维度的对比，而是业界沿袭下来的叫法。

更加精准的对比称呼应该是单晶硅（CMOS）和非晶硅（a-Si）平板探测器。

无论是单晶硅（CMOS）还是非晶硅（amorphous silicon: a-Si）平板探测器，都是遵循类似的X射线探测原理。

其工作时的信号转换过程都遵循如下过程：X射线→可见光→电荷信号→数字信号→图像信号。

其中X射线到可见光的转换利用了闪烁体在X射线照射下的发光性质；可见光到电荷信号的转换使用了光电二极管；数字信号到图像信号的转换一般使用FPGA芯片进行。

01

射线源

发射X射线

02

闪烁体

转换为光信号

03

光电二极管

转换为电信号

04

A/D转换

转换为数字信号

05

FPGA芯片

转换为图像信号

上述几个过程中，a-Si与CMOS探测器的威廉希尔官方网站 原理是相同的。

同时，上述的1、2部分也是相同的，都使用了类似的闪烁体，例如碘化铯（CsI）或者硫氧化钆（GOS）。

其中第5部分使用电路进行图像信号的输出部分也是相同的。

关键差异来自interwetten与威廉的赔率体系 的电荷信号到数字信号的转换，这其中包括模拟电荷的传输、读取、转换等过程。

CMOS探测器利用的是模拟集成电路芯片来实现模拟前端电路（AFE）和模拟数字转换（ADC），并且和像素阵列集成到同一个芯片上。

而a-Si探测器是以非晶硅为原材料，使用薄膜晶体管（TFT）工艺形成探测器像素阵列，而模拟前端电路（AFE）和模拟数字转换（ADC）则用一个单独的ASIC芯片。

二者最大的区别是：两种材料内部硅原子的排列情况不同，电子迁移率不同——单晶硅比非晶硅要快3个数量级（1000倍）。由于电子迁移率的差异，使得材料的电阻率也不同，这在电路中表现出时间响应、噪声响应等方面的差异，因此带来了诸多好处。

图2非晶硅（a-Si）结构与单晶硅( CMOS )结构的比较

科普解释：

在进入下面的学习之前，让我们一起先来了解几个名词吧！

电子迁移率：固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量，主要受半导体材料影响。

帧速率：是指每秒钟可以输出多少帧图像。

剂量：本文所说的剂量指的是吸收剂量。是单位质量受照物质所吸收的平均电离辐射能量，单位是J/kg。在X射线成像的应用中，光源的能谱确定的情况下，辐射的剂量就与X射线光子的数量成比例了，可以用来表示探测器接收到的信号量子数大小。

分辨率：又称为像素矩阵，例如1536*1536，意思是一块平板探测器有1536行，1536列，有1536*1536=2359296个标准大小的像素。

CMOS探测器的低剂量优势

探测器的噪声来源大体上可以分为两类：

（1）X射线本身、X光子与物质相互作用的量子属性导致的散粒噪声。这类噪声服从泊松分布，信号强度与方差相同。即，随着信号强度的加大，噪声也会增加。

（2）读出信号的电路引入的噪声。其大体上遵循高斯分布，且不会随着X射线信号的增强而增加，属于探测器自身属性。

因此探测器输出的单帧图像信噪比可以表示为：

其中λ表示信号泊松分布的均值，δ²表示读出噪声的方差。

可以看出，随着X射线曝光剂量的提高（信号量变多），λ≫δ²，SNR将主要由量子噪声决定，其大小趋近于√λ。所以此时信噪比主要取决于曝光剂量、闪烁体发光量、像素大小等因素。由于曝光剂量是一个体积微分量，需要对每个像素的灵敏区体积（包括了闪烁体厚度和像素面积大小）进行积分才可以得到真正的信号量。

但当探测器接收到的照射剂量很低时，读出噪声逐渐占据主导。CMOS探测器噪声优于非晶硅探测器的原因有两点，第一是本身电子传输过程中的噪声较小，第二是CMOS探测器可以在像素内做放大器，因此是将像素内的信号放大后再传输，而a-Si是将像素内信号传输到外部后再放大，传输噪声与信号一起被放大了。两种因素叠加导致CMOS的读出噪声一般仅有a-Si的1/10，导致极低剂量时CMOS具有明显的信噪比优势。

图1非晶硅与CMOS探测器像素放大的差异

CMOS探测器的高速优势

为什么CMOS平板探测器比非晶硅平板探测器更适合高速动态成像。

首先，CMOS平板探测器的半导体材料使用的晶圆级单晶硅为原材料，由于单晶硅内晶格缺陷较少，其电子迁移率可以达到1400 cm2/（V·s）；而a-Si材料中电子迁移率仅有大约1 cm2/（V·s）。这三个数量级的差距使得CMOS探测器可以有更快的信号读出，即实现更高的帧速率。

目前我司设计的平板探测器可以实现全尺寸将近100FPS@1x1的输出，欢迎各位客户来体验高速的快乐。

CMOS传感器像素尺寸优势

第三节中提到的单晶硅（CMOS）相对于非晶硅（a-Si）的优势根源是晶体硅的低缺陷率。低晶体缺陷率除了直接地带来了高电子迁移率外，还间接地影响了探测器其他方面的设计。比如，可以利用半导体产业成熟制的程工艺在硅片上刻蚀更细的线路，而更细的线路可以组成更小尺寸的晶体管。这就意味着，CMOS可以实现与a-Si相同像素尺寸时更高的像素区域填充率，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积更大，提高了探测效率；后者可以实现更高的空间分辨能力。目前市面上的CMOS探测器已经可以实现50微米甚至更小的像素尺寸，这可以在维持图像分辨率的同时，为客户提供更紧凑的整机结构等多项优势。

CMOS传感器低残影优势

CMOS探测器的单晶硅电子迁移率优势也会体现在残影问题上。由于CMOS的电子迁移率高，相同帧速率下，下一帧图像中包含的之前帧的残留就更低。这对于拍摄动态图像或需要快速完成扫描的应用至关重要。如锥形束CT（CBCT）的应用场景，残影的增加，就需要后期的残影修正算法来降低伪影。而这些补救手段会有其负面作用，例如滞后校正算法带来的重建时间延长和空间分辨的下降等。CMOS探测器由于残影比非晶硅低近一个数量级，因此几乎不存在这些问题。

辐照寿命

集成电路固有的对辐照耐受度低的问题依然导致了对CMOS探测器的种种顾虑。不过需要指出的是，CMOS探测器发挥优势的医疗领域，所用到的剂量一般不大，CMOS传感器的辐照寿命不是探测器寿命的瓶颈。而工业应用中的高剂量场景下，也可以通过增加FOP屏蔽层来大幅度减少芯片受到的辐射。

综上所述，CMOS探测器相比于非晶硅探测器具有小像素、高帧速率、低读出噪声等优势，其各项性能优劣对比可见下表。实际应用中，用户可以根据具体应用领域对不同性能指标需求的取舍，来选择合适的探测器威廉希尔官方网站 。

表1各种类探测器比较

审核编辑：刘清