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先帶大家來認識認識CMOS和平板探測器。

CMOS

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

平板探測器

平板探測器是一種精密和貴重的設備，對成像質量起著決定性的作用，熟悉探測器的性能指標有助于提高成像質量和減少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勢吧。

CMOS與非晶硅（a-Si）技術的異同點

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，而是業界沿襲下來的叫法。

更加精準的對比稱呼應該是單晶硅（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。

其工作時的信號轉換過程都遵循如下過程：X射線→可見光→電荷信號→數字信號→圖像信號。

其中X射線到可見光的轉換利用了閃爍體在X射線照射下的發光性質；可見光到電荷信號的轉換使用了光電二極管；數字信號到圖像信號的轉換一般使用FPGA芯片進行。

01

射線源

發射X射線

02

閃爍體

轉換為光信號

03

光電二極管

轉換為電信號

04

A/D轉換

轉換為數字信號

05

FPGA芯片

轉換為圖像信號

上述幾個過程中，a-Si與CMOS探測器的技術原理是相同的。

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部分使用電路進行圖像信號的輸出部分也是相同的。

關鍵差異來自模擬的電荷信號到數字信號的轉換，這其中包括模擬電荷的傳輸、讀取、轉換等過程。

CMOS探測器利用的是模擬集成電路芯片來實現模擬前端電路（AFE）和模擬數字轉換（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）和模擬數字轉換（ADC）則用一個單獨的ASIC芯片。

二者最大的區別是：兩種材料內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，這在電路中表現出時間響應、噪聲響應等方面的差異，因此帶來了諸多好處。

圖2非晶硅（a-Si）結構與單晶硅( CMOS )結構的比較

科普解釋：

在進入下面的學習之前，讓我們一起先來了解幾個名詞吧！

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

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。是單位質量受照物質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射線光子的數量成比例了，可以用來表示探測器接收到的信號量子數大小。

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個標準大小的像素。

CMOS探測器的低劑量優勢

探測器的噪聲來源大體上可以分為兩類：

（1）X射線本身、X光子與物質相互作用的量子屬性導致的散粒噪聲。這類噪聲服從泊松分布，信號強度與方差相同。即，隨著信號強度的加大，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體積（包括了閃爍體厚度和像素面積大小）進行積分才可以得到真正的信號量。

但當探測器接收到的照射劑量很低時，讀出噪聲逐漸占據主導。CMOS探測器噪聲優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做放大器，因此是將像素內的信號放大后再傳輸，而a-Si是將像素內信號傳輸到外部后再放大，傳輸噪聲與信號一起被放大了。兩種因素疊加導致CMOS的讀出噪聲一般僅有a-Si的1/10，導致極低劑量時CMOS具有明顯的信噪比優勢。

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成像。

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

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

CMOS傳感器像素尺寸優勢

第三節中提到的單晶硅（CMOS）相對于非晶硅（a-Si）的優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計。比如，可以利用半導體產業成熟制的程工藝在硅片上刻蝕更細的線路，而更細的線路可以組成更小尺寸的晶體管。這就意味著，CMOS可以實現與a-Si相同像素尺寸時更高的像素區域填充率，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；后者可以實現更高的空間分辨能力。目前市面上的CMOS探測器已經可以實現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結構等多項優勢。

CMOS傳感器低殘影優勢

CMOS探測器的單晶硅電子遷移率優勢也會體現在殘影問題上。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。這對于拍攝動態圖像或需要快速完成掃描的應用至關重要。如錐形束CT（CBCT）的應用場景，殘影的增加，就需要后期的殘影修正算法來降低偽影。而這些補救手段會有其負面作用，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探測器發揮優勢的醫療領域，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。而工業應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、低讀出噪聲等優勢，其各項性能優劣對比可見下表。實際應用中，用戶可以根據具體應用領域對不同性能指標需求的取舍，來選擇合適的探測器技術。

表1各種類探測器比較

審核編輯：劉清