一种硅像素探测器读出系统及方法

1.本发明涉及半导体探测器技术领域，特别是关于一种硅像素探测器读出系统及方法。


背景技术：

2.在构建像素探测器的过程中，最大的挑战之一是设计出合适的具有数千个电子通道的像素芯片。像素芯片包括有规则排列的像素阵列单元，像素芯片上的电路通过击中信息传输至每一像素芯片的底部，再传输至芯片外部。每一像素电路必须提供传感器电荷的低噪声放大、击中识别和合适的读出方法，必须保证模拟和数字有明确的阈值和有足够的速度。因此，数字读出方法必须处理更高的数据量，必须更快的将数据传输出去。
3.然而，现有技术中的硅像素探测器读出系统、方法只可同时读取被击中像素地址和时间信息，或者只可读取能量信息，甚至只可读取能量模拟信号，无法处理更高的数据量。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够快速读出硅像素探测器能量、时间和位置信息的硅像素探测器读出系统及方法。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种硅像素探测器读出系统，包括由m行n列的若干像素单元组成的像素阵列；
6.所述像素阵列中的每两列所述像素单元组成对应的双列像素模块，相邻的n个所述双列像素模块组成对应的超级列像素模块，若干所述超级列像素模块组成对应的列区块像素模块；所述像素阵列中的若干所述像素单元组成对应的像素集模块，其中，n≤n；
7.每一所述像素单元内均设置有模拟信号处理电路，用于当所述像素单元被粒子击中时获取入射粒子产生的电信号，并产生对应的击中标志位信号；
8.每一所述像素集模块均设置有时间数字转换电路，用于测量对应所述像素集模块击中的时间信息，并根据对应所述像素集模块内所有的击中标志位信号，产生像素集击中标志位信号；
9.每一所述超级列像素模块均设置有超级列控制器，用于根据对应所述超级列像素模块中所有的像素集击中标志位信号，产生读出击中标志位信号；根据对应所述超级列像素模块中所有的电信号，产生能量信号；以及存储所有有效读出击中标志位信号对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的所述像素集模块的数据；
10.每一所述列区块像素模块均设置有列区块控制器，用于读出并存储每一所述超级列控制器内存储的数据；
11.读出控制器，用于读出每一所述列区块控制器内存储的数据。
12.进一步地，每一所述像素集模块均包括s
×
s个像素单元，s≤n。
13.进一步地，每一所述模拟信号处理电路均包括：
14.cmos像素传感器，用于当所述像素单元被粒子击中时，获取入射粒子产生的电信号；
15.放大电路，用于对所述cmos像素传感器获取的电信号进行放大；
16.比较器，用于对放大后的电信号进行阈值鉴别，当电信号大于所述比较器阈值时产生击中标志位信号；
17.能量输出电路，用于输出放大后的电信号至对应所述超级列控制器，以及输出产生的击中标志位信号至对应所述时间数字转换电路；
18.数字信号处理及存储器，用于存储击中所述像素单元的位置信息和对应所述能量输出电路输出的电信号。
19.进一步地，所述时间数字转换电路对对应所述像素集模块内所有所述像素单元的击中标志位信号进行or运算，产生像素集击中标志位信号。
20.进一步地，每一所述超级列控制器均包括：
21.超级列读出器，用于对对应所述超级列像素模块中产生的所有像素集击中标志位信号进行or运算，产生读出击中标志位信号；
22.所述超级列读出器还用于当读出击中标志位信号有效时，依次扫描每一像素集击中标志位信号是否有效，当像素集击中标志位信号有效时，则输出该所述像素集模块中每一所述像素单元的放大后的电信号；
23.区域模数转换器，用于基于所述超级列读出器的控制，根据有效像素集击中标志位信号对应的每一所述像素单元的放大后的电信号，产生数字能量信号；
24.第一先进先出存储器，用于存储读出命中信号有效时，对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的所述像素集模块中第一个所述像素单元的地址、该所述像素集模块的时间信息以及该所述像素集模块内所有所述像素单元的数字能量信号。
25.进一步地，每一所述列区块控制器均包括：
26.令牌环读出控制模块，用于采用令牌环读出的方式，将所述列区块像素模块中所有所述超级列控制器内存储的数据读出；
27.第二先进先出存储器，用于存储所述令牌环读出控制模块读出的数据。
28.进一步地，所述读出控制器读出各所述列区块控制器内存储的数据采用令牌环读出的方式。
29.另一方面，提供一种硅像素探测器读出方法，包括：
30.设置上述硅像素探测器读出系统；
31.当某一像素单元被粒子击中时，该像素单元内的模拟信号处理电路获取入射粒子产生的电信号，并产生击中标志位信号；
32.该像素单元对应的像素集模块中，时间数字转换电路根据对应像素集模块内所有的击中标志位信号，产生像素集击中标志位信号；
33.该像素集模块对应的超级列像素模块中，超级列控制器根据对应超级列像素模块中产生的所有像素集击中标志位信号，产生有效的读出击中标志位信号；
34.当读出击中标志位信号有效时，该像素集模块对应的超级列像素模块中，超级列控制器根据对应超级列像素模块中所有像素单元测量的电信号，产生能量信号，并存储所有有效像素集击中标志位信号对应的所述像素集模块的数据；
35.该像素集模块对应的列区块像素模块中，列区块控制器读出并存储每一超级列控制器内存储的数据；
36.读出控制器读出所有列区块控制器内存储的数据，并传输至外部。
37.进一步地，所述当某一像素单元被粒子击中时，该像素单元内的模拟信号处理电路获取入射粒子产生的电信号，并产生击中标志位信号，包括：
38.当某一像素单元被粒子击中时，该像素单元内模拟信号处理电路的cmos像素传感器获取入射粒子产生的电信号；
39.放大电路对cmos像素传感器获取的电信号进行放大；
40.比较器对放大后的电信号进行阈值鉴别，当电信号大于比较器阈值时产生击中标志位信号；
41.能量输出电路输出放大后的电信号至对应超级列控制器，并输出产生的击中标志位信号至时间数字转换电路；
42.数字信号处理及存储器存储击中像素单元的位置信息和对应能量输出电路输出的电信号，并将存储的信息通过读出构架判选传输至芯片外部。
43.进一步地，所述当读出击中标志位信号有效时，该像素集模块对应的超级列像素模块中，超级列控制器根据对应超级列像素模块中所有像素单元测量的电信号，产生能量信号，并存储所有有效像素集击中标志位信号对应的所述像素集模块的数据，包括：
44.当读出击中标志位信号有效时，该像素集模块对应的超级列像素模块中，超级列控制器依次扫描对应的每一像素集击中标志位信号是否有效，若像素集击中标志位信号有效，则将该像素集模块中每一像素单元的放大后的电信号输出至区域模数转换器，并控制区域模数转换器开始采样；
45.区域模数转换器基于超级列读出器的控制，根据有效像素集击中标志位信号对应的每一像素单元的放大后的电信号，产生数字能量信号；
46.第一先进先出存储器存储读出命中信号有效时，对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的像素集模块中第一个像素单元的地址、该像素集模块的时间信息以及该像素集模块内所有像素单元的数字能量信号。
47.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
48.1、本发明中由于设置有时间数字转换电路和超级列控制器，通过时间数字转换电路产生像素集击中标志位信号，通过超级列控制器根据像素集击中标志位信号产生读出命中信号，产生的读出命中信号用于控制是否进行扫描，以及其中的区域模数转换器是否开启，能够有效降低区域模数转换器带来的功耗，提高时间测量的精度。
49.2、因为在单位像素单元中总线信号占用的面积更少，所以本发明像素阵列中的像素单元按照列进行分组，更具有优势。
50.3、本发明中当产生有效的读出击中标志位信号时，才通过超级列读出器对像素集击中标志位信号进行逐一检查，可以有效的减少读出像素的数量。
51.4、本发明中的列区块控制器和读出控制器均采用令牌环读出的方式读出数据，可以提高读出速度。
52.5、本发明中对像素阵列进行像素集模块、超级列像素模块和列区块像素模块的分区，能够逐步检测和筛选有效信息，提高有效数据量的传输。
53.6、本发明中设置有超级列控制器，不仅可以在读出击中标志位信号有效时再开启区域模数转换器，从而有效降低区域模数转换器带来的功耗，而且可以筛选有效击中像素集，明确读出有效击中的位置、时间、能量信号。
54.7、本发明可同时兼顾读出硅像素探测器能量、时间和位置(像素地址)数字化信息。
55.综上所述，本发明可以广泛应用于半导体探测器技术领域中。
附图说明
56.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
57.图1是本发明一实施例提供的读出系统结构示意图；
58.图2是本发明一实施例提供的模拟信号处理电路的信号处理过程示意图；
59.图3是本发明一实施例提供的读出具体实现过程示意图；
60.图4是本发明一实施例提供的芯片级读出方式示意图。
具体实施方式
61.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
62.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
63.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
64.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
65.由于粒子物理实验的实验需求，前端电路和探测器信号处理电路始终与控制读出
逻辑紧密联系在一起。前端电路得到的命中信息必须由控制电路和芯片外围的读出电路进一步传输处理。读出的方法在很大程度上取决于目标应用。在粒子物理的应用中需要更详细的信息，必须提供所有命中的位置，通常还有时间和相应的脉冲幅度。合适的读出方法的选择主要取决于可用的芯片和可接受的命中损失。本发明实施例提供的硅像素探测器读出系统及方法，能够快速读出命中信号的有效信息，包括能量、时间和位置信息，同时也对电路其他模块的低功耗性能进行相应的考虑。尽管现有的像素芯片使用不同的几何形状、读出原理和模拟电路，但在设计的主要部分中，有几个模块的构建和特性是相似的。每一像素单元均包含一个模拟信号处理电路，且在大多数情况下包含用于测量和读取测量数据的数字逻辑。
66.实施例1
67.如图1所示，本实施例提供一种硅像素探测器读出系统，包括像素阵列1，其中，像素阵列1是由m行n列的若干像素单元11组成。
68.像素阵列1中的每两列像素单元11组成对应的双列(double columns，dcol)像素模块2，以便在像素单元11之间共享电路并减少数字和模拟部分之间的串扰。相邻的n(n≤n)个双列像素模块2组成对应的超级列(super colum)像素模块3，若干超级列像素模块3组成对应的列区块像素模块4(column block)。每s
×
s(s≤n)个像素单元11组成对应的像素集模块5(cluster)。
69.如图1和图3所示，该硅像素探测器读出系统还包括模拟信号处理电路、时间数字转换电路6(time to digital converter，tdc)、超级列控制器7(super column controller，scc)、列区块控制器8(column block controller，cbc)和读出控制器9(readout controller)。
70.每一像素单元11内均设置有模拟信号处理电路，模拟信号处理电路用于当像素单元11被粒子击中时获取入射粒子产生的电信号，并产生对应的击中标志位信号(hit flag)。
71.每一像素集模块5均设置有时间数字转换电路6，时间数字转换电路6用于测量对应像素集模块5击中的时间信息，并对对应像素集模块5内所有像素单元11的击中标志位信号进行or运算，产生像素集击中标志位信号(cluster hit)，并将像素集击中标志位信号作为时间数字转换电路6的起始信号。
72.每一超级列像素模块3均设置有超级列控制器7(scc)，每一超级列控制器7均分别连接对应超级列像素模块3内各像素集模块5的时间数字转换电路6，用于对对应超级列像素模块3中产生的所有像素集击中标志位信号进行or运算，产生读出击中标志位信号(readout hit)；根据对应超级列像素模块3中所有像素单元11测量的电信号，产生能量信号；以及存储所有有效读出击中标志位信号对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的像素集模块5中第一个像素单元11的地址、该像素集模块5的时间信息以及该像素集模块5内所有像素单元11的能量信号。
73.每一列区块像素模块4均设置有列区块控制器8(cbc)，每一列区块控制器8分别连接对应列区块像素模块4内每一超级列像素模块3的超级列控制器7，列区块控制器8用于采用令牌环读出的方式，读出并存储每一超级列控制器7内存储的数据。
74.读出控制器9分别连接每一列区块控制器8，读出控制器9用于采用令牌环读出的
方式，读出每一列区块控制器8内存储的数据，并传输至外部。
75.在一个优选的实施例中，像素阵列1中的像素单元11按列分组，即，控制信号以及输出数据流垂直路由。因为在像素单元11中总线信号占用的面积更少的原则，所以采用本实施例的基于列的公式更具有优势。
76.在一个优选的实施例中，如图2所示，每一模拟信号处理电路均包括cmos像素传感器12、放大电路13、比较器14、能量输出电路15和数字信号处理及存储器16。
77.cmos像素传感器12用于当像素单元11被粒子击中时，获取入射粒子产生的电信号。
78.放大电路13用于对cmos像素传感器12获取的电信号进行放大。
79.比较器14用于对放大后的电信号进行阈值鉴别，当电信号大于比较器14阈值时，产生击中标志位信号，当击中标志位信号为1时即为有效，为0时即为无效。
80.能量输出电路15用于输出放大后的电信号至对应超级列控制器7，以及输出产生的击中标志位信号至对应时间数字转换电路6。
81.数字信号处理及存储器16用于存储击中像素单元11的位置信息和对应能量输出电路15输出的电信号，并将存储的信息通过读出构架判选传输至芯片外部。
82.在一个优选的实施例中，如图3所示，每一超级列控制器7均包括超级列读出器71(super column reader，scr)、区域模数转换器72(regional adc)和第一先进先出存储器73。
83.超级列读出器71用于对对应超级列像素模块3中时间数字转换电路6产生的所有像素集击中标志位信号进行or运算，产生读出击中标志位信号。
84.超级列读出器71还用于当读出击中标志位信号有效时，从上到下依次扫描对应的每一像素集击中标志位信号是否有效(为1时即为有效，为0时即为无效)，若像素集击中标志位信号无效，则跳过该像素集模块5至下一像素集模块5；若像素集击中标志位信号有效，则将该像素集模块5中每一像素单元11的放大后的电信号输出至区域模数转换器72，并控制区域模数转换器72开始采样，以有效降低区域模数转换器72带来的功耗。
85.区域模数转换器72用于基于超级列读出器71的控制，根据有效像素集击中标志位信号对应的每一像素单元11的放大后的电信号，产生代表能量的幅值信号，即数字能量信号。
86.第一先进先出存储器73用于存储读出命中信号有效时，对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的像素集模块5中第一个像素单元11(即图3中左上角的像素单元11)的地址、该像素集模块5的时间信息以及该像素集模块5内所有像素单元11的数字能量信号。
87.在一个优选的实施例中，如图4所示，每一列区块控制器8均包括令牌环读出控制模块81和第二先进先出存储器82。
88.令牌环读出控制模块81用于采用令牌环读出的方式，将列区块像素模块4中所有超级列控制器7内第一先进先出存储器73中存储的数据读出。
89.第二先进先出存储器82用于存储令牌环读出控制模块81读出的数据，以提高每一列区块像素模块4的读出速度。
90.具体地，读出击中标志位信号的产生过程为：
91.如图2所示，通过模拟信号处理电路的比较器14产生击中标志位信号，当击中标志
位信号为1时即为有效，为0时即为无效，像素集模块5中所有像素单元11各自输出各自对应的击中标志位信号，这些击中标志位信号无论为0还是为1均输入至对应时间数字转换电路6进行or运算产生像素集击中标志位信号，同理，当像素集击中标志位信号为1时即为有效，为0时即为无效。如图3所示，每一像素集模块5输出各自对应的像素集击中标志位信号，这些像素集击中标志位信号无论为0还是为1均输入至对应超级列控制器7进行or运算产生读出击中标志位信号，当读出击中标志位信号为1时即为有效，为0时即为无效。
92.实施例2
93.本实施例提供一种硅像素探测器读出方法，包括以下步骤：
94.1)设置实施例1的硅像素探测器读出系统。
95.2)当某一像素单元11被粒子击中时，该像素单元11内的模拟信号处理电路获取入射粒子产生的电信号，并产生击中标志位信号，具体为：
96.2.1)当某一像素单元11被粒子击中时，该像素单元11内模拟信号处理电路的cmos像素传感器12获取入射粒子产生的电信号。
97.2.2)该像素单元11内模拟信号处理电路的放大电路13对cmos像素传感器12获取的电信号进行放大。
98.2.3)该像素单元11内模拟信号处理电路的比较器14对放大后的电信号进行阈值鉴别，当电信号大于比较器14阈值时产生击中标志位信号，当击中标志位信号为1时即为有效，为0时即为无效。
99.2.4)该像素单元11内模拟信号处理电路的能量输出电路15输出放大后的电信号至对应超级列控制器7，并输出产生的击中标志位信号至时间数字转换电路6。
100.2.5)该像素单元11内模拟信号处理电路的数字信号处理及存储器16存储击中像素单元11的位置信息和对应能量输出电路15输出的电信号，并将存储的信息通过读出构架判选传输至芯片外部。
101.3)该像素单元11对应的像素集模块5中，时间数字转换电路6对对应像素集模块5内所有像素单元11的击中标志位信号进行or运算，产生像素集击中标志位信号，并将像素集击中标志位信号作为时间数字转换电路6的起始信号。
102.4)该像素集模块5对应的超级列像素模块3中，超级列控制器7对应超级列像素模块3中产生的所有像素集击中标志位信号进行or运算，产生有效的读出击中标志位信号。
103.具体地，该像素集模块5对应的超级列像素模块3中超级列读出器71，对对应超级列像素模块3中时间数字转换电路6产生的所有像素集击中标志位信号进行or运算，产生读出击中标志位信号，当读出击中标志位信号为1时即为有效，为0时即为无效。
104.5)当读出击中标志位信号有效时，该像素集模块5对应的超级列像素模块3中，超级列控制器7根据对应超级列像素模块3中所有像素单元11测量的电信号，产生能量信号，并存储有效的读出击中标志位信号对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的像素集模块5中第一个像素单元11的地址、该像素集模块5的时间信息以及该像素集模块5内所有像素单元11的能量信号，具体为：
105.5.1)当读出击中标志位信号有效时，该像素集模块5对应的超级列像素模块3中，超级列控制器7从上到下依次扫描对应的每一像素集击中标志位信号是否有效，若像素集击中标志位信号无效，则跳过该像素集模块5至下一像素集模块5；若像素集击中标志位信
号有效，则将该像素集模块5中每一像素单元11的放大后的电信号输出至区域模数转换器72，并控制区域模数转换器72开始采样。
106.5.2)区域模数转换器72基于超级列读出器71的控制，根据有效像素集击中标志位信号对应的每一像素单元11的放大后的电信号，产生代表能量的幅值信号，即数字能量信号。
107.5.3)第一先进先出存储器73存储读出命中信号有效时，对应的所有有效像素集击中标志位信号对应的像素集模块5中第一个像素单元11的地址、该像素集模块5的时间信息以及该像素集模块5内所有像素单元11的数字能量信号。
108.6)该像素集模块5对应的列区块像素模块4中，列区块控制器8采用令牌环读出的方式，读出并存储每一超级列控制器7内存储的数据。
109.7)读出控制器9采用令牌环读出的方式，读出所有列区块控制器8内存储的数据，并传输至外部。
110.上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。