一种图像传感器
专利汇可以提供一种图像传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种图像 传感器 ，包括行、列 像素 。每个像素由一个图像传感元件(26)和一个 开关 装置(32，34)构成。该开关装置(32，34)能将图像传感元件(26)的 信号 传送到相关联的列导体(30)。所述的开关装置有两个输入-由行导体(22)规定的第一输入，以及第二输入。相邻的两列像素与一列导体(30)相关联，相邻导体之间的两列像素(P1，P2；P3，P4；P5，P6)和各自的、提供第二输入的共用控制线(CS0；CS1；CS2；CS3)相关联。带两个输入的开关 电路 能将单个像素分离出来。每两列像素之间的控制线的共用，意味着每个像素与其在只有单一控制输入的常规阵列中时，所需的连接数量相同。，下面是一种图像传感器专利的具体信息内容。
1.一种图像传感器，包括行、列图像传感像素，每行像素与各自 的行导体相关，每列像素与一列导体相关，所述每行像素和每列像素中 每个像素包括一个图像传感元件和一个开关装置，所述的开关装置能将 图像传感元件的信号传送到相关的列导体，其中，该开关装置由两个输 入控制，即由行导体规定的第一输入，以及第二输入，其特征在于：
相邻的两列像素与每列导体相关，位于列导体的两侧，从而列导体 之间的间距是列像素间距的两倍；相邻列导体之间的两列像素，与各自 的、提供第二输入的共用控制线相关。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：每一列导体设 置有一可选择性操作的路径选择装置，将来自列导体的信号传送到第一 或第二信号测量装置。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于：所述的共用控 制线给与其相关的两列的两个路径选择装置提供控制信号，该控制信号 能使其中一个路径选择装置选定到第一信号测量装置的路径，使另一个 路径选择装置选定到第二信号测量装置的路径。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于：每个所述路径 选择装置包括第一和第二晶体管，第一晶体管连接在列导体和第一信号 测量装置之间，第二晶体管连接在列导体和第二信号测量装置之间。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于：第一晶体管和 第二晶体管由非晶硅薄膜晶体管组成；每个像素的开关装置也由一个或 一个以上非晶硅薄膜晶体管组成。
6.如权利要求2至5中任一项所述的图像传感器，其特征在于： 每个所述信号测量装置包括一个电荷敏感放大器。
7.如权利要求1至5中任一项所述的图像传感器，其特征在于： 连接在所述列导体和一个公共极之间的每个像素，由构成开关装置的两 个串联的晶体管，以及图像传感元件构成。
8.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于：开关装置的两 个输入与两个串联的晶体管的栅极连接。
9.如权利要求7所述的图像传感器，其特征在于：像素中两个串 联的晶体管的其中一个，也构成了同一列中相邻像素的两个串联晶体管 中的一个。
10.如权利要求1至5中任一项所述的图像传感器，其特征在于： 所述图像传感元件包括一光电二极管。
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，特别是这种图像传感器的像素设计。 具体来说，但并非特指，本发明涉及一种基于薄膜晶体管(TFT)-光电 二极管技术的图像传感器阵列。
背景技术
现有技术中，早有使用TFT-光电二极管像素电路的传感器。使其 发展、并推动它们继续发展的动力在于这种传感器在医疗诊断成像上的 应用。最近，人们对基于光学技术产生的指纹传感器的兴趣大大提高了。 一开始是对二极管-二极管传感器阵列进行改进，但现在人们的注意力转 向了TFT/光电二极管技术，因为这种技术耗能更低，读取更快，并且多 路复用比率更高。
图1示出了与TFT/光电二极管图像传感器阵列20连接的列多路复 用电路10的典型结构。为简便起见，阵列20只画出一行，与行导体22 相关。该行的每个像素都包括一个TFT24和一个光电二极管26，它们 串联在公共极28和各自的列导体30之间。行导体22上的信号使每个像 素的TFT24导通，因此光电二极管26产生光电流，流到各自的列导体 30中，由电荷敏感放大器40读取。
每列导体30和电荷敏感放大器40之间都有TFT形式的多路复用开 关31，其按组排列，一组中的每个开关31都由控制线A、B、C、D单 独控制。从A到D的四条控制线定义了从A到D的四个多路复用通道。 每一组开关都带有相应的电荷测量装置40，但不同的组会共用控制线。 图中所示的装置提供了4∶1的多路复用功能，并需要从A到D的四条 附加控制线。
阵列被光照射后，光电二极管的电容中存储了信号电荷。此时，把 一正脉冲加到相关的行导体上，依次寻址每一行，就可读出阵列。在没 有列多路复用的阵列中，每一列连接到其自身的电荷敏感放大器上。当 TFT24导通时，每个像素的信号电荷就沿列导体30的方向，向下流动 到各自的电荷敏感放大器中。
然而，在设置列多路复用的阵列中，情况就更为复杂，因为要考虑 到与多路复用通道A连接的各列被读取时的情况。这只能通过使与控制 线A连接的多路复用的TFT导通，并确保所有其他多路复用的TFT 截止的办法来解决。如此，当施加一行脉冲时，与多路复用通道A相关 的各列中，像素的信号电荷就会沿列向向下流动，经多路复用开关31到 达各自的电荷敏感放大器40中。但同时，其他像素的TFT24也会导通， 它们光电二极管中的信号电荷即被转移到列电容中去。因此，读取多路 复用通道A的动作会使其他像素的信号电荷消失在列电容中。
如果所记录的为静态图像，如指纹，则可以通过分次曝光，重新产 生已经丢失的电荷。在这种模式中，多路复用开关A导通，阵列中所有 行被顺序寻址，因此可从与多路复用通道A相关各列连接的所有像素中 读取电荷。读完后，阵列再次曝光，与通道B相关的列多路复用开关31 导通。行再次被顺序寻址，因此与通道B相关的像素的电荷也被读出。 多路复用通道C和D也是如此。但是，当该方法用于解决电荷丢失的 问题时，还存在两方面的不足。首先，分次曝光和读取导致图像捕获过 程加长，特别是指纹传感器，这是人们不期望的；而且采用分次曝光也 不适于非静态图像，如医学诊断成像领域。其次，阵列的数据按列的序 列出现。原则上这不成其为问题，但实践中则需要发展预定的图像捕获 和处理软件。
为避免必须多次成像，则可以通过转移列电容中的电荷来恢复丢失 的像素电荷。当使多路复用通道B、C、D各自的多路复用开关31导通， 并读取这些通道时，列电容就能连接到电荷敏感放大器。配合这样的读 取方案，还需设计许多定时方案，但所有的定时方案都会遇到如下障碍， 即电荷要在列电容中储存一段时间，而且对每个多路复用通道而言，这 段时间都不相同。涉及该读取方案类型的主要问题是来自每一列中所有 像素的漏电流的影响。
还可进一步选择另一个方案，即采用一完整的模拟行存储器(采样 保持电路)作为列多路复用电路部分。由于设置了这个电路，当对特定行 寻址时，该行像素的信号电荷就能转移到行存储器中。这个过程完成后， 电荷经设置了最适合应用的定时方案的列多路复用开关，转移到电荷敏 感放大器中。此外，还有几种可能的实现方法，这些方法基本上可分成 两类。第一类采用一简单的开关/电容器作为取样-保持(S/H)电路， 第二类以高增益的缓冲放大器作为S/H电路部分。这两类改进都有不足 之处：第一类中，光电二极管电容器和列寄生电容之间存在共用寄生电 荷；第二类中，除电路更为复杂之外，问题还在于采用与像素的TFT相 同的技术---如n通道非晶硅技术---来实现高增益缓冲的难度。
还有一种可选方案，实现起来简单，允许列多路复用与单曝图像传 感器一起使用。采用与图像传感器像素装置相同技术的多路复用电路--- 如n通道非晶硅装置---也要求易实现。
美国5 134 489专利公开了一种图像传感器，包括行、列图像传感 像素，每行像素与各自的行导体相关，每列像素与各自的列导体相关。 每个像素包括一图像传感元件和一开关装置，其中，该开关装置能将图 像传感元件的信号传送给各自的列导体，它由两个输入控制，即由行导 体定义的第一输入，以及第二输入。
用两个输入来控制开关装置，可以寻址一行中的单个像素，或者其 中的一组像素。换言之，行地址脉冲不会使该行所有像素的图像传感元 件转移电荷。第二输入实际上与列像素相关，因此两个开关输入就能确 定阵列的唯一像素。美国5 134 489专利提出了一种更为复杂的，用两个 串联的TFT来实现的开关装置。但这种方法也增加了每个像素控制线的 个数，反过来减少了像素中图像传感元件的可用范围，因此降低了图像 传感装置的灵敏度。
发明内容
通过这种方式，一列导体由两列像素共用，给开关提供第二输入的 附加控制线也同样由两列像素共用，这意味着每个像素与其在由行导体 规定单个开关控制线的常规阵列中时，所需的连接数量相同。但是，共 用的列导体和共用控制线交错，因此虽然一条控制线可寻址两列像素， 但因为这些控制线与不同的列导体相关，所以信号可以被分别读取。
因此，最好是给每一列导体提供一可选择操作的路径选择装置，其 发送列导体的信号到第一或第二信号测量装置。两个测量装置使来自于 和每条控制线相关的两列导体的信号能同时被读取。
共用控制线给与其相关的两列的两个路径选择装置提供控制信号。 该控制信号，使其中一个路径选择装置选定到第一信号测量装置的路径， 另一个路径选择装置选定到第二信号测量装置的路径。如此，给像素的 控制输入也被用于控制给两个测量装置提供信号。
每个路径选择装置包括第一和第二晶体管，第一晶体管连接在列导 体和第一信号测量装置之间，第二晶体管连接在列导体和第二信号测量 装置之间。所述的晶体管最好包括非晶硅薄膜晶体管，每个像素的开关 装置也包括一个或一个以上这样的晶体管，因此路径选择装置能容易地 一体化于像素阵列中。
每个像素可以包括两个串联的晶体管(构成开关装置)和图像传感 元件，连接在列导体和一公共极之间。
像素中两个串联的晶体管，其中之一，也可构成同一列中、其相邻 像素两个串联的晶体管中的一个。因此，所需的附加像素电路的个数就 减少了。
现在参考说明书附图，详细描述本发明的实施例。
附图说明
图2所示为改进后的可实现多路复用功能的像素设计；
图3所示为采用了图2的像素设计而成的像素结构和多路复用设 计；
图4所示为本发明采用了图2的像素设计而成的像素结构和多路复 用设计；
图5详细地显示了图4的设计；
图6所示为本发明像素结构以及多路复用设计的第二实施例。
具体实施方式
图1中的单个TFT24改由两个串联的TFT32，34代替(虽然也 可选用一个带两个栅极的TFT)。第一个栅极与在常规的TFT/光电二 极管像素中时一样，连接至行电极22。第二个栅极，即所谓的列选输入， 是像素进一步的控制输入，决定像素能否被读取。该控制输入CS与列 像素相关，因此两个栅极信号能一起独立地选择每个像素。由于TFT32， 34串联，只有在它们都导通时，像素才能被读取，也就是说，当行选、 列选输入均为正电荷时才可以读取像素。图2也给出了像素布局图P的 图示，该图示会在下面用到。
图3示出了改进后的像素电路是怎样与简单的列多路复用电路一起 使用的，它们提供了多路复用功能，只要求每帧一次曝光即可。为简便 起见，图3只示出阵列中的两行22a和22b，每一行包括与4∶1列多路 复用块连接的四个为一组的像素。在完整的阵列中，有许多这样的像素 组，每组设置一个相关的电荷敏感放大器40。每一列底部的TFT31现 为选择性元件，因为多路复用功能可按像素极实现。从A到D的控制线 定义了从A到D的多路复用通道，它们也定义了从CS0到CS3的列选 信号。
曝光之后，像素电荷即刻被存储在光电二极管的电容中，阵列处于 待读状态。如果没有列多路复用，阵列就是一行接一行寻址的。寻址并 读取特定行的信号电荷，这个过程分成四个阶段进行(对一个4∶1的列 多路复用而言)。首先，读取和A列连接的像素，随后是和B列连接的 像素，以次类推。读取和A列连接的像素，是通过驱动A输入为正， 并将一个正脉冲加到相应的行电极上来实现的。驱动A输入为正，使多 路复用TFT31导通，并提供正的列选信号CS0使该列像素的第二晶体 管34导通，这样，所选行的A像素的像素电荷就转移到各自的电荷敏 感放大器40中。但其他电荷没有移动，因为对所选行的其他像素而言， 列选输入CS1到CS3不是正信号，这就阻止了电荷从光电二极管的电 容中转移。这个过程在B列、C列和D列中也是如此，因此为了读取一 行中的全部像素，就需要给行电极提供四个正脉冲(每个多路复用通道 一个)。
如上文所述，开关31可以从电路中省略掉。但是，电荷敏感放大 器40的输入中，容性负载包括了所有四列当中的全部寄生电容。在一些 应用中，特别是在那些对低噪音要求很高的应用中，容性负载应保持在 最小值(因为这一点的容抗会有效地放大电荷敏感放大器输入晶体管的 噪音)。如果TFT31并入在电路中，则未被接入的列电容与放大器的输 入是隔离的，在4∶1的多路复用的例子中，输入电容就会降低4倍。
图3所示电路的主要缺陷在于，阵列中每个像素所需要的连接数量。 每个像素要有4个连接：行电极22，列电极30，公共极28和列选电极 CS。理想情况下，这种用于光电二极管的像素，应该最大程度地提供最 大可能信号，而增加电极的个数就会降低每个像素的区域范围。
图4示出了本发明的实施例。图中，每个像素P由示意性的方框表 示，即图2中所用的标示。阵列部分包括从P0到P7的8个像素，多路 复用连接到两个电荷敏感放大器40a和40b上，多路复用比率如前所述 为4∶1。
在所述的装置中，两个相邻的列像素和每一列导体相关。因此，包 括像素P0和P1在内的列相关于列导体30a，包括像素P2和P3在内的 列相关于列导体30b，等等，以次类推。每种情况中，两个相邻列都位 于列导体30的两侧。这就意味着列导体30的间距是列像素间距的两倍， 两列像素共用一列导体30。
相似地，在一对相邻列之间列选控制线CS也是共用的，特别是相 邻列导体之间的两列像素，就是与各自的共用列选控制线CS相关的。 因此，包括像素P1和P2在内的列位于列导体30a和30b之间，共用控 制线CS0。包括像素P3和P4在内的列位于列导体30b和30c之间，共 用控制线CS1。
虽然列选控制线CS不能寻址单个像素，但由一条控制线CS寻址 的两列像素与不同的列导体30相关，这意味着有两个像素会被同时寻 址，提供给不同的列导体30的信号会由放大器40a和40b同时读取。
为实现上述功能，每一列导体带有一路径选择装置50，该路径选择 装置50能使各自的列导体30上的信号传送到两个放大器40a和40b中 的一个或另外一个。以路径选择装置50a为例，该装置包括两个晶体管 52、54。第一晶体管52连接在列导体30a和放大器40b中的一个之间， 第二晶体管54连接在列导体30a和相关的另一个放大器40a之间。
这样设计电路，因而列选控制线CS也能为路径选择装置50提供开 关信号。因此，当一列选控制信号为高电平时，就能确保相关列的两路径 选择装置50选定到不同的电荷敏感放大器的路径。例如，假设列选控 制信号CS0是高电平，这使得列导体30a上的信号传送到电荷敏感放大 器40a，并且列导体30b上的信号传送到电荷敏感放大器40b。此时， 列选信号CS3和CS1均为低电平，因此路径选择装置50a的晶体管52 截止，路径选择装置50b的晶体管54也截止。
如图4底部列出的表所示，在一行脉冲加到行导体22上的期间里， 列选控制信号线顺序输入脉冲，每条列选控制信号线使该行的两个像素 传送信号到两个放大器40a、40b。
路径选择装置50的晶体管可采用与像素晶体管相同的技术来实现。 特别是，阵列中所有的晶体管都可以采用薄膜非晶硅晶体管。
列导体和列选控制线的共用，意味着每个像素实际上有与之在非多 路复用的阵列中相同的电极数。这样，平均下来，每行像素与一行导体 22相关，每列像素与一列导体30或CS相关，并且每个像素与公共极(图 4中未示出)连接。
图5详细地显示了图4所示的电路元件布局图。
本发明采用了具有单次曝光传感器阵列的列多路复用电路，但没有 较大地增加像素的复杂程度，也没有增加每个像素所需的连接。
但是，如上文所述的像素结构，每个像素都需要一个附加晶体管。 图6示出了本发明的第二实施例，在该实施例中，除了共用控制线和列 导体，第二晶体管34所在的像素也在同一列中相邻的像素之间共用。图 6中示出了两行像素22a，22b，其中，每个像素的第二晶体管34被两 行共用。为实现该布局，每行的布局都是相邻行布局的镜象。对每两行 22a、22b而言，行导体22将置于所述两行的上、下表面。
图6采用与图4、图5同样的方式，对所示的布局寻址。尽管共用 了晶体管34，来自唯一的图像传感元件的信号在任何时间被传送到各自的 列导体30中，因为任意时间点上，晶体管32中只能有一个被行地址脉冲 导通。
如上文所述，本发明可以用于医学诊断成像。这种情况下，图像传 感器用来作X射线图像探测器。为了这个目的，像素阵列上方增加一射 线转换层，该射线转换层可通过光电二极管阵列将入射的X射线信号转 换成用于探测的可见光。
对阵列而言，专有名词“列”和“行”是随意的，对行和列这种术 语的使用应被理解为仅仅表示图像传感元件的二维空间阵列。
有关制造图像传感器的过程对本领域熟练的技术人员而言是已知 的，特别是，本发明可用标准的光刻技术来实现，例如制造图1中的常 规装置所用的技术。
各种改进对本领域熟练的技术人员来说都将是显而易见的。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
