CN108431634A - Sipm传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SiPM传感器芯片，其中像素被布置成栅格，所述像素由具有至少一个光电二极管、至少一个淬灭电阻和分流器的微单元组成，其中像素的位置经由线性编码来确定并***求和网络，该求和网络从用于方向x和y的分流器的输出端截取电压，所述电压经由共同的线路NS,v,m或NS,h,n被输送给具有输出通道的运算放大器。利用根据本发明的传感器芯片尤其在PET的情况下可以最小化或者完全解决相互作用深度问题。

Description

SIPM传感器芯片
技术领域
本发明涉及一种传感器芯片，其适合于正电子发射断层扫描检测环。
背景技术
根据现有技术，使用正电子发射断层扫描检测环来检测ß+ß-湮灭辐射。这些环由闪烁晶体组成，所述闪烁晶体与传感器邻接，所述传感器能够检测闪烁辐射。典型的检测器是SiPM（Silizium Photomultiplier（硅光电倍增管））。该结构被形成，使得检测环通常是圆形的，其中要测量的对象、例如患者或动物的身体部分被置于检测环（PET环）的中心。通过使用放射诊断学产生ß+ß- 湮灭辐射，所述ß+ß-湮灭辐射应被检测。在下文中被称作湮没辐射的ß+ß-湮灭辐射射到闪烁晶体上，所述闪烁晶体围绕要检查的对象环形地布置并且产生闪烁辐射。闪烁辐射又被SiMP记录，所述SiMP关于辐射源处于闪烁晶体之后的同心布置中。然而，SiMP也可以布置在闪烁晶体的其他侧处，例如在闪烁晶体之前或在闪烁晶体的侧面。闪烁晶体是三维体。关于要检查的对象从检测环的中心发射湮没辐射的布置，如下横截面展开xy轴，所述湮没辐射射到闪烁晶体上该横截面上。闪烁晶体的深度在该命名法中被称为z轴。在理想化的表示中，要检查的对象或能量为511 keV的辐射的发射源处于检测环的中心，所述辐射在理想情况下垂直地射到闪烁晶体的xy平面上并且具有沿着闪烁晶体的z轴的渗透深度。511 keV湮没辐射于是在闪烁晶体的沿着z轴的一点处触发闪烁，该闪烁被传感器、例如SiPM记录为信号。SiPM甚至能检测各个光子。当最低限度地所需的光射到有源传感器面上时，SiPM微单元（SiPM-Mikrozelle）经历二极管的击穿。这生成电流脉冲，所述电流脉冲可以在组件的输出端处被测量。所谓的淬灭电阻防止，所述单元生成临界电流，该临界电流变为高的，使得组件被损坏。SiPM微单元的输出电流与到达传感器并且已开始击穿过程的光量无关。SiPM微单元是二进制传感器，其检测光是否入射。为了获得关于入射光的定量信息，SiPM由多个微单元组成。微单元在此由光电二极管和淬灭电阻组成。被击穿的单元的数量于是说明关于入射光量的信息。
在闪烁晶体的灵敏度与闪烁晶体沿着z轴的长度之间存在相互关系。闪烁晶体的尺寸被确定得越深，则该闪烁晶体越灵敏，因为越可能发生闪烁事件。在检测湮没辐射时从如下点在两个相反的方向上发射射束，使得射束构成180°的角度，在该点处发射湮没辐射。通过这些射束形成的线被称为“响应线”（line of response（LOR））。相应地，在环形的检测器的情况下，两个射束沿着LOR射到闪烁晶体上，关于环形布置，发射源处于该环形布置的中心，所述闪烁晶***于相对侧上。
对于在闪烁晶体的仅仅一个侧面上具有通过SiPM形式的光电二极管的光检测的检测器而言，存在不同的所设立的方法，以便确定事件的x位置和y位置。然而，这些位置并不包含z位置并且因此在闪烁晶体中的精确位置未被确定，在该位置处伽马光子停止在z轴上并且被转换成光。如果z位置未一起被确定，则在确定LOR时发生视差，该视差应归因于所谓的相互作用深度问题（DOI问题）。如果湮没辐射的发射所开始的点在环形的检测器中并不精确地位于中心，则总是产生DOI问题。LOR的发射中心处于PET环的中心之外越远，该问题变得越大。由此，在设计PET环时发生在通过更长的闪烁晶体提高灵敏度与通过更短的闪烁晶体减小DOI误差之间的折衷。在一些PET应用领域中，存在如下需求：使用紧密地紧贴在检查对象上的PET环。在医学中尤其在应同时利用MRT方法和PET方法检查患者时情况如此。于是，PET环必须适合MRT扫描器管的开口。这导致，所使用的PET环在直径方面的尺寸必须被确定为小的，以便PET环适合MRT环的开口。然而在PET环的小的尺寸确定的情况下存在如下问题：要检查的对象、例如小动物或人的身体部分虽然可以居中地布置，然而在PET环的直径上被测量，被确定尺寸，使得该身体部分深入PET环的开口的边缘区域中。然而因此湮没辐射所开始的点也稠密地被定位在PET环上，使得DOI问题变得显著。
在过去的几年中，尤其在小动物PET扫描器的情况下随着使用具有越来越小的像素大小的像素化闪烁晶体块明显地改善了分辨率。在此，在xy平面上实现像素化，使得在闪烁晶体中构成在z方向上被定向的像素的管。这特别是通过在小动物PET扫描器的情况下对越来越高的位置分辨率的需求被促进了，因为被检查的对象非常小。同时，像素大小已经达到了亚毫米范围。因此，加强地发生两个必须被解决的问题。第一，像素化的晶体块由处于各个闪烁晶体之间的反射器薄膜和粘合剂组成，以便如此构建像素化的块。粘合剂和反射器薄膜的层具有70μm的大致厚度。因此，具有特别小的像素间距的像素化阵列具有提高的灵敏度损失。在具有如例如在[1]中所使用的0.8 cm x 0.8 cm大的晶体像素的阵列的情况下，粘合剂和薄膜与闪烁晶体的比值明显减小，使得粘合剂和薄膜已经构成29 %的份额。闪烁晶体份额因此降低到71 %。在其他29 %体积中，没有伽马量子可以被停止并且被转换成光。如果使用例如0.5 cm x 0.5 cm的更小的像素化阵列，则晶体份额甚至降低到59 %。因此，利用像素化阵列提高分辨率总是受灵敏度的损失约束。像素化闪烁晶体阵列的第二问题是，所发射的光被聚集到SiPM检测器面的较小的区域上。SiPM由多个微单元组成，所述微单元作为二进制元件起作用。所述微单元检测光是否被检测到。如果光被检测到，则微单元执行击穿。被击穿的微单元的数量定量地说明：多少光已到达检测器表面。当两个或更多个光量子触发微单元时，输出信号保持相同。越多光射到SiPM，则两个或更多个光量子射到SiPM的相同微单元上的概率就越高。这些额外的光量子于是不能被检测到。一致地，在使用像素化闪烁晶体阵列时，微单元饱和的概率明显更高，因为这些像素化闪烁晶体阵列将光更强地聚集到传感器的小区域上。饱和效应也导致检测器的更差的能量分辨率。
如开头所提及的那样，现有技术的检测器使用基于SiPM的传感器技术，以便实现用于使用在MR/PET 混合扫描器中的磁共振断层扫描兼容性（MRI兼容性）。混合扫描器的另一问题是，用于PET检测器和相关的电子设备的空间受磁共振断层扫描装置（MRT）的管直径限制。这尤其对超高场断层扫描装置适用。作为更窄的管直径的结果，PET闪烁晶体必须尽可能短。更短的闪烁晶体同样降低灵敏度。这也意味着，因为管直径的条件，PET环更靠近检查对象。湮灭以及因此得到的LOR越靠近PET环发生，视差就越大。这原因在于：在湮灭靠近PET环发生时，伽马量子不再垂直地入射到闪烁晶体中。这在PET环设计中导致：当PET环靠近要检查的对象时，视差增大并且变得更强，因为在此情况下湮灭同样可能靠近PET环发生。除了通过混合设备的限制之外，也基于更高的灵敏度和更低的成本尝试将PET环设计为尽可能窄。
此外已知的是，许多SiPM传感器方案包含对输出通道的编码，因为通过提高输出通道来满足（erhört）PET环的功率消耗。不过，这由构造决定地是有限的。简单计算阐明这一点。具有8cm的直径和10cm的长度的PET环导致251 cm2的检测器表面。如果使用闪烁晶体和具有0.8 mm的晶体像素大小的SiPM的一对一耦合，假如每个通道单独地被读取，则已经需要39270个读取通道。
为了获得更高的位置分辨率，当前的传感器设计由具有较窄的像素大小的传感器芯片组成。这导致读取通道的明显提高，所述读取通道受功率消耗、空间和数据速率限制。作为由此的结果，开发了位置敏感（PS）的编码方法，以便减少芯片的读取通道的数量[1-3，15]。所开发的最新方案叫PS-SSPM [1]并且基于电荷分配的（ladungsteilenden）PS-SiPM。区分电荷的PS-SiPM微单元如传统的SiPM微单元那样检测光。然而，该传感器方案包含电阻网络，该电阻网络根据位置和编码来分配生成的电荷。在[1]中介绍的检测器结构由像素化晶体阵列组成，该晶体阵列具有0.8mm的间距。
该最新检测器方案在同时高的检测器阵列分辨率的情况下通过通道编码实现输出通道减少的优点，该高的检测器阵列分辨率通过使用具有小于1毫米的间距的像素化闪烁晶体阵列来实现。不过，该最新检测器方案不包含DOI信息检测。
在[4]中公开的方案证明构建由单片晶体和SiPM组成的PET检测器的可能性。如先前已经提及的那样，单片晶体解决由反射器薄膜的空间需求和相关的粘合剂引起的灵敏度损失的问题。此外，由此单片晶体的制造成本更低。晶体的所使用的厚度为2mm。由此，利用在[4]中使用的结构来避免视差，然而这通过闪烁晶体在z方向上的小的伸展来换取。同时，检测效率然而由于小的晶体高度而是低的。
存在测量DOI信息并且因此修正视差的不同的可能性，所述可能性附加地在另一晶体侧面上检测光。特别是对于现有技术的SiPM而言，由此极大地提高成本。仅在一个晶体侧面上检测光并且此外使用单片晶体的用于DOI检测的方案在[5]中被公开并且在[6]中被授予专利。该方案使用如下已知的原理：晶体的光分布与DOI有关。所使用的检测器方案利用单片晶体耦合到Hamamatsu的位置敏感的光电倍增管（PMT） H8500上。此外，使用电阻网络，该电阻网络实现位置编码并且因此也实现输出通道减少。在此，使用光分布的标准偏差，以便估计DOI。为了计算标准偏差，需要光分布的一阶矩和二阶矩。一阶矩已经通过输出通道的线性编码来给定。为了确定二阶矩，已开发了求和网络（Summennetzwerk）并且将其集成到电阻网络中。
具有DOI检测的PET检测器的概况在[7]中予以概括。最近几年中已开发的小动物PET和MR/PET混合扫描器的描述和结果处于[8-11]中。
依靠当前的基于SiPM的技术并且包含用于通道减少的位置编码的检测器方案不包含DOI检测器。因此，利用这些检测器构建的PET环包含重构中的视差。此外，大多数PET环使用像素化晶体阵列。这如上面所描述的那样由在阵列的晶体之间的粘合剂和反射器薄膜决定地导致灵敏度的损失。由于缺少DOI信息，所以就晶体的厚度而言受限制。通过更厚的晶体提高灵敏度伴随由缺少DOI信息决定的位置分辨率的损失发生。在[7]中所提到的用于像素化晶体的DOI方案不能与任意小的晶体一起使用并且对于具有0.8mm或0.5mm晶体大小的晶体阵列而言不起作用。在缺少DOI检测时的主要问题是，PET环大小是有限的并且更窄的环将降低位置分辨率。
在[4]中所描述的检测器利用单片晶体实现。设计了紧密地紧贴的环，以便提高灵敏度。同时使用了单片晶体。由于在闪烁晶体与检查对象之间得到的短距离，所以提高了DOI问题。因此，环的开发器被限制于2mm晶体厚度。这导致：通过窄的环和使用单片晶体获得的灵敏度由于闪烁晶体的短厚度又失去。不过，该论文证明：利用单片晶体的高的分辨率是可能的。利用基于SiPM的检测器的DOI位置可以通过如下方式确定：在两个晶体面上安置传感器。这需要加倍的SiPM传感器面。当前，SiPM传感器是PET环的最昂贵部件中的一个。
测量DOI信息的方法目前还未利用在单片晶体的仅仅一个晶体侧面上的SiPM来实现。在[5，6]中实现的方案使用位置敏感的PMT，其不能使用在强磁场中。由此，其不是MRT兼容的。该方案将可以利用MRT兼容的雪崩光电二极管（APD）来实现，这直到今天还未发生。APD是经历雪崩效应的光电二极管，在光电二极管中通过光生成的光电子被加速并且激活更多电子。得到的光电流与光强度有关，如在PMT中情况如此。尽管该方案在SiPM微单元层面上的实现是另一挑战，因为SiPM微单元是二进制传感器并且在另一模式（所谓的Geiger模式）中运行。
三维动物PET扫描器由Judenhofer等人[8]集成在7T动物扫描器中。其基于APD，所述 APD使用具有4.5mm的厚度的闪烁晶体并且由具有144个晶体的晶体阵列组成，所述晶体具有1.6mm的间距。该晶体阵列耦合到3x3大的APD阵列上。轴向像场（FOV）为19mm。所开发的***示出，特别对于集成的***而言，空间大大受限，这迫使在晶体厚度与轴向FOV之间的折衷。这导致***的0.23%的低灵敏度。此外，DOI问题这里也限制晶体厚度。
以名称MADPET所公开的另一原型扫描器已以其第一版本在慕尼黑被开发[9]。该原型扫描器利用APD实现，所述APD直接耦合到了3.7 mm x 3.7 mm x 12 mm 晶体上。该原型扫描器显示出在使用一对一耦合时提高读取通道的问题。在第一扫描器中，不可能同时读取所有通道。此外扫描器的问题是低灵敏度。在扫描器的第二版本MADPET II中，解决了该问题并且读取所有APD是可能的[14]。第二版本也拥有两层的读取***，具有两层晶体，所述晶体具有位于其间的APD。由于晶体因此被划分，所以也可以确定DOI位置。不过也需要加倍数量的传感器面并且因此重新提高读取通道。此外由于大致加倍的传感器数量产生更高的成本。
在[10，11]中已证明了利用位置敏感的PMT的DOI检测的可能性。
利用由SiPM和单片晶体组成的检测器的研究结果在[12]中被公开。在该方案中，以与针对PMT和APD的原始方案在[5，6]中所公开的相同的方式和方法使用SiPM。
发明内容
本发明的任务是提供一种传感器芯片，其克服现有技术的缺点，利用该传感器芯片可以减小在确定LOR时的视差。应提供一种传感器芯片，其实现在正电子发射断层扫描中使用闪烁单晶体来检测信号，其中DOI问题可以被避免，其方式是：减小在确定LOR时的视差。
传感器芯片的灵敏度和分辨率应予以改善。此外，传感器芯片应适合于尤其在高磁场的情况下与MRT一起被运行。尺寸被确定为小的PET环的精度或在紧密地紧贴在检查对象上的PET环中的精度应予以改善。与测量装置有关的电子设备的空间需求应被减小。设备的成本应予以降低。传感器芯片在其应用方面不应限于在PET中的使用，而是应可以一般地被用于闪烁单晶体。
从权利要求1的前序部分出发，该任务根据本发明利用在权利要求1的特征部分中所说明的特征来解决。开头所提到的任务被解决。
利用根据本发明的传感器芯片现在可以减小尤其在闪烁单晶体的情况下在确定LOR时的视差。测量方法和设备的灵敏度和分辨率被改善。在z方向上更长的闪烁单晶体的使用应被实现。检测器可以与MRT设备一起运行。尤其在设备具有小的尺寸确定时或当PET环紧密地紧贴在检查对象上时减小视差。节约用于相关电子设备的空间和成本。根据本发明的传感器芯片达到非常高的细节精度。因为光分布函数的采样的数量由此显著被提高，因为甚至在微单元层面上的采样是可能的。由此颗粒度被提高到如下倍数，其与稍后所描述的实施方法有关地相对于传统SiPM、光电倍增管或雪崩二极管可以为最大160或更高。这导致二阶矩的更精确的确定。
在下文中对本发明以其一般形式予以描述，而这不应被解释为限制性的。
提供用于PET测量的检测器方案，其中每个单个检测器具有闪烁单晶体和至少一个传感器芯片，所述传感器芯片被定位在闪烁晶体的一个侧面上。优选地，传感器芯片被安置在闪烁单晶体的xy平面上，特别优选地被安置在闪烁单晶体的如下侧面上，该侧面背离检测器环的中心。在另一实施方式中，传感器芯片可以被安置在闪烁单晶体的如下侧面上，所述侧面并不处于xy平面上，例如处于xz平面或yz平面上。然而，这具有如下缺点：对于被安置在xz平面或yz平面上的传感器芯片而言产生扫描器灵敏度损失。如果传感器处于朝向中心的侧面上，则产生附加的康普顿效应。
也可以将多个闪烁单晶体耦合到一个传感器芯片上。
使用闪烁单晶体具有如下优点：单晶体的灵敏度相对于像素化闪烁晶体可以被最大化。在像素化闪烁晶体的情况下，闪烁单晶体的效率显著地被降低，例如在像素化晶体阵列的0.8mm x 0.8mm或0.5mm x 0.5 mm的晶体像素大小的情况下降低到仅71%或59%。
但是闪烁单晶体例如可以非限制性地由LSO、LYSO、BGO、GSO、BaF2或NaI:TI（掺铊碘化钠）组成。这些材料对于本领域技术人员而言是已知的。
小于或等于1的闪烁单晶体的z分量与其在x方向上的伸展的比值导致在xy的二次横截面的情况下的良好结果。最好的结果在比值为0.25时得到。必要时，该比值也可以是更小的。更确切地说，闪烁单晶体的在此实现的长度通过实际情况、诸如PET环的直径或与大的单晶体相联系的成本来确定。闪烁单晶体在z方向上的尺寸确定与应实现的所期望的灵敏度有关。闪烁单晶体在z方向上的大的伸展的实现是传感器芯片的在下文中所描述的根据本发明的设计方案的结果，所述传感器芯片实现这样的尺寸确定，在该尺寸确定的情况下发生DOI误差的最小化。
该传感器芯片根据本发明是SiPM并且由SiPM微单元组成。
在闪烁单晶体上可以施加一个传感器芯片或多个小的传感器芯片，所述多个小的传感器芯片被组合为更大的传感器芯片。
这些传感器芯片可以被粘贴到闪烁单晶体上。针对组合多个小的传感器芯片的情况，这些传感器芯片在其被安置在闪烁单晶体的仅仅一个侧面上时被视为在本发明意义上的唯一的传感器芯片。为此所使用的粘合剂应是透光的。此外，假如应聚束光强度，则光分配器的层可以处于闪烁单晶体和传感器芯片之间。
如下布置也是可能的，在该布置中多于一个的传感器芯片被安置在单晶体上。例如，沿着z轴可以存在堆叠，其中传感器芯片和闪烁单晶体交替。如果使用如下闪烁单晶体，则这尤其是合理的，在所述闪烁单晶体中在确定的晶体区域中的光分布的差异不能如此大，并且将闪烁单晶体划分成多个具有各一个传感器的层是合理的。
在另一实施方式中，传感器芯片也可以被安置在闪烁单晶体的如下侧面上，所述侧面并不位于闪烁单晶体的xy平面上。可以将一个、两个或更多个、例如三个传感器芯片安置在不同的侧面上。在此，传感器芯片可以被安置在闪烁单晶体的两个相对的侧面上或被安置在闪烁单晶体的邻接的侧面上，所述侧面位于xz或yz方向上。可以设想任何子组合。传感器芯片被安置在相对的侧面上的变型方案具有如下优点：当接收到测量信号时因此提高精度。然而，根据该方法和该设备的根据本发明的设计方案，恰好存在如下优点：仅仅必须在闪烁单晶体的一个侧面上读取信号。这对应于具有唯一的传感器芯片的实施方式。因此，根据本发明的方法和设备也变得成本低。
传感器芯片根据本发明由多个像素组成，所述像素的特色在于：每个像素被分配自己的xy位置。像素由至少一个光电二极管、淬灭电阻和分流器组成，该分流器将二极管的所生成的光电流分成两个相同大小的份额。
代替淬灭电阻，也可以通过有源淬灭利用对于本领域技术人员来说已知的方法、例如在使用晶体管的情况下开始淬灭过程。在后续的描述中，在所公开的实施方式中公开淬灭电阻Rq。然而，在所有实施方式中也可以使用其他等同的用于淬灭的装置、例如晶体管，使得公开内容不限于淬灭电阻的使用。
像素布置成栅格，其中像素按行布置在x方向上和y方向上。在此，这些像素按行或列优选地平行于x轴和y轴布置。典型地，10、100或1000个像素分别布置在x方向和y方向上。该布置于是在x方向上包含N行xn = x1,x2,x3,....xN，其中n = 1,2,...N，并且在Y方向上包含M行ym = y1,y2,y3....yM，其中m = 1,2,....M。方向x和y优选地彼此正交地布置，然而其也可以以一角度布置，该角度不同于90°，使得产生菱形图案。
该布置形成一个块。传感器芯片可以具有多个块，所述块布置成栅格。
在第一实施方式中，像素由唯一的SiMP微单元组成，该SiMP微单元由具有2个淬灭电阻的光电二极管组成，所述淬灭电阻一起形成分流器。术语SiMP微单元在下文中被称为微单元。该布置导致非常高的细节精度。通过在单个SiPM中布置100x100或1000x1000个微单元，在集成到微单元区域中时，从光分布的100或200或1000到2000个采样点确定二阶矩。典型的PS-PMT或SiPM阵列具有在每个位置方向上10到20的细节精度。利用新的传感器芯片，光分布函数的采样的数量相对于非芯片实施的SiPM或光电倍增管或雪崩二极管被提高到5倍或更高倍数，这导致利用根据本发明的传感器芯片更好地确定二阶矩，因为每个微单元具有独特的位置编码并且导致如下信号，该信号被输送给分析装置。
微单元在该栅格中的位置于是在xy平面上通过xnym表示，因为每个像素仅包含一个微单元。
微单元处于这些位置中的每个位置中，该微单元由光电二极管Dnm组成，所述光电二极管具有输出网络ND,n,m，在所述输出网络下游连接有分流器Sq,nm，该分流器具有两个淬灭电阻Rq,nm,h和Rq,nm,v，在所述淬灭电阻中索引v表示y方向并且索引h表示x方向，并且其中光电二极管连接在供电电压Vref上。淬灭电阻同样大并且位于1兆欧姆和100兆欧姆的范围中。参考电压Vref可以根据制造技术位于-20伏特和-40伏特之间。在名称Dnm、Rq，nm，h或Rq，nm，v中，n说明光电二极管和淬灭电阻沿x轴的位置，并且m说明沿着y轴的位置。ND,nm表示光电二极管与分流器Sq,nm的连接线路，所述分流器连接在光电二极管下游。
连接在淬灭电阻Rq,nm,h,和Rq,nm,v,上的网络NS,v,m和NS,h,n汇入其他的分流器Sh,n和Sv,m中，其中索引v表示y方向并且索引h又表示x方向，所述其他的分流器具有编码电阻Rh,A,n和Rh,B,n或Rv,C,m和Rv,D,m，所述编码电阻通向输出通道A、B、C和D中。根据用于在x方向上的行和在y方向上的行的连续的坐标xnym，分别针对坐标xy的编码电阻 Rh,A,n和Rh,B,n或Rv,C,m和Rv,D,m具有不同的编码电阻值，所述编码电阻值分别针对行x或行y实现关于xy坐标的位置编码。这样，编码电阻Rh,A,n和Rh,B,n或Rv,C,m和Rv,D,m例如可以在具有前进的位置xny1,xny2,xny3...xnyM的x行之内以及在具有前进的位置x1ym,x2ym,x3ym...xnym的y行之内为了汇入输出通道A和B或C和D中而采取连续的值，这实现位置编码。编码电阻具有电阻值，所述电阻值通常位于10Ω和1kΩ之间的数量级中。所检测的光的精确位置通过有源微单元给定。具有坐标xy的有源微单元可以借助公式（A-B）/（A+B）或（C-B）/（C+B）确定。该原理作为Anger逻辑已知。
为了位置编码，对编码电阻值进行线性编码，其中对x方向进行编码、连接到输出通道A和B上的编码电阻以上升和下降的方式相反地线性地改变。这意味着，通道A可以以线性上升的方式被编码并且通道B可以以线性下降的方式被编码，或相反。同样的内容适用于y方向，其利用通道C和D被编码。作为结果，每个微单元的所生成的光电流根据位置单独地被划分到读取通道上。
编码电阻值Rh,A,1和Rh,B,n、Rh,A,2和Rh,B, n-1、Rh,A,3和Rn,B, n-2...Rh,A,n和Rh,B,1以及Rv,C,1和Rv,D,n、Rv,C,2和Rv,D,n-1、Rv,C,3和Rv,D,n-2...Rv,C,n和Rv,D,1不仅确定对于位置编码来说重要的光电流分布，而且根据本发明同时被选择，使得出现对于下面所描述的求和网络所需的电压，为了计算闪烁的位置的深度位置而需要所述电压。编码电阻应尽可能精确地在芯片中实施，以便获得尽可能精确的线性编码。
在第二实施方式中，像素由至少一个光电二极管Dnm,k和分流器Snm组成，所述至少一个光电二极管分别具有自己的淬灭电阻Rq,nm,k，其中k =1,2,3,...K，所述分流器由电阻Rnm,v和Rnm,h组成。电阻Rnm,v和Rnm,h同样大并且位于1kΩ到100kΩ的数量级。在此情况下，K典型地位于1到100的范围中。微单元在该实施方式中由分别具有自己的淬灭电阻Rq,nm,k的光电二极管Dnm,k组成。淬灭电阻Rq,nm,k全部都同样大并且位于1兆欧姆到100兆欧姆的数量级中。光电二极管Dnm,k的所生成的光电流经由淬灭电阻Rq,nm,k和网络NI,nm被聚集在一起。这样形成的微单元集群的总的所生成的光电流被引导到共同的分流器Snm中，所述微单元分别由光电二极管Dnm,k和淬灭电阻Rq,nm,k组成。分流器Snm将总电流划分成用于x编码和y编码的相同份额，所述份额如上面所描述的那样经由其他的分流器Sh,n或Sv,m通向输出通道A和B或C和D中。
例如，在该集群中在每个方向x和y上可以联合10个微单元。该值不应被解释为限制性的，更确切地说，根据工艺技术允许什么，也可以联合20、50或100个微单元。这样，来自x方向或y方向中的至少两个微单元的信号可以作为唯一的被联合的信号来转发。该实施方式具有如下优点：每个像素可以获得强的光电流。
然而，第一实施方式是优选的，以便获得最大分辨率或颗粒度。用于像素的两个实施方式可以在一个传感器芯片中实现。
对于这两个实施方式的每个像素行x和/或y，网络NS,h,1,NS,h,2...NS,h,N或NS,v,1,NS,v,2...NS,v,M上的电势经由求和电阻RS,h,n或RS,v,m来截取并且被引导到具有输出通道E和F的求和网络中。在此，如下实施方式是可能的，在所述实施方式中要么用于x方向的网络NS,h,1,NS,h,2,...NS,h,N要么用于y方向的网络NS,v,1,NS,v,2,...NS,v,M连接到求和网络Oh或Ov上，或优选地用于x方向的网络NS,h,n,或用于y方向的网络NS,v,m,连接到具有输出通道E和F的求和网络Oh或Ov中。求和电阻RS,h,n或RS,v,m的电阻值分别在求和网络Oh或Ov中是同样大的。求和电阻值可以位于1 kΩ到100kΩ之间。求和电阻RS,h,n或RS,v,m在此必须是大的，使得SiPM二极管的所生成的光电流不受显著影响，然而足够小以不影响微单元的淬灭特性。求和电阻RS,h,n或RS,v,m经由网络NS,h或NS,v被聚集在一起。因此，将信号求和。
求和网络Oh和/或Ov可以包含运算放大器OPh或OPv，该运算放大器接地并且具有带有电阻RS,h或RS,v的负反馈。通过 RS,h/RS,h,n或RS,v/RS,v,m的比值，可以设定输出通道E和F的信号的放大率。求和网络Oh和/或Ov可以集成到传感器芯片中或求和网络的部分可以次优选地处于传感器芯片之外。
如果整个求和网络Oh或Ov处于传感器芯片之外，则这导致：所有网络NS,h,n和/或NS,v,m从传感器芯片被引出，这导致非常高数量的输出通道。如果求和电阻RS,h,n和/或RS,v,m集成在传感器芯片中，则仅仅网络NS,h和/或NS,v必须从传感器芯片被引出，这可以利用一个输出通道实现。
然而出于节约空间的原因以及为了减小噪声影响，优选的是将完整的求和网络Oh或Ov集成到芯片中。
在网络NS,h,n和NS,v,m上的电势应分别尽可能精确地二次分布。这是必需的，以便获得二阶矩。在此存在经由分压器在引入其他电阻的情况下实现网络的二次电压编码的可能性来，而这些附加的电阻不改变光电流分布。为了获得尽可能节约空间的芯片集成，可取的是，不使用附加的电阻，而是同样为了电压设定而选择编码电阻。在第一实施方式中的分流器Sq,nm的电阻或在第二实施方式中的Snm与编码电阻Rh,A,1和Rh,B,1...Rh,A,N和Rh,B,N或Rv,C,1和Rv,D,1...Rv,C,M和Rv,D,M一起形成分压器。因为编码电阻Rh,A,n和Rh,B,n或Rv,C,m和Rv,D,m是分流器，所以根据公式（Rh,A,n*Rh,B,n）/（Rh,A,n+Rh,B,n）或（Rv,C,m*RV,D,m）/（Rv,C,m+RV,D,m）来计算分流器的总电阻。如果针对输出通道A和B或C和D选择通常处于10Ω到1kΩ的数量级中、线性地相反地升高和下降的编码电阻，自动地出现分流器Sh,n或Sv,m的二次总电阻值以及因此出现在网络NS,v,m和/或NS,h,n中所需的二次延伸的电势分布。同时，给定用于光电流的线性编码。在此情况下重要的是，相应的两个读取通道的编码电阻线性地升高和下降并且最大值和最小值、即每个方向的线性过程的初值和终值被选择为相同的。以数学方式来表达，Rh,A,n = Rmin+ (n-1) *RSchritt，Rh,B,n = Rmax- (n-1) * RSchritt，Rh,A,N = Rmax和Rh,B,N = Rmin或Rv,C,m =Rmin + (m-1) * RSchritt，Rv,D,m = Rmax- (m-1) * RSchritt，Rv,C,M = Rmax和Rv,D,M = Rmin必须适用。
在网络NS,h,n和NS,v,m上的电势Φ(ΝS,h,n)或Φ (NS,v,m)可以通过相应的附加的电阻或通过修改过的编码电阻也与准确的二次编码不同。在此情况下，对于得到的电势编码(Φ2n)k必须适用，其中n= 1,2,3...并且0.5 < k < 1.5。
所示出的功能根据本发明至少部分地、然而优选地完全地集成到传感器芯片中。为此，对于本领域技术人员来说已知的半导体工艺技术、诸如C-MOS方法或特定的SiPM制造方法、如RGB-SiPM、 RSB-HD-SiMP或NUV-SiMP可以被应用。尤其将求和网络Ov或Oh集成到传感器芯片中具有如下优点：除了节约空间之外使信号干扰最小化并且使信噪比优化。
根据本发明的传感器芯片可以以栅格布置成块a x b。在此情况下，线性位置编码以及电势的二次编码在多个传感器芯片上以跨越传感器的方式朝方向a和b延伸。
同样可能的是，将单个传感器芯片分成任意xy大小的J个块，其中j = 1,... J。在此情况下，位置编码、电势编码和求和网络分别仅在传感器芯片的单个块上延伸。块在此与在图1中所示出的传感器芯片完全一样地来构建。传感器芯片在具有J个块的实施方式中针对每个块j包含输出通道Aj、Bj，Cj和Dj以及Ej和/或Fj。该实施方式具有如下优点：多个块可以集成到传感器芯片中，而不导致块之间的非光敏的间隙。
附图说明
在下文中，根据附图解释本发明，然而这不应被解释为限制性的。
图1示出：第一实施方式中的传感器芯片
图2示出：第二实施方式中的传感器的像素
图3示出：根据在单晶体中的相互作用深度的光分布的图示
图4示出：位置编码的通道的输出信号
图5示出：求和网络的输出电压
图6示出：根据相互作用深度的求和网络的输出信号。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的传感器芯片的组成部分。示出了光电二极管D11...D1M, D21...D2M...DN1...DNM，所述光电二极管连接到参考电压Vref上。从光电二极管D11...D1M, D21...D2M...DN1...DNM经由输出网络ND,nm分支出分流器Sq,nm，其具有淬灭电阻Rq,11,h和Rq,11,v...Rq,1M,h和Rq,1M,v、Rq,21,h和Rq,21,v...Rq,2M,h和Rq,2M,v、Rq,N1,h和Rq,N1,v...Rq,NM,h和Rq,NM,v，所述淬灭电阻经由网络NS,h,1...NS,h,N或NS,v,1...NS,v,M连接到具有汇入输出通道A和B中的编码电阻Rh,A,1和Rh,B,1...Rh,A,N和Rh,B,N的其他的分流器Sh,nm或Sv,nm和具有汇入输出通道C和D中的编码电阻Rv,C,1和Rv,D,1...Rv,C,M和Rv,D,M的分流器上。网络NS,h,1...NS,h,N或NS,v,1...NS,v,N借助于求和电阻RS,h,1...RS,h,N或RS,v,1...RS,v,M连接到一个或两个接地的运算放大器OPh和OPv上，所述运算放大器具有输出通道E和F。运算放大器OPh和OPv经由运算放大器电阻RS,h和RS,v来负反馈。
此外在图1中表明了：通过点表明的其他的光电二极管和具有淬灭电阻的分流器以栅格布置在传感器芯片上并且被引导到其他的网络NS,h,2和NS,v,2、NS,h,3和NS,v,3中或被引导到求和网络Oh和Ov中。
淬灭电阻Rq,nm,h或Rq,nm,v与编码电阻Rh,A,1和Rh,B,1...Rh,A,N和Rh,B,N 或Rv,C,1和Rv,D,1...Rv,C,M和Rv,D,M一起形成分压器，使得通过合适地选择电阻在网络NS,h,1...NS,h,N或NS,v,1...NS,v,M中出现二次编码的电势。
图2示出第二实施方式的传感器芯片的像素。属于一个像素的光电二极管具有名称Dnm,1...,Dnm,K。网络 ND,nm,1...,ND,nmK连接到这些光电二极管 Dnm,1...,Dnm,K上，所述网络汇入分别相关的淬灭电阻Rq,nm,1...Rq,nm,K中。网络NI,nm从淬灭电阻Rq,nm,1...Rq,nm,K引开，该网络通向分流器Snm。索引K在所有缩写中表示微单元的数量，所述微单元被引向分流器Snm。分流器Snm包含电阻Rnm,v和Rnm,h，所述电阻汇入在该附图中未示出的网络NS,v,m和NS,h,n中。
图3示出由于单晶体中的旋转对称分布而代表任意轴的x轴的闪烁过程的光子的分布，其中横坐标描述围绕位置0[mm]的光分布。纵坐标表示作为绝对数的光子的数量。
用符号点、正方形、菱形、向上尖的三角形和向下尖的三角形标明的曲线是根据γ量子到闪烁晶体中的渗透深度的光分布。
所述符号对应于ß+ß-湮灭辐射到闪烁单晶体中的如下渗透深度：
点：9mm
正方形：7 mm
菱形：5mm
向上尖的三角形：3mm
向下尖的三角形：1mm。
图4示出通过通道A和B代表性地示出的位置编码的通道的输出信号。横坐标示出以秒为单位的时间。纵坐标示出以[A]为单位的输出电流A和B。在0到10μs的时间序列中，x位置的光电二极管分别在50ns内是激活的。50ns的间歇跟随在激活微单元之后，在该间歇之后激活在x方向上紧接着的微单元。该图示出微单元在通道A和B上的光电流的分布。因为比值对于每个x位置是不同的，所以每个微单元的位置可以经由两个输出通道来确定。
图5示出通道E和F的运算放大器上的输出电压。横坐标示出以秒为单位的时间。纵坐标示出通道E和F的以[V]为单位的输出电压。在0到10μs的时间序列中，x位置或y位置的光电二极管分别在50ns内是激活的。50ns的间歇跟随在激活微单元之后，在该间歇之后激活在x方向上或在y方向上紧接着的微单元。该图示出在通道E和F上与微单元的x位置或y位置有关的电压的二次分布。在此情况下，对于求和放大器，经由相应的电阻设定为1的放大系数。
图6示出根据在闪烁单晶体的xy中心中的相互作用深度的求和网络的输出信号。横坐标示出以[mm]为单位的相互作用深度。纵坐标示出任意单位的求和网络的输出信号。借助网络信号可以确定单晶体的xy中心中的相互作用深度，因为在那里一阶矩（Monet）等于零并且因此可以仅仅通过二阶矩来确定相互作用深度。
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Claims (12)

1.一种SiPM传感器芯片，具有多个像素，其由至少一个光电二极管、至少一个淬灭电阻和分流器组成，所述分流器将所述光电二极管的光电流分成两个同样大的电流，其中所述像素被布置成栅格，在所述栅格中每个像素具有在沿着x方向和y方向的行中的xy位置并且所述SiPM传感器芯片在x方向上包含N行xn = x1,x2,x3,...xN，其中n = 1,2,...N，并且在Y方向上包含M行ym = y1,y2,y3...yM，其中m = 1,2,...M，其中x针对水平方向对h进行编码并且y针对垂直方向对v进行编码，
其特征在于，
所述分流器Sq,nm或Snm,汇入网络NS,h,n和NS,v,m中，所述网络分别通向其他分流器Sh,n和Sv,m中，所述其他分流器具有编码电阻Rh,A,n和Rh,B,n或Rv,C,m和Rv,D,m，所述编码电阻被线性编码并且汇入输出通道A、B、C和D中，其中所述传感器特征集成到所述传感器芯片中并且所述网络NS,h,n和/或NS,v,m分别通向求和网络Oh和/或Ov中，在所述求和网络中所述网络NS,h,n和/或NS,v,m的信号经由求和电阻RS,h,n或RS,v,m被聚集在一起并且通向输出通道E和/F 中。
2.根据权利要求1所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
所述求和网络Oh和/或Ov分别包含运算放大器OPh或OPv，所述运算放大器经由运算放大器电阻RS,h或RS,v被负反馈。
3.根据权利要求1或2所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
所述求和电阻RS,h,n和/或RS,v,m集成在所述SiPM传感器芯片中。
4.根据权利要求3所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
所述求和网络Oh和/或Ov集成到所述SiPM传感器芯片中。
5.根据权利要求1至4之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
像素由具有分流器Sq,nm的光电二极管Dnm组成，所述分流器具有两个淬灭电阻Rq,nm,h和Rq,nm,v。
6.根据权利要求1至5之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
像素由至少一个光电二极管Dnm,k和通向分流器Snm的网络NI,nm组成，所述至少一个光电二极管分别具有自己的淬灭电阻Rq,nm,k，其中k =1,2,3,...K，所述分流器由电阻Rnm,v和Rnm,h组成。
7.根据权利要求1至6之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
所述SiPM传感器芯片包含根据权利要求5和根据权利要求6所述的像素。
8.根据权利要求1至7之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
对x方向进行编码并且连接到输出通道A和B上的编码电阻Rh,A,n和Rh,B,n的编码电阻值以上升和下降的方式相反地被线性编码，并且对y方向进行编码并且连接到输出通道C和D上的编码电阻Rv,C,m和Rv,D,m的编码电阻值以上升和下降的方式相反地被线性编码。
9.根据权利要求1至8之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
在所述网络NS,h,n和/或NS,v,m上的电势被二次编码。
10.根据权利要求1至9之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
所述像素按行被布置在x方向上并且按行被布置在y方向上，其中行x和y相对于彼此以小于90°的角度倾斜，使得产生菱形图案。
11.根据权利要求9至10之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
多个传感器芯片以栅格布置成块a x b，其中线性位置编码以及电势的二次编码在多个传感器芯片上以跨越传感器的方式朝方向a和b延伸。
12.根据权利要求1至11之一所述的SiPM传感器芯片，
其特征在于，
所述传感器芯片具有多个J个块，其具有块j = 1...J，所述块分别根据权利要求1至10来设计并且所述传感器芯片针对每个块j具有自己的输出通道Aj、Bj、Cj和Dj以及Ej和/或Fj。
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