具有增強可靠性的電子元件矩陣和用於定位矩陣中故障的方法與流程
2023-07-31 06:25:11
本發明涉及電子元件矩陣的可靠性的增強和用於定位矩陣中故障的方法。本發明在成像設備中，更具體地在實現圖像捕捉的檢測器中尤其有用。
背景技術：
這類設備包括大量稱為像素的感測點，通常組織為矩陣或帶狀。在圖像檢測器中，像素是檢測器的基本感測單元。每個像素將其受到的諸如電磁輻射的入射信號轉換為電信號。在讀出階段過程中連續收集由矩陣的各個像素髮出的電信號，以便可以處理並存儲它們以形成圖像。可以在像素內對來自每個像素的信號進行數位化，在此情況下像素傳遞數字信息，或者也可以在像素的下遊執行數位化，像素於是傳遞模擬信息。像素例如由光敏面和電子電路組成，光敏面傳遞作為其接收光子流的函數的電荷的電流，電子電路用於處理這一電流。光敏面通常包括光敏元件或者光電檢測器，其例如可以是光電二極體、光敏電阻或光電電晶體。光電檢測器連接到像素內的電路，即布置在讀總線的上遊，後者能夠收集來自相鄰像素的信息。通常，以每個像素的讀取收到組織的方式來控制像素與讀總線之間的連接。因此，像素包括光電檢測器以及布置在所述連接的上遊的電子元件。存在大尺寸的光敏矩陣，其可以佔有數百萬個像素。輻射檢測器可以用於醫學領域中或工業領域中無損測試的領域中的成像電離輻射，具體地是X-或Y-輻射，用於檢測放射學圖像。光敏元件使得可以檢測到可見或近可見的電磁輻射。這些元件對於入射到檢測器上的輻射是不敏感的或者敏感性較差。為此，使用中常常包括稱為閃爍器的輻射轉換器，其將例如X射線的入射輻射轉換為像素中光敏元件敏感的波長段中的輻射。可替換的方案包括由執行X射線到電荷的直接轉換的另一材料來製成光敏元件。這樣的情況例如是其中由碲化鎘(CdTe)製成的第一像素化基底逐個像素地連接到CMOS讀出電路的矩陣，其從而不再具有檢測功能。每個像素均由可以由相對複雜的電子元件的塊組成。這個塊連接到矩陣的行和列的陣列。這些行和列確保由像素檢測的信息的必要偏置、控制和輸出路徑。矩陣中的故障會影響行和列的陣列(短路或開路)或者電子元件的塊的內部。當所謂的關鍵元件，即比更標準的元件具有更高的故障風險的元件結合在像素中時，塊的故障的風險增大。例如這些可以是利用某些特定技術工藝的元件，或者使用特定表面的元件：例如高電容量電容器可以使用薄電介質膜，其會存在局部缺陷，或者甚至大面積的缺陷，於是在此情況下，其在製造期間存在受到灰塵影響的風險。當然，由於像素的數量增加，像素故障的風險也增大。為了減小這一風險，可以以高於最低設計規則的安全性的裕度來設計塊內的元件或連接。然而，這限制了每個像素可接受的元件的數量，以及因此可實現的操作。儘管如此，會容許隔離的像素中的故障。例如，在圖像檢測器中，當像素有故障時，可以通過平均由臨近像素髮出的信息項來重構丟失的信息。然而，隔離的像素中的故障，例如短路，會破壞一行或列中的臨近像素，或者甚至妨礙矩陣的整體操作。為了避免這一故障擴散，已經做出努力來定位有缺陷的像素，以便通過切斷將受影響的塊連接到行或列總線的連接來隔離它們，通常是藉助於雷射發射。然而，這一技術有若干限制。·其是附加的技術步驟，需要設備和時間，因此帶來費用。·使用雷射發射預先假定已知故障像素的位置。然而，在故障引發電源損壞的情況下，故障在糾正之前會引發大部分矩陣的，或者甚至整個矩陣的功能性喪失。因此定位是困難的或者不可能的。·使用雷射發射要求提供專用於雷射切割的空間。這因此佔用了像素中的空間。·可以在工廠中使用雷射發射，但實際上在銷售之後是不切實際的。因此它不能用於應對在設備使用壽命期間出現的故障。作為雷射發射的可替換方案，可以使用結合在每個像素中的熔斷器。其限制與雷射發射一樣多。
技術實現要素：
本發明目的在於通過提供包括具有電子元件的若干塊的設備來減輕上述的全部或一些問題，將這些塊組織為矩陣，在該設備中可以對每一塊的獨立斷開連接進行編程。為此，本發明的一個主題是一種電子成像設備，包括若干像素，每個所述像素均包括具有電子元件的第一塊，所述第一塊組織為矩陣並由鏈路連結到所述矩陣的行總線和列總線，以允許針對每個所述第一塊的包括捕獲階段、讀出階段和復位到零階段的名義操作，對每個所述第一塊進行通電和控制，其特徵在於，每個所述像素還包括與所述第一塊相關聯的可編程模塊，用於使所述第一塊從所述行總線和所述列總線中的至少一條斷開連接，並且其特徵在於，用於斷開連接的每個所述可編程模塊包括具有可編程電子元件的第二塊以及至少一個開關，所述至少一個開關由所述第二塊引導並且使得將與所述第二塊相關聯的第一塊與所述行總線和所述列總線中的所述至少一條總線隔離成為可能，並且其特徵在於，所述第二塊旨在在所述名義操作以外進行編程以在所述設備的存儲器中保留隔離與所述第二塊(M(i，j))相關聯的所述第一塊的順序。本發明的另一個主題是一種方法，用於定位根據本發明的設備中的故障，故障出現在一個第一塊中，導致若干第一塊中的普遍故障，所述方法的特徵在於包括：·步驟(1)：使受普遍故障影響的所有第一塊斷開連接，·步驟(2)：重新連接斷開連接的第一塊，直至普遍故障出現，·步驟(3)：在一旦重新連接即使得普遍故障出現的塊中識別出受所述普遍故障影響的所述第一塊。附圖說明在閱讀藉助示例給出的實施例的詳細說明後，將會更好地理解本發明，其他的優點會變得明顯，示例的說明由附圖示出，在附圖中：圖1示出根據本發明的電子設備的圖示，包括組織為矩陣的幾個第一塊的電子元件，以及可編程模塊，用於第一塊的斷開連接；圖2示出屬於用於斷開連接的可編程模塊的示例性的第二塊的電子元件的圖示；圖3示出與由第二塊控制的電子開關相關聯的示例性第一塊的圖示；圖4示出圖3中第一塊的第一變型的圖示；圖5示出圖3中第一塊的第二變型的圖示。出於清楚的原因，在多個附圖中為相同的單元給出相同的標記。具體實施方式圖1示出電子設備的圖示，為了易於理解，其由兩行和兩列的矩陣構成。形成四個像素，它們有利地是相同的，每個像素處於行與列的交叉點。當然，實際的矩陣通常大得多。每個像素均包括電子元件的塊A(i,j)，能夠實施像素的名義操作。(i,j)表示像素在矩陣中的坐標，i對應行，j對應列。例如，當設備是圖像檢測器時，每個像素都包括光敏元件，能夠產生作為其受到的電磁輻射的函數的電信號。以更普遍的方式，表達「名義操作」應理解為意指在未受故障幹擾時電子元件塊執行的操作。為了操作，每個塊A(i,j)都需要電源，其可以是所有塊A(i,j)共有的，例如正電源Vdd和負或地電源Vss。可以由行總線、列總線或選通門來傳輸電源。在圖1中，為該示例選擇了由行總線傳輸的電源電壓Vdd，以及由列總線傳輸的電源電壓Vss。在操作中，每個塊A(i,j)會需要其它總線，例如用於其選擇、用於收集信息、或者同樣用於某些控制，諸如復位到零或相位選擇、諸如像素的獲取或讀取。圖1作為示例示出由每個塊A(i,j)使用的三條行總線L_i2、L_i3和L_i4，以及兩條列總線C_j2和C_j3。總線的數量取決於每個塊A(i,j)的複雜性。術語「總線」表示電導體。根據本發明，每個像素都包括可編程模塊，用於塊與至少一條總線斷開連接。這些模塊包括與每個第一塊A(i,j)相關聯的第二塊M(i,j)的可編程電子元件。設備包括旨在用於在矩陣中尋址用於斷開連接的可編程模塊的至少一條總線，和旨在用於編程用於斷開連接的可編程模塊的總線。更明確地，每個塊M(i,j)都連結到行總線L_i1和列總線C_j1，允許對其尋址。每個塊M(i,j)還連結到行總線E_i，允許對其編程。可替換地，這一編程可以藉助於列總線來實現。每個可編程塊M(i,j)都使得可以將相關聯的塊A(i,j)與在其名義操作期間所連結的各個總線斷開連接。具體地，在每個像素內部，可以由受到相關聯的塊M(i,j)控制的開關斷開塊A(i,j)與連結該塊A(i,j)的一條總線之間的每個連接。換句話說，塊M(i,j)引導開關，使得可以將塊A(i,j)與矩陣的剩餘部分隔離。塊M(i,j)與允許其操作的總線組成用於控制矩陣的操作的單元。它們使得可以容許塊A(i,j)中的故障，但不管怎樣它們必須自身不包含故障，或者儘可能地少。本發明的實現需要引入塊M(i,j)和若干用於尋址和編程的總線。這些增加只有在塊A(i,j)比塊M(i,j)明顯複雜的情況下才呈現出實際的益處，因此必須以儘可能好的設計規則來製成它們：大且間隔良好的元件。換句話說，塊M(i,j)必須比塊A(i,j)更加顯著地可靠。這一可靠性可以由兩個故障之間的平均時間來確定(MTBF或「故障間平均時間」)。期望由塊M(i,j)和連結它們的總線組成的組件儘可能地安全可靠，即它必須是最小的，且儘可能獨立於塊A(i,j)及其控制。然而，有時必須做出折衷，例如允許對塊A(i,j)尋址的行總線有時可以與選擇塊M(i,j)的行總線合併。這同樣適用於針對塊A(i,j)和塊M(i,j)的電壓電源。在所示示例中，將塊A(i,j)和塊M(i,j)連結到相同電壓電源總線Vdd和Vss。完全有可能將塊A(i,j)的電壓電源總線與塊M(i,j)的電壓電源總線分離，以便改善塊M(i,j)的獨立性。為了產生儘可能最簡單的塊M(i,j)，期望編程儘可能地最簡單，如有可能減少到單項二進位信息。結果，如果塊M(i,j)必須能夠將受影響的塊A(i,j)與若干總線斷開連接，則實現這些斷開連接的開關組的控制是單一的。在使用塊M(i,j)的期間，將不可能在要斷開連接的總線中進行選擇。相反，在設備的設計過程中，有可能選擇塊A(i,j)與其連接到的總線之間的期望斷開的那些鏈路。例如，有可能在塊A(i,j)與傳送電壓Vdd的總線之間設置單一的開關。換句話說，可編程模塊僅允許正電源Vdd的斷開連接。這一解決方案使得可以最大程度地簡化用於斷開連接的可編程模塊，並且在塊A(i,j)的設計導致當所考慮的塊A(i,j)不再連結到其電壓Vdd時到其它總線的鏈路趨向於地電位的情況下是適合的。相反，電源Vdd的中斷可以導致其他總線上的隨機漂移。在此情況下，優選地提供塊A(i,j)的完全隔離。換句話說，可編程模塊允許旨在用於所考慮的塊A(i,j)的名義操作的所有總線的斷開連接。對於光敏矩陣，通常順序地執行捕獲階段、讀出階段和復位到零階段。在與設備的名義操作的其他階段分開的專用階段中對塊M(i,j)進行編程。在這一編程階段以外，塊M(i,j)在其存儲器中保留隔離相關聯的塊A(i,j)的順序，並可以以靜態方式偏置開關的控制。因此可以以低能耗或速度限制來設計它們。一個塊A(i,j)上的故障可以導致若干塊A(i,j)的電源的故障，例如一行或一列的所有塊A(i,j)或者甚至矩陣的所有塊A(i,j)。在現有技術中難以定位有故障的塊A(i,j)。通過實現根據本發明的用於斷開連接的可編程模塊可以定位這一故障。一種用於定位出現在塊A(i,j)中的並導致若干塊A(i,j)上的普遍故障的故障的方法在於首先斷開所有受所述普遍故障影響的塊A(i,j)的連接。這一斷開連接可以在受影響的行或列上進行，或者在整個矩陣上進行。接下來，重新連接該斷開連接的塊A(i,j)，直至普遍故障出現，以便識別使普遍故障出現的有故障的塊A(i,j)。換句話說，在成像設備中，一個像素上的故障可以傳播到若干其他臨近像素。用於定位故障的方法在於斷開所有受故障影響的像素的連接，隨後重新連接該斷開連接的像素，直至普遍故障出現，以便識別使普遍故障出現的有故障像素。可以逐一進行斷開連接的塊A(i,j)的重新連接，直至普遍故障出現。於是將塊A(i,j)識別為使普遍故障出現的最後重新連接的塊A(i,j)。可替換地，可以藉助二分法進行。更明確地，藉助子集重新連接該斷開連接的塊。例如，可以定義基數的兩個子集為包含最初斷開連接的塊A(i,j)的集合的基數的大約一半。接下來，識別使普遍故障出現的子集。接下來，重複該方法的第一步驟，但僅斷開識別的子集的塊的連接，再一次以子集按照該方法的步驟順序進行，減小子集的基數，直至識別出有故障的塊A(i,j)。這一可替換方案的方法實現更為複雜，但使得可以更快地達到有故障的塊A(i,j)的識別。圖2示出塊M(i,j)的示例圖示，包括用於實施其在矩陣中的尋址的模塊，和用於引導允許相關聯的塊A(i,j)與其連結到的各個總線斷開連接的開關的模塊。在這個示例中，塊M(i,j)包括AND門和觸發器D。AND門的兩個輸入連結到兩條總線L_i1和C_j1。AND門在行總線L_i1和列總線C_j1上傳送的邏輯信息項上執行邏輯「AND」運算，以便對塊M(i,j)尋址。AND門的輸出連結到觸發器D的時鐘輸入。觸發器D的輸入D連結到總線E_i，以便接收用以斷開相關聯的塊A(i,j)的連接的控制命令。觸發器D的輸出Q或引導開關，使得可以將塊A(i,j)與矩陣的剩餘部分隔離。圖3示出示例性塊A(i,j)的圖示，其與電子開關相關聯，電子開關允許其與矩陣的總線斷開連接。在這個示例中，塊A(i,j)包含：·子塊B(i,j)，大致地，提供電壓信息。當設備是圖像檢測器時，電壓信息例如是與由像素接收的光照成比例的電壓。當然可以將圖2中的圖置換為像素，該像素在總線上傳送數字信息項，或者在一系列輸出總線上傳送數字、模擬或混合信息項。·電壓跟隨器級，由兩個NMOS型電晶體M1和M2組成，電晶體M2的柵極連結到固定電壓V0，以使得電晶體M2作為電流源工作。電壓V0在此由列總線傳送。·PMOSM3和NMOSM4型雙開關，將列總線Col_j2與形成在前的跟隨器級的輸出的兩個電晶體M1和M2的公共點相連結。當行總線L_i2在邏輯高下啟動時，開關M4處於導通狀態。·反相器，由NMOSM6和PMOSM5型的兩個電晶體組成。這個反相器使得可以在塊A(i,j)中產生用於開關M3的反相控制，允許其與開關M4同時導通。根據本發明，由圖2中所示的塊M(i,j)引導的開關布置在塊A(i,j)的每個輸出與這些輸出連接到的行或列總線之間。因此增加了：·NMOS型開關MI2，在將電晶體M2的源極連結到傳輸電位Vss的總線的鏈路中。·NMOS型開關MI4，在將電晶體M4的漏極連結到列總線Col_j2的鏈路中。·NMOS型開關MI7，在將電晶體M2的柵極連結到傳輸電壓V0的列總線的鏈路中。·PMOS型開關MI1，在將電晶體M1的漏極連結到電位Vdd的鏈路中。·PMOS型開關MI3，在將電晶體M3的源極連結到列Col_j2的鏈路中。·NMOS型MI5和PMOS型MI6的雙開關，將電晶體M4、M5和M6的柵極連結到列總線L_i2。例如如圖2所示，NMOS型電晶體由塊M(i,j)的輸出Q引導。PMOS型電晶體由相同塊M(i,j)的輸出引導。根據布置這些開關的鏈路的電壓電平來做出NMOS與PMOS型開關之間的選擇。NMOS型電晶體適合於低電位，當其柵極處於高電平時處於導通狀態。相反，PMOS型電晶體適合於高電位，當其柵極處於低電平時處於導通狀態。NMOS型和PMOS型的雙開關可以同時使高低電位通過。應注意，NMOS型電晶體是負型IG-FET電晶體，PMOS型電晶體是正型IG-FET電晶體。圖4示出在前所示的塊A(i,j)的第一變型的圖示。在圖3的示例中，如果塊A(i,j)有故障，則把將其連結到行和列總線的開關組設定為關斷狀態。於是使得塊A(i,j)浮置，避免這一情況，對於控制設備中的所有電壓是期望的。為了避免使得塊A(i,j)浮動，設備包括：與每個塊A(i,j)相關聯的、用於將斷開的鏈路重新連接到固定電壓的可編程模塊。為此，可以將以反相引導的一個開關連結到每個開關MI1到MI7，並將浮置的塊A(i,j)的輸出鏈路連接到例如電壓Vss的固定電壓。另一個電壓的選擇當然也是可能的。在圖4中，增加了六個NMOS型開關MJ1、MJ2、MJ3、MJ4、MJ5和MJ7。這些開關是N型的，並將塊A(i,j)的輸出鏈路連接到電壓Vss，因此其柵極控制是然而，當然可以通過將塊A(i,j)的輸出鏈路連接到比Vss高的電壓而將此置換到使用由輸出Q控制的PMOS型開關的圖中。圖5示出在前所示的塊A(i,j)的第二變型的圖示。這個變型使得可以減輕用於塊A(i,j)的斷開連接的可編程模塊的任何可能的故障。如上所見的，必須以最佳設計規則來產生塊M(i,j)和引導它們的總線，以改善這些單元的可靠性。另一個故障風險影響開關MIx或MJx，x表示受影響的開關的標識的數字部分。具體地，在其柵極與其源極或其漏極之間會存在漏電(或短路)。這樣的故障首先使得塊M(i,j)在僅僅無需任何功耗的情況下先驗地提供它們以偏置電晶體柵極時消耗功率，並且其次會將電流注入到塊A(i,j)的輸出總線中，例如是總線Col_j1，並因此汙染了來自臨近像素的信息。為了避免此，應注意在導通狀態或關斷狀態下總是以靜態方式偏置開關MIx或MJx，除了在編程階段過程中，編程階段會比矩陣的正常讀取時間長得多。因此可以在塊A(i,j)的輸出Q和與開關MIx的柵極之間串聯插入例如幾千歐姆數量級的高值電阻器RIx。為了避免圖5的擁擠，沒有示出開關Mjx，但也不妨在每個開關Mjx的控制中串聯布置電阻器RJx。當開關MIx和MJx正常工作時，串聯電阻器RIx和RJx不起任何作用，具體地是不幹擾設備的操作，因為沒有電流流過它們。如果開關MIx或MJx有缺陷，相應的串聯電阻器RIx或RJx將限制由塊M(i,j)傳輸的電流，從而避免連接到有缺陷的開關的塊M(i,j)的電源的故障，並因此避免了故障傳播到臨近像素。以相同的方式，串聯電阻器RIx或RJx將限制在例如輸出總線(L_ix或Col_jx)上傳輸的漏電流，以及例如用於總線L_i1的源自矩陣邊緣的偏壓，或者例如Col_j1的源自其他像素的偏壓，使得可以承受幹擾。