본 논문에서는 의료영상 뿐만 아니라 비파괴검사 등에 활용되고 있는 CMOS x-ray 라인 스캔 센서를 설계하였다. x-ray 라인 스캔 센서는 512열${\times}$4행의 픽셀 어레이(pixel array)를 갖고 있으며, DC-DC 변환기(converter)를 내장하였다. Binning 모드를 이용하여 픽셀 사이즈가 $100{\mu}m$, $200{\mu}m$, $400{\mu}m$이 되도록 선택할 수 있도록 하기 위해 no binning 모드, $2{\times}2$ binning 모드와 $4{\times}4$ binning 모드를 지원하는 픽셀 회로를 새롭게 제안하였다. 그리고 power supply noise와 입력 common mode noise에 둔감한 이미지 신호인 fully differential 신호를 출력하도록 설계하였다. $0.18{\mu}m$ x-ray CMOS 이미지 센서 공정을 이용하여 설계된 라인 스캔 센서의 레이아웃 면적은 $51,304{\mu}m{\times}5,945{\mu}m$ 이다.
본 논문에서는 의료영상 뿐만 아니라 비파괴검사 등에 활용되고 있는 CMOS x-ray 라인 스캔 센서를 설계하였다. x-ray 라인 스캔 센서는 512열${\times}$4행의 픽셀 어레이(pixel array)를 갖고 있으며, DC-DC 변환기(converter)를 내장하였다. Binning 모드를 이용하여 픽셀 사이즈가 $100{\mu}m$, $200{\mu}m$, $400{\mu}m$이 되도록 선택할 수 있도록 하기 위해 no binning 모드, $2{\times}2$ binning 모드와 $4{\times}4$ binning 모드를 지원하는 픽셀 회로를 새롭게 제안하였다. 그리고 power supply noise와 입력 common mode noise에 둔감한 이미지 신호인 fully differential 신호를 출력하도록 설계하였다. $0.18{\mu}m$ x-ray CMOS 이미지 센서 공정을 이용하여 설계된 라인 스캔 센서의 레이아웃 면적은 $51,304{\mu}m{\times}5,945{\mu}m$ 이다.
A CMOS x-ray line scan sensor which is used in both medical imaging and non-destructive diagnosis is designed. It has a pixel array of 512 columns ${\times}$ 4 rows and a built-in DC-DC converter. The pixel circuit is newly proposed to have three binning modes such as no binning, $2{...
A CMOS x-ray line scan sensor which is used in both medical imaging and non-destructive diagnosis is designed. It has a pixel array of 512 columns ${\times}$ 4 rows and a built-in DC-DC converter. The pixel circuit is newly proposed to have three binning modes such as no binning, $2{\times}2$ binning, and $4{\times}4$ binning in order to select one of pixel sizes of $100{\mu}m$, $200{\mu}m$, and $400{\mu}m$. It is designed to output a fully differential image signal which is insensitive to power supply and input common mode noises. The layout size of the designed line scan sensor with a $0.18{\mu}m$ x-ray CMOS image sensor process is $51,304{\mu}m{\times}5,945{\mu}m$.
A CMOS x-ray line scan sensor which is used in both medical imaging and non-destructive diagnosis is designed. It has a pixel array of 512 columns ${\times}$ 4 rows and a built-in DC-DC converter. The pixel circuit is newly proposed to have three binning modes such as no binning, $2{\times}2$ binning, and $4{\times}4$ binning in order to select one of pixel sizes of $100{\mu}m$, $200{\mu}m$, and $400{\mu}m$. It is designed to output a fully differential image signal which is insensitive to power supply and input common mode noises. The layout size of the designed line scan sensor with a $0.18{\mu}m$ x-ray CMOS image sensor process is $51,304{\mu}m{\times}5,945{\mu}m$.
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제안 방법
Binning 모드를 이용하여 픽셀 사이즈가 100㎛, 200㎛, 400㎛이 되도록 선택할 수 있도록 하기 위해 no binning 모드, 2×2 binning 모드와 4×4 binning 모드를 지원하는 픽셀 회로를 새롭게 제안하였다.
본 논문에서는 512열×4행의 픽셀 어레이(pixel array)를 갖는 CMOS x-ray 라인 스캔 센서를 설계하였다. DC-DC 변환기(converter)를 내장한 x-ray 라인스캔 센서는 power supply noise와 입력 common mode noise에 둔감한 이미지 신호인 fully differential 신호를 출력하도록 설계하였다. 그리고 x-ray 라인 스캔 센서는 no binning 모드, 2×2 binning 모드와 4×4 binning 모드를 지원하고 있다.
5V이다. 그래서 본 논문에서는 VCOL의 최대 differential voltage인△V(=VRESET-VSIG)를 0.5V로 결정하였다. 그림 19는 SHA의 fully differential 출력 전압 파형을 보여주고 있으며, 표 6은 픽셀 출력 전압인 △VCOL에 따른 readout stage별 differential voltage[mV]를 정리한 표이다.
기존의 x-ray 라인 스캔 센서의 readout되는 이미지 신호는 single-ended이므로 power supply noise, charge injection noise와 clock feed-through noise와 같은 입력 common mode noise에 민감한 단점이 있다. 그래서 본 논문에서는 power supply noise와 입력 common mode noise에 둔감한 이미지 신호인 fully differential 신호를 출력하도록 설계하였다. 그리고 설계된 x-ray 라인 스캔 센서는 512열×4행의 픽셀 어레이(pixel array)를 갖고 있으며, DC-DC 변환기(converter)를 내장하였다.
Voltage regulator 회로를 설계하는데 핵심은 공정, VDD 및 온도의 변화에 대해 VBG(Bandgap Voltage)의 변화 폭을 줄이고, 빠르게 변화하는 부하전류(load current)에 대해 안정되고 정확한 VREG(Regulated Voltage) 전압의 공급과 stand-by 전류를 줄이는 것이다. 그래서 본 논문에서는 그림 12에서 보는 바와 같이 기준전류 발생기(reference current generator) 회로의 IREF를 이용하여 voltage regulator에 필요한 기준전류와 바이어스 전류를 각각 공급해준다. 이들 전류가 각각의 voltage regulator 회로에서 해당되는 기준전압을 생성하여 negative feedback mechanism에 의해 목표전압을 regulation하게 된다.
그림 11의 VGA(Voltage Gain Amplifier)는 input signal을 증폭하는 회로로 GAIN[2:0] 코드에 따라 표 4와 같이 증폭된다. 본 논문에서는 AMUX의 △V를 2배로 증폭하기 위해 GAIN [2:0] 코드는 011로 setting했다.
대상 데이터
본 논문에서는 512열×4행의 픽셀 어레이(pixel array)를 갖는 CMOS x-ray 라인 스캔 센서를 설계하였다.
설계된 x-ray 라인 스캔 센서는 그림 3에서 보는 바와 같이 512C×4R 픽셀 어레이, row decoder, S/H 회로와 column select 회로, ASP(Analog Signal Processing) 회로와 timing generator로 구성되어 있다.
표 1은 x-ray를 형광체(scintillator)를 통해 빛으로 변환한 뒤 빛을 검출하여 읽어내는 간접 검출방식을 이용한 라인 스캔 센서의 설계 스펙(specification)을 보여주고 있다. 설계된 구강센서는 partially pinned photodiode 를 이용한 CMOS APS(Active Pixel Sensor)를 사용하고 있으며, CMOS 능동 픽셀은 3T(Transistor) 능동 픽셀 회로를 사용하였고 기본 픽셀 pitch는 100㎛이다. 그리고 CMOS 능동 픽셀 어레이 크기는 512 × 4이다.
성능/효과
모의 실험 결과 VRESET과 VCC 전압은 각각 2.7V±0.1V, 4.3V±0.1V의 목표 전압을 만족 하는 것을 볼 수 있다.
그림 20은 A5V를 1V/ms의 slope으로 power-up했을 때 voltage regulator인 VRESET과 VCC의 전압 파형을 보여주고 있다. 모의실험 조건은 4.75V/SS 모델/60℃, 5V/TT 모델/25℃, 5.25V/FF 모델/-5℃ 3가지이며, 모의실험 결과 3가지 모의실험 조건에서 정상적으로 power-up 되는 것을 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 x-ray 라인 스캔 센서의 단점은 무엇인가?
기존의 x-ray 라인 스캔 센서는 그림 1에서 보는 바와같이 포토다이오드 어레이(photodiode array), charge integrating amplifier 어레이, S/H 회로, 디지털 스캔닝 쉬프트 레지스터(digital scanning shift register)와 timing generator로 구성되어 있다[2]. 그림 1의 Readout 되는 이미지 신호인 VIDEO 신호는 single-ended이므로 power supply noise, charge injection noise와 clock feed-through noise와 같은 입력 common mode noise에 민감한 단점이 있다.
x-ray 라인 스캔 센서는 어떤 장치인가?
x-ray 라인 스캔 센서(line scan sensor)는 x-ray를 통해 피사체 정보를 라인 스캔 센서를 이용하여 한 라인씩 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치이다. x-ray 라인스캔 센서는 의료영상 분야뿐만 아니라 비파괴 검사 등에 활용되고 있다.
x-ray 라인스캔 센서의 장점은 무엇인가?
비파괴 검사로는 공항, 항만 등의 물류검색과 같은 보안 분야, PCB 보드 검사와 같은 일반산업 분야와 캔 음료, 과자류 등의 식품산업 분야에 적용되어 x-ray 이미지를 얻는데 사용된다. x-ray 라인스캔 센서의 장점은 x-ray 촬영에서 flat panel 센서에 비해 큰 면적을 이미지화 할 수 있고 센서 면적과 제조원가를 줄일 수 있다[1].
참고문헌 (5)
Julien Marchal, Linear scanning sensors for medical X-ray imaging. Available: http://eepublishers.co.za/images/upload/ Linear%20scanning%20sensors.pdf.
X-Scan Imaging Corp., Linear X-RAY Photodiode Detector Array with Signal Amplification. Available: http://www.xscanimaging. com/datasheets/XB8850%20data%20sheet%20 Rev1_2.pdf.
Li Hao et al., "Image Restoration After Pixel Binning in Image Sensors," TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY, ISSN 1007-0214 18/19, vol. 14, no. 4, pp. 541-545, Aug. 2009.
R. Reshef et al., Large-Format Medical X-Ray CMOSImage Sensor for High Resolution High Frame Rate Applications. Available:http://www.imagesensors.org/Past%20Workshops /2009%20Workshop/2009%20Papers/069_paper_reshef_to wersemi_xray.pdf.
Ji-Hye Jang et al.,"Design of a DC-DC converter for intra-oral CMOS x-ray image sensor", J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng., vol. 16, no. 10, pp. 2237-2246, Dec. 2012.
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