Systemlösung auf einem Chip: ams OSRAM sorgt für hochauflösende Bilder in der medizinischen Computertomographie und bei Röntgenprüfsystemen

ams OSRAM (SIX: AMS), ein weltweit führender Anbieter von optischen Lösungen, erweitert sein Sensorchip-Portfolio um eine 32-Slice-Lösung für Computertomographen (CT-Scanner). CT-Geräte werden in einer Vielzahl von Bereichen wie der Medizin, Industrie oder Sicherheit eingesetzt.

• Der AS5951 von ams OSRAM bietet mit seinen On-Chip-Photodioden eine kostenoptimierte Lösung für 32-Slice-Detektoren von Computertomographen im preissensitiven Marktsegment
• Dank der monolithischen Integration des A/D-Wandlers, des Photodioden-Arrays und der Spannungsreferenz in einem einzigen Bauteil, erleichtert der AS5951 die Systementwicklung und reduziert die Materialkosten
• Wenig Rauschen und geringer Leckstrom der Photodiode gewährleisten eine hohe Bildqualität und starke Leistung bei niedriger Dosis

Über alle Anwendungen hinweg ist der Detektor der entscheidende Faktor für die Entwicklung eines kosteneffizienten CT-Scanners. „Der AS5951 Sensorchip von ams OSRAM vereinfacht den Aufbau des Detektors. Er vereint hochempfindliche Photodiodenarrays und die Ausleseschaltung auf einem einzigen CMOS-Chip. Im Vergleich zu seinem Vorgänger liefert der AS5951 eine verbesserte Bildauflösung bei gleicher Sensorfläche", sagt Jose Vinau, Leiter des Segments Medical und CMOS bei ams OSRAM.

Sensorchip der neuen Generation
Die wichtigste Verbesserung gegenüber dem Vorgängermodell AS5950 ist die höhere räumliche Auflösung bei gleicher Detektorfläche. Ein isotroper Pixelabstand im Submillimeterbereich erreicht eine verbesserte Bildauflösung. Das Photodioden-Array des AS5951 besteht aus 16 x 8 Pixeln mit einem Pitch von 0,98 x 0,98 mm² und verbessert damit den ursprünglichen Pitch von 0,98 x 1,96 mm² des Vorgängers. Dies ermöglicht eine doppelt so hohe räumliche Auflösung bei einer Gesamtabmessung des Sensors von 31,23 mm. Dabei werden zwei AS5951 verwendet, um einen 32-Slice-Detektor realisieren zu können. Um der höheren Pixeldichte Rechnung zu tragen, wurde die Anzahl der Kanäle des A/D-Wandlers (ADC) von 64 auf 128 erhöht. Die Pixelabmessungen können innerhalb kurzer Zeit an Kundenanforderungen angepasst werden.

Einen weiteren Einfluss auf die Bildqualität hat der niedrige Dunkelstrom von maximal 1 pA, der aufgrund der automatisch kalibrierten Zero-Offsetspannung an der Photodiode erreicht wird. Dies ist 90 Prozent niedriger als beim AS5950 und ermöglicht eine bessere Leistung bei niedriger Dosis. Das eingangsbezogene Rauschverhalten ist ein entscheidender Aspekt für die Bildqualität. Dieses ist beim AS5951, aufgrund der kurzen Verbindung von Photodiode und ADC-Kanal, extrem niedrig und macht so eine verbesserte Leistung bei niedriger Dosis möglich.

Der AS5951 hat zwei Betriebsmodi: Hochauflösender und Niedrigdosis-Modus. Im hochauflösenden Modus wird ein maximales Rauschen von 0,30 fC bei einem Eingangsstrombereich von 200 nA erreicht. Im Niedrigdosis-Modus werden zwei Pixel zu einem größeren Pixel verbunden. Bei einem Rauschpegel von 0,43 fC ermöglicht dies ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch die Dosis reduziert werden kann. Die hohe Linearität von ±600 ppm, einschließlich der Photodiode, gewährleistet außerdem artefaktfreie Bilder.

Die minimale Integrationszeit von 200 µs ermöglicht schnelle CT-Detektor Rotationen. Auf die digitale Datenauslesung kann über die SPI-Schnittstelle zugegriffen werden.

Der AS5951 als kostenoptimierte Lösung für 32-Slice-CT-Detektoren
Das patentierte Produktdesign von ams OSRAM macht es möglich, den 128-Kanal-ADC nicht als diskretes Bauteil neben dem Photodioden-Array zu platzieren, sondern monolithisch in ein einziges Bauteil zu integrieren. Dies reduziert die Komplexität und damit die Herstellungskosten für die Produzenten von CT-Detektoren. Um das große Pixel-Array des CT-Detektors zusammenzusetzen, wird der AS5951 an seinen drei benachbarten Kanten montiert. Zwei AS5951-ICs können in Z-Richtung (axial) platziert werden, was die Entwicklung von 32-Slice-Detektoren für kostenoptimierte CT-Detektoren ermöglicht. Die interne Referenzspannung reduziert die Materialkosten, da kein zusätzliches externes Bauteil erforderlich ist. Ein integrierter Temperatursensor erlaubt die Überwachung der Temperatur am Chip. Mit dem AS5951 erhalten die Kunden eine einsatzbereite Sensorchiplösung, die die Systemintegration in den Detektor vereinfacht.

Zusätzlich spart eine verringerte Selbsterwärmung, bei einer maximalen Verlustleistung von 67,2 mW pro Sensor im Niedrigdosis-Modus, Kühlkosten. Um ein CT-Modul herzustellen, kann der AS5951 mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens direkt auf ein Substrat montiert werden. In Kombination mit kostengünstigen Substratmaterialien bietet der AS5951 eine kosteneffiziente Modullösung für CT-Detektoren. Dies ist der Schlüssel, um den Zugang zur diagnostischen CT-Bildgebung auf der ganzen Welt zu verbessern.

Detailliertere technische Informationen finden Sie unter https://ams-osram.com/as5951.

www.ams.com

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