專利名稱：輻射劑量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及輻射劑量計(radiation dosimeter)，尤其涉及用于確定用戶所受到的輻射水平的方法和裝置。
背景技術(shù)：
電子個人劑量計由人員在潛在危險的環(huán)境中使用。這種環(huán)境的例子可能是醫(yī)療環(huán)境，其中放射線技師和相關(guān)人員可能暴露到對他們的健康有害的X光劑量中。為此，這樣的人員通常需要佩戴或者攜帶電子個人劑量計，該劑量計用來檢測輻射和提供關(guān)于該人員已經(jīng)受到一段時間的輻射的量的指示。
檢測設(shè)備是已知的，其中由于X光的能量在照片底版上導致的化學變化而檢測到X光。但是，這樣的設(shè)備不必具有足夠長的使用壽命，或者有效和重復再用的能力。
美國專利號5,596,199描述了一種微劑量測定檢測設(shè)備，該設(shè)備包括能夠存儲預定的內(nèi)部電荷而不需要電源的非易失性存儲器件的陣列。入射在非易失性存儲器件上的每個輻射微粒在該器件的敏感體積之內(nèi)生成電荷，并且改變所存儲的內(nèi)部電荷，改變的量是對應(yīng)于由特定類型的輻射微粒沉積的能量的某個量。與關(guān)于該陣列中的非易失性存儲器件的這種電荷變異對應(yīng)的數(shù)據(jù)，被輸入到定性分析設(shè)備，該設(shè)備將這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對入射輻射場的頻譜分析。因而，所述的設(shè)備不僅能夠檢測到用戶暴露到輻射，并且還能夠?qū)⑦@樣的暴露以劑量表征，劑量是能夠描述入射輻射傷害用戶健康的趨勢的等級或相似測量。
但是，上述設(shè)備不僅不能在操作的檢測階段區(qū)分輻射的類型，并且還要求相對復雜的分析過程來確定暴露的水平和這樣的暴露造成的潛在傷害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于確定用戶已經(jīng)受到的輻射的水平的設(shè)備和方法，其與當前技術(shù)的裝置相比在配置和操作方面更不復雜，并且給出用戶暴露在一個或多個危險輻射類型中的快速和準確的指示。
依照本發(fā)明，提供了一種用于確定用戶已經(jīng)受到的輻射的水平的檢測器，該設(shè)備包括多個非易失性存儲元件、用于通過在其浮動柵極(floating gate)形成電荷來使得所述存儲元件能夠被編程的裝置、使得作為暴露到輻射的結(jié)果已經(jīng)經(jīng)歷閾值電壓偏移的所述存儲元件的數(shù)量能夠被確定的裝置，從而能夠確定所述用戶已受到的輻射劑量。
還是依照本發(fā)明，提供了一種用于上述檢測器的閱讀器設(shè)備，該閱讀器設(shè)備包括用于以下用途的裝置，將所述閱讀器設(shè)備連接到所述檢測器，和從那里接收代表作為受到輻射的結(jié)果而經(jīng)歷了閾值電壓的偏移的存儲元件的數(shù)量的數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)與預定的校準數(shù)據(jù)比較，和從而確定用戶已經(jīng)受到的輻射的劑量。
本發(fā)明擴展到包括如上所述的檢測器和閱讀器設(shè)備的劑量計系統(tǒng)。
仍然依照本發(fā)明，提供了一種用于確定用戶已經(jīng)受到的輻射水平的方法，該方法包括給用戶提供如上所述的檢測器，從那里獲取代表作為受到輻射的結(jié)果而經(jīng)歷了閾值電壓偏移的存儲元件的數(shù)量的數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)與預定的校準數(shù)據(jù)相比較，從而確定用戶已經(jīng)受到的輻射的劑量。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述檢測器可以包括閃爍器元件，諸如摻雜的NaI或更高級的材料，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，用于“捕獲”一些入射的輻射并且將其轉(zhuǎn)換為UV輻射。因而，在用于X光劑量計系統(tǒng)的檢測器的情況下，閃爍器元件(其可以存儲元件或屏幕的覆蓋層的形式提供)“捕獲”在其上入射的一些X光(和更高頻的光子)輻射，并且將其轉(zhuǎn)換為UV輻射。在本發(fā)明的更簡單的版本中，沒有提供閃爍器元件，X光劑量和所需的浮動柵極是大的，使得X光的主要量與浮動柵極交互，產(chǎn)生電荷和導致相應(yīng)的閾值電壓偏移。在這種情況下，可以提供濾波器元件用于只允許某種類型的輻射(或在預定頻率之上的)到達非易失性存儲元件。特別的，該濾波器可以包括UV濾波器，以阻塞UV輻射和允許更高頻率的輻射(特別是X光輻射)通過以到達非易失性存儲元件。但是，利用提供的閃爍器元件，較低比例的X光與浮動柵極存儲元件交互，以便能夠提供較小的浮動柵極體積，并且整個檢測器可以制造得更小、較不復雜和較不昂貴。
在本發(fā)明的一個示例實施例中，所述非易失性存儲元件可以陣列的形式提供，以便于制造和最優(yōu)化集成電路模腔。
閱讀器設(shè)備優(yōu)選包括用于編程所述非易失性存儲元件的裝置，從而消除在這方面對任何附加硬件的需要。檢測器設(shè)備優(yōu)選包括用于使閱讀器能夠與之耦接的接口，以便與之進行硬布線的或無線的通信。在一個優(yōu)選實施例中，閱讀器設(shè)備被布置和配置用于從所述檢測器設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)代表由于暴露到輻射中其閾值電壓已經(jīng)偏移的存儲元件的數(shù)目。校準數(shù)據(jù)有利的包括預定的校正曲線。
存儲陣列的一部分可以用于存儲數(shù)據(jù)，諸如關(guān)于預定的一個或多個用戶的用戶數(shù)據(jù)和/或表示一個或多個先前的讀出操作的時間戳。


本發(fā)明的這些和其它方面將參考這里所述的實施例加以闡述，并且變得顯而易見。
將描述的本發(fā)明的實施例只作為例子，并且參考附圖，其中圖1是傳統(tǒng)的IGFET設(shè)備的結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；圖2是浮動柵極器件的結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；圖3是示出依照本發(fā)明的示例性實施例的劑量計系統(tǒng)的主要部件的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖4是示出依照本發(fā)明的示例性實施例的確定用戶已經(jīng)受到的輻射水平的方法的主要步驟的示意性流程圖；圖5是示出由于X光劑量的作用被擦除的存儲單元的比例的簡圖。
具體實施例方式
參考附圖中的圖1，在一個傳統(tǒng)的p溝道隔離柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)結(jié)構(gòu)中，兩個p型區(qū)域10、12分散到n型基底14以形成源極(S)和漏級(D)。隔離材料(例如SiO2)層16已經(jīng)沉積，金屬的柵極18疊加在其上。
當傳統(tǒng)IGFET的柵電極被修改以結(jié)合一個附加的金屬隔離物“三明治”(浮動柵極)的時候，該新結(jié)構(gòu)可以作為其中可能有半永久電荷存儲而不需要電源的存儲器件(即，非易失性存儲器)。具有浮動柵極的IGFET的在圖2中示出，其基本上是p溝道加強模式器件。該柵電極的結(jié)構(gòu)象三明治般分層隔離物I(1)，金屬M(1)，隔離物(I)2，金屬M(2)。
在浮動柵極晶體管中，電荷在浮動柵極上存儲以改變其閾值電壓，并且當電荷被移除時，該閾值電壓返回其初始值。因而，浮動柵極被用作電荷存儲區(qū)域，并且通過改變該柵極上俘獲的電荷的數(shù)量，能夠改變該器件的閾值電壓，從而有效創(chuàng)建電壓水平偏移。
參考附圖3，依照本發(fā)明的示例實施例的X光劑量計檢測器設(shè)備100包括多個非易失性浮動柵極存儲元件102，這些存儲元件以陣列104布置，并且優(yōu)選形成在單個集成電路小片上和容納在封裝之內(nèi)，以便附著或結(jié)合到用戶的衣服或身體之內(nèi)或之上。將理解，非易失性存儲元件102的陣列104所覆蓋的區(qū)域?qū)⒁蕾囉陬A期用戶受到的總的輻射劑量。提供閃爍器元件106，其布置和配置在輸入輻射108和存儲陣列104之間(部分或全部遮蔽存儲陣列104)，以便“捕獲”一些其上入射的X光輻射并且將之轉(zhuǎn)化為UV輻射。提供了閃爍器元件106意味著入射到浮動柵極存儲元件102上的X光劑量少，使得浮動柵極的體積可以減小，從而使得最終的檢測器更小并且制造起來更不復雜和不昂貴。如本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的，閃爍器元件106可以包括，例如，摻雜的NaI或更多高級的材料，并且依賴于使用的材料可以有顯著的厚度，也就是說1厘米的量級。
將理解，在本領(lǐng)域中有許多不同類型的非易失性浮動柵極存儲器，并且本發(fā)明將不受限于這個方面。例如，可以使用閃存或SONOS(半導體-氧化物-氮化物-氧化物-半導體)存儲器，其中可以在柵極結(jié)構(gòu)的氮化物層俘獲電荷。
還提供接口電路110，以使得檢測器100能夠與外部的閱讀器設(shè)備對接，從而最小化該檢測器單元的復雜度(通過消除在檢測器單元中結(jié)合閱讀器功能的需要)。
另外參考附圖4，在步驟200，對非易失性存儲器102的陣列104編程，以使得所有的存儲元件102在浮動柵極上具有一電荷。對浮動柵極存儲元件編程可以定義為增加該器件的浮動柵極上俘獲的電子數(shù)目，而對其解編程或擦除是恰好相反的操作。有多種方法通常用來執(zhí)行這些過程。一種這樣的方法，稱為Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)法，通過建立穿過柵極氧化物的強大的場來實現(xiàn)，該場使得電子能夠隧穿該氧化物。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，這種編程和擦除的兩個主要準則是保證所述的場強高得足以激活隧道效應(yīng)，同時保證該場強足以低的阻止氧化物破壞。
另一個編程方法稱為熱電子注射，其涉及設(shè)置穿過器件的VDS偏壓和VGS偏壓。這些條件使得電子能夠隧穿溝道，以便隧穿接近漏級的柵極氧化物。
其它方法對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且本發(fā)明不必受限于這個方面。對非易失性存儲元件的編程可以通過使用閱讀器設(shè)備114來執(zhí)行(下文對此解釋)，但是這不是必須的?？梢詾榇四康奶峁┓蛛x的裝置。
在步驟202，一旦已經(jīng)編程，檢測器設(shè)備100可以附著到用戶的衣服上，例如與傳統(tǒng)的劑量計設(shè)備類似。或者，該檢測器設(shè)備可以結(jié)合到特殊封裝里，以便結(jié)合到用戶的衣服中。應(yīng)理解，在任何情況下，不需要電池或其它的電源。
當用戶暴露到X光輻射，X光112將穿透濾波器106以到達非易失性存儲元件102，導致在一些浮動柵極上的電荷被移除，從而導致在相應(yīng)的存儲元件102中閾值電壓發(fā)生對應(yīng)的偏移。對于給定的暴露時間，只有一些浮動柵極可能被Vt(閾值電壓)偏移，因為在閃爍器元件106中的X光的隨機吸收過程(閃爍器元件也可以稱為“吸收轉(zhuǎn)化器”或“熒光體”材料)。隨著入射X光的能量變高，吸收長度變大，例如在10Kev，該吸收長度在例如有機玻璃(Perspex)或PMMA中大約為10mm。結(jié)果，吸收“事件”不得不視為吸收體中的隨機過程。有效的閃爍器每當吸收X光就產(chǎn)生許多光子，并且具有很少自吸收。
在某個暴露時間段之后，在步驟204，可以通過接口110和116將檢測器100連接到閱讀器114。閱讀器114包括電源118，用以提供電能從而讀取由于暴露到X光的結(jié)果而經(jīng)歷閾值電壓偏移的器件102的數(shù)目(步驟206)。在一個示例實施例中，還可以提供裝置來測量各閾值電壓偏移的量，但這不是必須的?；旧?，閾值電壓偏移的程度可以通過測量具有給定Vgs的器件電流Ids中的變化來測量；并且在浮動柵極器件中，在浮動柵極上的電荷通過增量Vt＝(t*Q)/ε與閾值電壓中的變化相關(guān)聯(lián)，其中Q是浮動柵極上的電荷，t和ε分別是柵極氧化物厚度和介電常數(shù)。原則上，存儲器中的每個器件必須一個一個讀出，并且電流被放大和與在一些固定的電阻器上的電壓降比較(在非常原始的版本中)。但是，在許多嵌入式存儲過程中，對這樣的非易失性存儲器件的讀出是標準的。讀出該芯片的另一種方法是，制造兩個相同的芯片，一個芯片經(jīng)受X光和UV光，另一個封裝在鉛中(因而阻擋了所有的入射輻射)，從而后一個芯片充當“控制陣列”，然后可以在劑量計芯片和屏蔽的芯片之間比較各個MOS晶體管的電流。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在任何情況下，讀出非易失性存儲器的過程是相當快的，即對于很多兆的像素在＜1秒的量級。
然后，處理裝置120采用預定的但是普遍的校準曲線，從VT偏移的存儲元件102的數(shù)目來確定用戶已經(jīng)受到的總的X光劑量(步驟208)。為了將被擦除的存儲單元的數(shù)目轉(zhuǎn)化為X光暴露劑量，上述的校準曲線是必須的。這樣的曲線至少依賴于以下所有因素閃爍器材料，閃爍器體積，檢測器封裝的吸收性能，在UV光和浮動柵極之間的耦合，浮動柵極氧化物厚度和滲透性，柵極長度和寬度，“像素”(即非易失性存儲元件)的電源電壓和強度和大小?？梢酝ㄟ^將劑量計設(shè)備暴露到已知劑量的X光并且測量被擦除的單元的數(shù)目作為劑量的函數(shù)，來確定該曲線，在圖5中提供了這樣的曲線的簡圖作為例子，該圖示出了閾值X光劑量A(在此存儲單元開始被擦除)和飽和劑量B(當所有存儲單元已經(jīng)被擦除)。
另外，存儲陣列104的部分可以用來存儲數(shù)據(jù)，諸如用戶信息或者表示關(guān)于檢測器100執(zhí)行的前一次讀出操作的時間戳。
最后，可以將檢測器陣列重置(在步驟210)，以備以后再用，通過首先擦除陣列104的所有非易失性存儲元件102(使得在各浮動柵極上的所有電子都被移除)，隨后象以前一樣在所有浮動柵極上放置電子。該重置過程可以由閱讀器114來再次執(zhí)行。
應(yīng)該認識到上述實施例是為了說明而不是限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計許多替代實施例而不偏離隨附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍。在權(quán)利要求中，括號中的任何參考符號不視為限制權(quán)利要求。詞“包括”、“包含”等不排除在任何權(quán)利要求或說明書中作為整體列出的元件或步驟之外的元件或步驟的存在。對元件的單數(shù)引用不排除對該元件的復數(shù)引用，反之亦然。本發(fā)明可以通過包括若干不同元件的硬件或適當編程的計算機來實現(xiàn)。在列舉若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，若干這樣的裝置可以實現(xiàn)為一個和相同的硬件項。在相互不同的從屬權(quán)利要求中列出某些措施的事實并不意味著不能使用這些措施的組合獲益。
權(quán)利要求
1.一種用于確定用戶已經(jīng)受到的輻射水平的檢測器(100)，該設(shè)備包括多個非易失性存儲元件(102)、用于通過在其浮動柵極形成電荷來使得所述存儲元件(102)能夠被編程的裝置(110)、使得作為暴露到輻射(112)的結(jié)果已經(jīng)經(jīng)歷閾值電壓偏移的所述存儲元件的數(shù)量能夠被確定的裝置(110)，從而能夠確定所述用戶已受到的輻射劑量(122)。
2.依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)，其中所述非易失性存儲元件(102)以陣列(104)的形式提供。
3.依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)，包括閃爍器元件(106)，其用于將其上入射的部分高頻輻射轉(zhuǎn)化為UV輻射。
4.依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)，還包括濾波器，其用以只允許某種類型的輻射或者在預定頻率之上的輻射到達所述非易失性存儲單元(102)。
5.依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)，其中所述多個非易失性存儲元件(102)的一部分用于存儲數(shù)據(jù)，包括與預定的一個或多個用戶相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)和/或表示一個或多個先前的讀出操作的時間戳。
6.依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)，包括接口(110)，使得閱讀器(114)能夠與之耦接以便與之進行硬布線或無線的通信。
7.一種與依照權(quán)利要求1的檢測器(100)一起使用的閱讀器設(shè)備(114)，該設(shè)備包括裝置(116)，其用于將所述閱讀器設(shè)備(114)連接到所述檢測器(110)，和從那里接收代表作為受到輻射的結(jié)果(112)而經(jīng)歷了閾值電壓的偏移的存儲元件(102)的數(shù)量的數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)與預定的校準數(shù)據(jù)比較，和從而確定用戶已經(jīng)受到的輻射的劑量(122)。
8.依照權(quán)利要求7所述的閱讀器設(shè)備(114)，還包括用于編程所述非易失性存儲元件(102)的裝置。
9.依照權(quán)利要求7所述的閱讀器設(shè)備(114)，布置和配置為從所述檢測器(100)讀取代表作為受到輻射的結(jié)果(112)而閾值電壓發(fā)生偏移的存儲元件(102)的數(shù)量的數(shù)據(jù)。
10.依照權(quán)利要求7所述的閱讀器設(shè)備(114)，其中所述校準數(shù)據(jù)包括預定的校準曲線。
11.一種包括依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)和依照權(quán)利要求7所述的閱讀器設(shè)備(114)的劑量計系統(tǒng)。
12.一種依照權(quán)利要求11所述的X光劑量計系統(tǒng)。
13.一種依照權(quán)利要求12所述的X光劑量計系統(tǒng)，其中所述檢測器(100)包括閃爍器元件(106)，用以將一部分在其上入射的X光輻射轉(zhuǎn)化為UV輻射。
14.一種確定用戶已經(jīng)受到的輻射的水平的方法，該方法包括，給用戶提供依照權(quán)利要求1所述的檢測器(100)，從那里獲取代表作為受到輻射的結(jié)果(112)而經(jīng)歷了閾值電壓的偏移的存儲元件(102)的數(shù)量的數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)與預定的校準數(shù)據(jù)比較，和從而確定用戶已經(jīng)受到的輻射的劑量(122)。
全文摘要
一種個人X光劑量計系統(tǒng)，包括便攜式檢測器(100)和閱讀器設(shè)備(114)。該便攜式檢測器(100)包括編程的非易失性存儲元件(102)的陣列(104)和用于將其上入射的部分X光輻射轉(zhuǎn)化為UV輻射的閃爍器元件(106)。作為暴露到?jīng)]有轉(zhuǎn)化為UV輻射的X光輻射(112)的結(jié)果，一些存儲元件(102)在它們的浮動柵極上將具有電荷，從而導致閾值電壓(VT)中的對應(yīng)偏移。在一段暴露時間之后，閱讀器設(shè)備(114)從檢測器(100)讀取代表VT已經(jīng)偏移的存儲元件(102)的數(shù)量的數(shù)據(jù)，并且從而使用預定的校準曲線來確定用戶已經(jīng)受到的輻射劑量(122)。
文檔編號G01T1/24GK101065684SQ200580040145
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者P·阿加沃爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司