STEM像素阵列探测器(EMPAD)：如何兼顾高动态范围与单电子灵敏度？

扫描透射电子显微镜是观察材料微观结构、分析材料性能的核心工具，而探测器是技术的核心——电子束穿过样品后的散射信号，全靠探测器捕捉、转化为可分析的图像。

传统STEM探测器受动态范围、成像速度和单电子识别能力的限制，只能捕捉电子散射的局部区域，无法完整记录衍射图案，也难以同时获取多种成像信息。

为突破这些技术瓶颈，康奈尔大学等研究团队研发出了适配STEM的像素阵列探测器。这款探测器兼顾了超高动态范围和单电子灵敏度，能高速、完整地捕捉电子散射的全部信息，相关成果发表于2016年Microscopy and Microanalysis期刊的学术论文 High Dynamic Range Pixel Array Detector for Scanning Transmission Electron Microscopy。

研发背景：STEM探测器的技术短板与升级需求

电镜主要分为TEM和STEM两类，前者像快照相机，一次拍摄就能得到样品的实空间图像；后者则通过追踪电子束穿过样品后的散射轨迹分析材料结构，对探测器的综合性能要求更高。

自电镜问世以来，探测器也经历了多轮升级，每一代产品都解决了前一代的部分问题，但始终存在难以兼顾的性能短板：

1. 早期乳胶膜与成像板：乳胶膜能拍出高分辨率的图像，但成像效果非线性、动态范围小，还需要化学显影等后续处理；成像板实现了数字信号读出，线性和动态范围更好，却信噪比偏低，且同样需要离线处理，无法满足自动化、高速的实验需求。
2. 电荷耦合器件：是STEM的常用探测器，分直接转换型和闪烁体耦合型两种。直接转换型CCD对单个电子特别敏感，却极易被少量电子“占满”，动态范围极低；闪烁体耦合型CCD拓展了动态范围，却因电子和光的散射损失了空间分辨率，成像细节变模糊。
3. 单片有源像素传感器与早期混合像素阵列探测器：这两类是CCD的升级替代产品，MAPS把传感器和信号读出电路做在同一层，结构紧凑；PAD则由厚硅传感器层和信号处理电路层像素对像素贴合而成，探测效率更高。但早期PAD也有明显缺陷：脉冲计数型PAD能清晰识别单个电子，却在电子通量高的衍射实验中容易饱和；电荷积分型PAD能接收更多电子，却只能在高灵敏度和高动态范围中二选一，无法兼顾。

正是为了解决上述所有探测器的共性问题，该研究团队研发出了第三代PAD架构——EMPAD。它融合了高增益电荷积分和像素内智能复位的设计，在保留高速电子接收能力的同时，既实现了对单个电子的精准识别，又拥有超大的动态范围，成为适配STEM的通用型探测器。

EMPAD的设计与系统组装

EMPAD并非全新设计的探测器，而是基于原本用于X射线成像的混合模式像素阵列探测器改造而来，经测试可适配80~200keV的电子束，连续近一年使用也没有出现性能衰减。

整套EMPAD系统由核心探测模块、探测器外壳、探测器控制单元和数据采集控制计算机四部分组成，各部分各司其职，协同完成电子信号的捕捉、转换、传输和处理，整体架构简单且实用性强。

（一）核心探测模块

核心探测模块是EMPAD的核心，由500μm厚的高阻硅二极管传感器阵列和专用集成电路组成，二者通过凸点键合技术实现像素对像素的精准贴合，简单说就是传感器的每个像素，都和电路的对应像素紧紧贴合，电子信号能直接传递，减少损耗。

图 1 (a) 电镜像素阵列探测器的STEM成像示意图：电子束逐点扫描，同步记录完整会聚束电子衍射花样。(b) EMPAD 物理结构示意图：像素化传感器（蓝色，切角示意）与信号处理芯片（粉色）通过凸点键合逐像素连接。

1. 硅传感器阵列：规格为128×128像素，单个像素尺寸150×150μm²，在150V的偏压下能实现全耗尽，电子束打过来后，几乎所有的电子信号都能被捕捉，探测效率极高。
2. 专用集成电路：用0.25μm的CMOS工艺制作，是为EMPAD量身定做的信号处理芯片，把128×128的像素阵列分成8个128×16的像素组，支持8组并行读取信号，这也是EMPAD能实现高速成像的关键。

EMPAD的最大创新，在于像素内部的电路设计，这套电路实现了“高灵敏度”和“高动态范围”的兼顾。工作原理可以用接水来通俗理解：电子信号产生的电荷会像水一样，流进一个50fF的积分电容（相当于水桶）中积累；电容外有一个阈值监测装置，当桶里的水快满时，会自动触发舀水装置，舀走定量的水，同时旁边的18位计数器会记录一次舀水次数；当一次成像的积累过程结束后，系统会把计数器的“舀水次数”和水桶里“剩下的水量”结合，通过现场可编程门阵列转换为30位的数字信号输出。

这个过程中，小容量的水桶保证了对少量水滴（单个电子）的敏感，而“舀水+计数”的设计则让探测器不会被大量电子“灌满”，实现了100万:1的单帧动态范围。

图 2 混合模式像素阵列探测器像素工作示意图。

此外，核心模块的8组像素并行读取，能让探测器实现1.1kHz的连续帧频，单次图像的读取时间仅0.86ms，高速的成像能力能有效减少样品漂移带来的图像失真。

（二）探测器外壳

EMPAD的外壳是在成熟的Fischione-3000高角环形暗场探测器外壳基础上改造的，核心作用是让探测器适配STEM的真空工作环境，同时为核心探测模块提供稳定的工作条件。

图 4 探测器外壳与相机插件示意图

1. 真空适配：外壳能和STEM的真空腔完美结合，核心探测模块、真空馈通板等关键部件都置于真空环境中，避免电子在空气中散射，保证探测精度。
2. 主动冷却：通过热电制冷器将核心探测模块冷却至-16.0±0.05℃，这个温度能大幅降低探测器的暗电流噪声——就像相机在低温下能减少照片噪点一样，低温能让探测器在没有电子照射时，自身产生的微弱电信号降到最低。
3. 屏蔽防护：外壳内装有铜光阑和辐射屏蔽层，铜光阑只让电子束照射到传感器的有效区域，辐射屏蔽层则能阻挡显微镜的杂散电子，避免无关信号干扰成像。

（三）探测器控制单元

DCU是连接探测器外壳和控制计算机的中间环节，相当于EMPAD的“指挥中心”，以Xilinx Virtex-6 ML605 FPGA为核心，通过80芯电缆和探测器外壳连接，主要完成三个工作：一是向探测器发送控制指令，调节成像参数；二是接收探测器传来的电信号，进行初步处理；三是控制STEM的电子束扫描线圈，让电子束的扫描和探测器的成像同步。同时，DCU还自带电源管理模块，能为探测器外壳提供稳定的供电，保证各部件正常工作。

（四）DAQ控制计算机

DAQ控制计算机是一台搭载64GB内存的Ubuntu 12.04 Linux工作站，配备了传输带宽达5GB/s的CameraLink数据采集卡，能快速接收DCU传来的图像数据，主要功能包括：

1. 实时操作与显示：通过自定义软件，研究人员可以在计算机上设置成像的感兴趣区域，实时看到衍射图案和样品的扫描图像，还能切换固定位置成像、快速低点数扫描等模式，分别用于电子束/样品对准、显微镜调焦。
2. 数据处理与存储：成像前，计算机会先拍摄至少100张无电子照射的暗场图像，取平均值作为背景参考，后续所有成像都会扣除这个背景，减少噪声；拍摄的图像会以32位浮点数的格式存储，比如256×256个扫描点的图像，数据文件大小约4GB，保证数据的完整性。

EMPAD的性能表征

为了明确EMPAD的各项性能指标，研究团队用80、120、160、200keV的电子束对其进行了全面测试，包括像素响应、噪声特性、电荷扩散等，核心性能参数汇总在下表中，这些数据直观反映了EMPAD的探测能力，也是后续实际成像的重要依据。

表 1 EMPAD 核心性能参数

表征指标	具体数值
传感器格式	128×128 像素
传感器厚度	500μm 硅
像素尺寸	150×150μm²
动态范围	30 位（100 万：1 单帧）
满阱容量（100keV）	3.7×10⁶ 电子 / 像素 / 帧
信号 / 电子（100keV）	197 ADU / 电子
读噪声	2.8 ADU（0.014 电子 @100keV 等效）
暗电流（-16℃）	2.7 电子 /s（100keV 等效）
1s 曝光暗噪声	0.01 电子（100keV 等效）
读时间	0.86 ms / 幅

（一）像素响应：精准识别单个电子，信号线性度好

在低电子通量的条件下（每个像素每帧的电子数远小于1），研究团队用不同能量的电子束照射探测器，拍摄了10000帧图像，统计像素的信号响应并绘制了直方图。

图 5 80、120、160、200keV 电子低通量均匀照射下，探测器 10000 帧图像的像素响应直方图

结果显示：

1. 单电子识别能力：80keV的电子打在探测器上，会在151个模拟数字转换单位处形成明显的峰值，2个、3个电子则对应303、454ADU的峰值，说明探测器能精准识别单个电子，且电子数和信号强度呈明显的线性关系。
2. 能量线性响应：探测器的信号响应为1.97ADU/keV，即电子能量每增加1keV，信号强度就增加1.97ADU，不同能量的电子都能形成对应的离散峰值，线性度极佳。
3. 存在电荷共享：不同电子峰值之间有微弱的信号强度，这是因为部分电子打在两个像素的交界处，电荷会在相邻像素间扩散，这种“电荷共享”是探测器的正常现象，后续会通过实验量化其影响。

此外，测试还发现传感器的输入面有一层约1μm的无灵敏区，电子穿过这层区域时会损失少量能量，这一结果和传感器制造商的参数一致，对实际成像的影响可通过校准消除。

（二）噪声特性：噪声极低，对成像几乎无干扰

探测器的噪声主要包括读噪声和暗电流噪声，这两项指标直接影响成像的清晰度，EMPAD的噪声测试结果表现优异：

1. 读噪声：仅2.8ADU，相当于0.014个100keV的电子，也就是说，探测器读取信号时产生的噪声，比单个电子的信号弱得多，不会掩盖有效信号。
2. 暗电流噪声：在-16℃的工作温度下，探测器的暗电流为2.7 电子/s（100keV等效），1秒曝光的暗噪声仅0.01电子等效，而EMPAD的单次成像时间仅1ms左右，暗电流产生的噪声几乎可以忽略不计。

极低的噪声水平，让EMPAD在识别单个电子时，不会被无关信号干扰，保证了高灵敏度。

（三）电荷扩散：电子能量越高，扩散范围越大

为了量化电荷共享的影响，研究团队统计了不同能量电子中，电荷完全被单个像素捕捉的比例，并通过Win X-ray蒙特卡洛模拟，计算了电子电荷的收集半径，结果汇总在下表中。

表 2 EMPAD 传感器的电荷扩散特性

电子能量（keV）	单像素记录电子占比	50% 电荷收集半径（μm）	95% 电荷收集半径（μm）
80	0.54	14	32
120	0.40	30	67
160	0.26	49	112
200	0.13	74	167

测试和模拟结果显示：电子的能量越高，电荷扩散的范围越大。80keV的电子中，54%的电荷能被单个像素捕捉，95%的电荷收集半径为32μm；而200keV的电子，仅13%的电荷能被单个像素捕捉，95%的电荷收集半径达167μm，超过了探测器150μm的像素尺寸。

研究团队还模拟了80~200keV电子在硅传感器中的运动轨迹，发现电子会像“随机游走”一样在硅中运动并损失能量，部分电子的轨迹能完全被单个像素包含，因此即使200keV电子的平均扩散半径超过像素尺寸，探测器仍能捕捉到其单电子峰值。

图 6 80~200keV 电子在硅中运动轨迹的蒙特卡洛模拟图：(a) 80keV、(b) 120keV、(c) 160keV、(d) 200keV。

同时测试发现，8keV X射线在传感器中的能量沉积高度集中，扩散半高宽仅10~15μm，而电子的电荷扩散是X射线的扩散效应和电子自身的游走效应共同导致的，除低能电子外，后者是主要影响因素。

（四）电子接收能力

对于100keV的电子，EMPAD的积分电容积累14.2个电子后，就会触发电荷移除电路，结合18位计数器的计数能力，探测器单个像素每帧能接收的最大电子数达3.7×10⁶个，电荷移除电路的电子接收速率约2.8×10⁷个/像素/秒，对应的束流电流为4.5pA/像素。这个能力远高于STEM衍射实验的电子通量需求，且这一上限并非技术极限，后续可通过调整积分电容和电荷移除速度进一步提升。

EMPAD的STEM成像应用

为了验证EMPAD的实际成像能力，研究团队将其安装在FEI Tecnai F20 200keV的STEM上，以BiFeO₃铁电薄膜和50nm厚的Co薄膜为测试样品，开展了衍射成像、多模态同步成像、原子分辨率成像和磁场定量成像实验。

这款STEM能形成小于0.2nm的电子束斑，满足材料微观结构分析的需求，而EMPAD则完美发挥了其高动态范围、高灵敏度、高速成像的优势，得到了传统探测器无法获取的成像结果。

（一）BiFeO₃薄膜成像

BiFeO₃是一种典型的铁电材料，其微观畴结构和衍射特性是材料研究的重点，研究团队以它为主要测试样品，完成了多项核心成像实验：

1. 会聚束电子衍射成像：沿BiFeO₃的[010]赝立方晶带轴拍摄衍射图案，1ms的短曝光就能清晰捕捉到中心电子束、Kikuchi带和高阶劳厄带线的完整细节，100ms曝光后，图像的动态范围跨越四个数量级，且全程没有出现信号饱和。更重要的是，EMPAD无需在探测器前加装束流阻挡器，就能直接拍摄直射的电子束，还能在绝对尺度上量化每个位置的电子数，为后续样品厚度测定、原子计数提供了精准的数据。

图 7 在单扫描位置、10pA 束流条件下，分别以 1ms (a) 和 100ms (b) 记录的铁酸铋会聚束电子衍射花样。

2. 多模态同步成像：从同一组EMPAD成像数据中，研究人员仅通过调整计算机上的感兴趣区域，就能同时提取出明场、高角环形暗场、差分相位对比、质心四种图像。这四种图像分别反映样品的不同结构信息，且因来自同一数据集，图像精准对齐，其相对和绝对强度能直接对比——这是传统探测器无法实现的，传统实验需要更换不同的探测器分别拍摄，不仅耗时，还容易因样品漂移导致图像错位。

图 8 从 EMPAD-STEM 成像数据集中提取的多种成像模式图。(a) 明场信号；(b) 环形暗场信号；(c) x 方向的差分相位对比信号；(d) x 方向的质心偏移量。

3. 首次实现直接COM成像：COM成像即衍射图案的质心成像，通过积分完整的衍射图案，计算电子束的净动量转移，能反映样品的电场、磁场和晶格倾斜等信息。此前的探测器因无法捕捉完整的衍射图案，只能通过分裂/四象限探测器实现近似的DPC成像，而EMPAD则实现了实验上的首次直接COM成像。对比发现，COM成像比DPC成像的噪声更低、无各向异性，且能通过衍射图案的校准实现定量分析，而DPC成像因归一化处理，容易出现非线性和数值不稳定的问题。
4. 原子分辨率畴边界成像：EMPAD能拍摄到BiFeO₃薄膜畴边界的原子级HAADF和COM图像，清晰观测到毫弧度级的衍射图案倾斜。分析发现，COM图像的衬度主要由畴的晶格倾斜和极性共同贡献，且倾斜是主要因素，大角度的积分范围还能有效抑制畴边界的菲涅耳衬度，让结构细节更清晰。

图 9 利用 EMPAD 拍摄的BiFeO3畴边界的原子分辨率成像图：(a) 高角环形暗场图像；(b) x 方向质心图像；(c) y 方向质心图像。

（二）Co薄膜成像：实现磁场的定量表征

研究团队用EMPAD拍摄50nm厚的Co薄膜，关闭STEM的物镜实现无场成像，此时电子束高度平行，对磁场的变化极为敏感，且束斑大于Co薄膜的晶粒尺寸，能平均掉常规成像中的晶粒衬度，专门捕捉磁场带来的电子束偏转。

通过COM成像，探测器能捕捉到电子束微弧度级的偏转，结合已知的薄膜厚度，可将偏转量直接转换为特斯拉级的磁场强度，最终得到Co薄膜中x、y两个方向的磁场波纹定量图像。这一结果证明，EMPAD不仅能分析材料的晶体结构，还能对材料的磁场等物理性能进行精准的定量测量，拓展了STEM的研究范围。

图 10 50nm 厚钴薄膜的磁偏转质心测量图：(a) x 方向、(b) y 方向。

EMPAD的性能量化

除了实际成像，研究团队还通过线扩散函数、调制传递函数和探测量子效率三个核心指标，量化了EMPAD的空间响应和探测效率，这些指标是评价探测器成像能力的通用标准，能更客观地反映其性能优势。

（一）LSF与MTF：空间分辨率随电子能量升高略有下降

线扩散函数反映探测器对物体边缘的分辨能力，调制传递函数则由LSF经傅里叶变换得到，反映探测器传递图像细节的能力——MTF值越高，探测器能传递的图像细节越多，空间分辨率越好。

研究团队通过拍摄800μm选区光阑的边缘图像，测试了80和200keV电子束下的LSF和MTF：80keV电子的LSF尾部更窄，对应的MTF值更高；200keV电子因电荷扩散范围更大，LSF尾部更宽，MTF值更低。这一结果和前文的电荷扩散测试一致，说明电子能量是影响EMPAD空间分辨率的主要因素，但即使是200keV的电子，其MTF仍能满足STEM微观成像的需求。

图 11 探测器对投影于其上的光阑边缘的响应测量图。(a) 80keV、(b) 200keV 电子的线扩散函数；(c) 调制传递函数。

（二）DQE：宽电子通量范围内，保持高探测效率

探测量子效率反映探测器利用电子信号的效率——DQE值越高，探测器能将更多的电子信号转化为有效图像，成像越清晰，同时还能减少电子束对样品的损伤。

研究团队用噪声分箱法测试EMPAD的DQE，结果显示：在低电子通量下（0.2电子/像素/帧），80keV电子的DQE为0.88，200keV为0.93；在中等电子通量下（700电子/像素/帧），80keV的DQE为0.93，200keV为0.94。在如此宽的电子通量范围内，EMPAD的DQE始终保持在0.88以上的高位，这是其核心性能优势之一。

对比来看，传统的脉冲计数型PAD，在电子通量超过10电子/像素/帧后，因符合损失导致DQE大幅下降，而EMPAD基于电荷积分工作，无这一问题，更适合电子通量高的衍射实验。

（三）衍射性能指标：远超传统直接电子探测器

针对衍射图案动态范围大的特点，研究团队用全宽1/100最大值和全宽1/1000最大值评价EMPAD的衍射成像能力，这两个指标能反映探测器在强信号附近，识别弱信号细节的能力。

测试结果显示，EMPAD的FWCM在80和200keV下均为3像素，FWKM在80keV下为3像素、200keV下为5像素。由于传统直接电子探测器的动态范围不足，无法测量1/1000最大值处的信号宽度，因此EMPAD的这一指标暂无同类产品可对比，体现了其在衍射成像中的绝对优势。

EMPAD的设计优化

EMPAD是由X射线探测器改造而来，并非为STEM量身定做，因此仍有优化空间。研究团队从像素数量和传感器厚度两个核心维度，探讨了探测器的设计权衡，为后续的升级改造提供了理论依据。同时也指出：PAD的设计成本高达数百万美元，研发周期长达数年，因此在没有明确的性能缺口前，优先用现有设计开展更多实际样品实验，积累经验后再进行核心模块的重新设计，是更合理的选择。

（一）像素数量：并非越多越好，够用即可

STEM的衍射成像对像素数量的要求远低于实空间成像，像素数量并非越多越好，过多的像素会带来两个问题：一是数据量剧增，存储和传输压力大，比如从128×128像素升级到256×256像素，256×256扫描点的图像数据量会从4GB增至16GB；二是探测器的帧频会受影响，成像速度变慢。

理论分析表明，16个像素对应一个衍射盘，是实现COM成像的最优配置，现有128×128像素的EMPAD，可并行记录8×8个衍射点，完全满足衍射实验需求；而对于相位恢复、DPC成像等，16×16像素和2×2像素就能分别满足需求。结合光学超分辨率领域的像素优化公式，探测器的最优像素数和电子束的电子数正相关、和像素噪声负相关，现有设计的像素数量，能匹配STEM常规实验的需求。

（二）传感器厚度：厚与薄各有优劣，按需选择

传感器的厚度直接影响电子捕捉效率和电荷扩散范围，厚传感器和薄传感器各有优劣，形成了明显的性能权衡：

1. 厚传感器：电子捕捉效率高，几乎能收集到电子的全部能量，单电子的信噪比优异；但缺点是电荷扩散范围大，需要匹配大像素，且电子能量越高，空间分辨率下降越明显。
2. 薄传感器：电荷扩散范围小，可采用小像素，空间分辨率更好；但电子捕捉效率低，电子能量分布呈朗道分布，只能通过脉冲计数工作，动态范围和电子接收速率受限，且高能量下的探测灵敏度会下降。

此外，两者的能量依赖性相反：厚传感器的空间分辨率随电子能量升高而下降，薄传感器则随电子能量升高而略有提升。研究团队认为，现有500μm的厚传感器设计，能兼顾探测效率和灵敏度，是适配STEM的合理选择。

（三）潜在的优化方向：小幅改进，提升STEM适配性

现有EMPAD的核心模块无需大改，通过小幅优化就能进一步提升其STEM适配性，主要优化方向包括：

1. 材料升级：采用碲化镉等高原子序数的传感器材料，能在不增加探测器面积的前提下，减小电荷扩散范围，提升空间分辨率，同时还能增加像素数量。
2. 电路优化：增大积分电容、优化电荷移除电路，能进一步提高探测器的电子接收速率；在像素中增加数据锁存，能让探测器在读取信号的同时进行电荷积分，提升工作效率。
3. 读出架构改进：实现像素的选择性寻址和合并，能减少无效数据的传输，将探测器的帧频提升至10kHz以上，进一步提高成像速度。
4. 大格式改造：通过多块ASIC拼接，制作更大尺寸的探测器，解决现有探测器“捕捉高角散射就会降低低角衍射分辨率”的问题，兼顾不同角度的散射信号捕捉。

研究结论与展望

EMPAD是一款适配STEM的高动态范围、高灵敏度像素阵列探测器，其核心突破了传统STEM探测器的性能短板，实现了100万:1的单帧动态范围、1.1kHz的高速成像和单电子精准识别的三重性能，无需束流阻挡器就能捕捉80~200keV电子的完整不饱和衍射图案，为STEM的研究带来了多方面的创新：

1. 成像模态创新：不仅能通过自定义ROI，复现明场、暗场、DPC等所有传统STEM成像模态，还首次实现了实验上的直接COM成像，为材料的电场、磁场、晶格倾斜分析提供了新的成像方法。
2. 定量分析能力：能在绝对尺度上记录电子散射的信息，可直接测定样品的局部厚度、磁场强度等参数，还能实现定量原子计数，让STEM从“定性成像”向“定量分析”跨越。
3. 实验效率提升：一次拍摄就能从同一数据集提取多种成像信息，图像精准对齐，无需更换探测器，大幅节省实验时间，还能减少样品漂移带来的误差。
4. 衍射成像优势：超高的动态范围让探测器能同时捕捉强的直射电子束和弱的衍射细节，如HOLZ线、Kikuchi带，为材料的晶体结构分析提供了更完整的信息。

在能量适配范围上，EMPAD还有很大的拓展空间：向下可突破80keV，最低能适配2.5keV的电子（受传感器表面的无灵敏区限制），电荷积分的工作模式让其无需分辨单个量子，适用于低能电子实验；向上则受200keV以上硅晶格的位移损伤限制，当电子在硅中的射程超过500μm时，会损坏信号处理芯片，采用高原子序数的传感器材料，能在一定程度上缓解这一问题。

现有EMPAD虽由X射线探测器改造而来，但在STEM中的成像性能已十分优异，后续无需进行核心模块的重新设计，通过材料升级、电路优化等小幅改进，就能进一步提升其适配性。从应用前景来看，EMPAD不仅能用于铁电材料、磁性材料的微观结构和性能分析，还能在相变分析、应变映射、纳米材料表征等领域发挥重要作用。如果你想了解更多关于底层硬件、传感器原理或计算机模拟方法的技术细节，可以前往 云栈社区 的相关板块进行深入探讨。该探测器也为下一代STEM专用PAD的研发，提供了宝贵的实验和理论依据。