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X射线由于具有强透射性，是工业中无损探伤、安全检测理想的探测源，并被广泛应用于医疗探测、辐照成像等领域。由于X射线属于高能射线，对半导体器件会造成损伤，传统的X射线成像器件通常采用荧光物质作为中间媒介，将X射线转换为可见光，再进一步通过传感器感光成像。荧光体本身的散射性使得传感器的空间分辨率难以提高，二次成像以及余辉效应又使得传感器成像的实时性受到严重影响。为进一步研究解决以上问题，本文在国家自然科学基金的资助下，对有源像素图像传感器在X射线下的直接成像技术进行了研究。这种结构摒弃了传统的荧光物质，使得传感器能够直接探测X射线，有效的提高了传感器的空间分辨率以及成像的实时性。为克服半导体器件的辐射损伤，文中首先采用Sentaurus TCAD对器件进行了建模分析，通过SDE结构编辑器构建了MOSFET结构，通过电荷掺入的方法模拟了X射线对器件阈值电压偏移的影响，并对器件单元进一步进行了抗辐射加固设计。论文比较了有源像素图像传感器(Active pixel sensor, APS)与无源像素图像传感器(Passive pixel sensor, PPS)的电路结构，并对APS的3-T、4-T、5-T等不同像元结构进行了分析讨论。论文采用3-T结构设计了APS有源像素图像传感器像元电路，并对8×8像元阵列进行了仿真分析，得到了不同电流等效下的响应曲线，对像元的响应参数曲线进行了线性度分析，完成了128×128像元阵列的版图设计。为测试所设计传感器的成像性能，对80位样品像元阵列进行了DIP封装，并设计测试平台进行成像测试。使用SB-80-250直流X射线源作为成像光源，利用NI公司PCI6115数据采集卡进行成像数据采集。基于Altera EP2C8Q208C8N型FPGA平台，采用Verilog硬件语言描述产生数字时序驱动信号。通过线阵拼接构建240位像元阵列，借助于位移成像平台通过位移台牵引被测物体移动，在射线源与图像传感器相对静止的条件下，采用集线成面的方式位移扫描收集240×400的二维数据阵列。所得数据阵列经过数据采集卡PCI6115传递到PC机的LabView运行程序中，将所得电压数据转换为相应的8位灰度信号。构建了成像模块将所得信号进行了二维和三维显示，获得了清晰的X射线透视图像。