低成本CMOS圖像傳感器對(duì)醫(yī)學(xué)技術(shù)的推動(dòng)作用

醫(yī)學(xué)技術(shù)一直是CCD(電荷耦合設(shè)備)圖像傳感器的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一?，F(xiàn)在，CMOS傳感器已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。究其原因，首先，CMOS圖像質(zhì)量可與CCS圖像相媲美。其次，利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝，CMOS傳感器在價(jià)格方面占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)。第三，CMOS傳感器在電路集成方面的無(wú)限潛力可以減少輸入輸出接口數(shù)量。以一種使用一次后即可丟棄的特殊CMOS圖像傳感器為基礎(chǔ)，一種新型的低成本結(jié)腸鏡已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)。這種結(jié)腸鏡無(wú)需對(duì)結(jié)腸病診療設(shè)備進(jìn)行成本高昂的殺菌操作，因此避免了出現(xiàn)任何感染的可能。這種設(shè)備尺寸很小，能夠完成幾乎無(wú)痛的檢查。

由于CCD圖像傳感器具有分辨率高、噪聲低、暗電流小以及感光范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，醫(yī)學(xué)圖像采集一直是這種圖像傳感器的重要應(yīng)用領(lǐng)域。另一方面，CMOS傳感器近年來(lái)取得的發(fā)展，特別是在使用小尺寸像素獲得高分辨率以及降低噪聲和暗電流水平等方面取得的成就，已使CMOS傳感器成為一種應(yīng)用越來(lái)越廣泛的低成本設(shè)備。從X射線圖像采集以及內(nèi)窺鏡檢查的各個(gè)領(lǐng)域，到具有自主特點(diǎn)的“藥丸中的相機(jī)”，CMOS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域可謂包羅萬(wàn)象。

CMOS技術(shù)的特點(diǎn)

互補(bǔ)性金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的天然優(yōu)勢(shì)在于，這種技術(shù)能夠在傳感器芯片上加入CMOS邏輯電路，從而將圖像采集與控制、轉(zhuǎn)換及傳感等功能融為一體[1]。其高集成密度又使小型單芯片系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。將更多系統(tǒng)功能集成在一起以開(kāi)發(fā)出自主光電傳感器系統(tǒng)，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)目前僅受投資回報(bào)、市場(chǎng)容量以及開(kāi)發(fā)成本等經(jīng)濟(jì)因素的制約。

單芯片解決方案由于外部元件和互連數(shù)目較少等優(yōu)點(diǎn)而在同類(lèi)解決方案中脫穎而出，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于直徑很小的內(nèi)窺鏡來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。

高度集成是低成本的代名詞，CMOS圖像傳感器因此得到了各種類(lèi)型內(nèi)窺鏡應(yīng)用的青睞。由于電能消耗較低，CMOS圖像傳感器還適用于自主小型相機(jī)的制造，此類(lèi)相機(jī)可安裝在藥丸大小的盒內(nèi)，并可將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至接收站。

此外，CMOS技術(shù)還可用于防輻射產(chǎn)品的生產(chǎn)，這種產(chǎn)品與CMOS圖像傳感器相比通常具有較強(qiáng)的耐致電離輻射性(ionizingradiation)[2]。利用較厚的外延層或逆光對(duì)CMOS技術(shù)稍加改進(jìn)，可以使傳感器的近紅外(NIR)感光度得到提高，從而導(dǎo)致全新的醫(yī)學(xué)圖像處理應(yīng)用(如基于近紅外線的X線斷層攝影［3］)。具備成本效益的拼接技術(shù)能夠利用8英寸晶圓、未來(lái)還可使用12英寸晶圓生產(chǎn)出大型(可達(dá)晶圓級(jí))CMOS圖像傳感器。

用于內(nèi)窺鏡的小型圖像傳感器

為了制造出新型的一次性?xún)?nèi)窺鏡(圖1)，德國(guó)Kissing市的STMMedizintechnik公司［4］需要低成本圖像傳感器，而這種傳感器只有使用CMOS技術(shù)才能生產(chǎn)。為此，CMOS圖像傳感器領(lǐng)域的專(zhuān)家賽普拉斯/FillFactory利用0.35μmCMOS加工技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出了小型彩色圖像傳感器BOCA。BOCA擁有9mm2傳感器面積，由512×512各邊長(zhǎng)6μm的方形像素組成。這種傳感器高達(dá)58%的填充因子是產(chǎn)品具備高感光度的有力保證(圖2)。



傳感器光譜響應(yīng)范圍為400至1000納米。像素頻率為10MHz，在50毫秒集成時(shí)間下輸出為20fps?？扉T(mén)選擇觸發(fā)卷簾式快門(mén)(triggeredrollingshutter)。在20fps的全速下，這種圖像傳感器的消耗功率約為36mW。時(shí)鐘發(fā)生器及固定圖案噪聲(FPN)校正都集成在芯片上。圖像傳感器原型被用來(lái)確保產(chǎn)品與目標(biāo)規(guī)格相符，從中可以看出在制造過(guò)程中產(chǎn)生的可忽略偏差。噪聲測(cè)量結(jié)果為63eˉ，在可接受范圍之內(nèi)；信噪比為522:1，動(dòng)態(tài)范圍為54dB。室溫條件下的暗電流為78pA/cm2；體溫條件下(37℃)的暗電流為188pA/cm2。

填充因子與量子效率

為了獲得更高的感光度、更短的曝光時(shí)間以及盡可能小的像素尺寸，圖像傳感器應(yīng)充分發(fā)揮可利用光子的作用。填充因子和量子效應(yīng)的乘積FF×QE(圖3)是量度像素感光度的重要是量度像素感光度的重要因素。量子效率是指一個(gè)像素被光子撞擊后產(chǎn)生的實(shí)際和理論最大值電子數(shù)的歸一化值。QE小于單一整數(shù)，取決于波長(zhǎng)以及給定材料。由于以下原因，在實(shí)際應(yīng)用中許多光子被丟失：



*未能被吸收到光敏層內(nèi)部，以及在重組過(guò)程中電荷載體被丟失
幾何填充因子FF是有效(感光)像素面積與像素總面積之比(像素邊界與電路)。

CMOS圖像傳感器屬于有源像素(有源像素傳感器，APS)(圖4)，即光電二極管與后繼放大器，其噪聲水平與感光度堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美。這種傳感器的缺點(diǎn)在于，放大器晶體管占據(jù)了過(guò)多的像素面積，光電二極管只有很小的空間可以利用。有源像素填充因子還受以下因素的制約：


*金屬鍍層或硅化物引起的光子反射或吸收；
*放大器勢(shì)壘中聚集的光電子無(wú)法為信號(hào)發(fā)生發(fā)揮作用；
*較小的可用感光勢(shì)壘；
*光電子(或空洞)與可用的電荷負(fù)載重新結(jié)合，限制了擴(kuò)散長(zhǎng)度。