低成本CMOS圖像傳感器推動醫(yī)學技術向前發(fā)展

　　醫(yī)學技術一直是CCD(電荷耦合設備)圖像傳感器的重要應用領域之一?，F在，CMOS傳感器已進入高速發(fā)展時期。究其原因，首先，CMOS圖像質量可與CCS圖像相媲美。其次，利用標準半導體制造工藝，CMOS傳感器在價格方面占據很大優(yōu)勢。第三，CMOS傳感器在電路集成方面的無限潛力可以減少輸入輸出接口數量。以一種使用一次后即可丟棄的特殊CMOS圖像傳感器為基礎，一種新型的低成本結腸鏡已經得到開發(fā)。這種結腸鏡無需對結腸病診療設備進行成本高昂的殺菌操作，因此避免了出現任何感染的可能。這種設備尺寸很小，能夠完成幾乎無痛的檢查。

　　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，醫(yī)學圖像采集一直是這種圖像傳感器的重要應用領域。另一方面，CMOS傳感器近年來取得的發(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傳感器成為一種應用越來越廣泛的低成本設備。從X射線圖像采集以及內窺鏡檢查的各個領域，到具有自主特點的“藥丸中的相機”，CMOS傳感器的應用領域可謂包羅萬象。

　　CMOS技術的特點

　　互補性金屬氧化半導體(CMOS)技術的天然優(yōu)勢在于，這種技術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)的實現成為可能。將更多系統(tǒng)功能集成在一起以開發(fā)出自主光電傳感器系統(tǒng)，這一目標的實現目前僅受投資回報、市場容量以及開發(fā)成本等經濟因素的制約。

　　單芯片解決方案由于外部元件和互連數目較少等優(yōu)點而在同類解決方案中脫穎而出，這些優(yōu)點對于直徑很小的內窺鏡來說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型內窺鏡應用的青睞。由于電能消耗較低，CMOS圖像傳感器還適用于自主小型相機的制造，此類相機可安裝在藥丸大小的盒內，并可將數據無線傳輸至接收站。

　　此外，CMOS技術還可用于防輻射產品的生產，這種產品與CMOS圖像傳感器相比通常具有較強的耐致電離輻射性(ionizing radiation)[2]。利用較厚的外延層或逆光對CMOS技術稍加改進，可以使傳感器的近紅外(NIR)感光度得到提高，從而導致全新的醫(yī)學圖像處理應用(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能夠利用8英寸晶圓、未來還可使用12英寸晶圓生產出大型(可達晶圓級)CMOS圖像傳感器。

　　用于內窺鏡的小型圖像傳感器

　　為了制造出新型的一次性內窺鏡(圖1)，德國Kissing市的STM Medizintechnik公司［4］需要低成本圖像傳感器，而這種傳感器只有使用CMOS技術才能生產。為此，CMOS圖像傳感器領域的專家賽普拉斯/FillFactory利用0.35μm CMOS加工技術成功開發(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6μm的方形像素組成。這種傳感器高達58%的填充因子是產品具備高感光度的有力保證(圖2)。

　　傳感器光譜響應范圍為400至1000納米。像素頻率為10MHz，在50毫秒集成時間下輸出為20fps?？扉T選擇觸發(fā)卷簾式快門(triggered rolling shutter)。在20fps的全速下，這種圖像傳感器的消耗功率約為36mW。時鐘發(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確保產品與目標規(guī)格相符，從中可以看出在制造過程中產生的可忽略偏差。噪聲測量結果為63eˉ，在可接受范圍之內；信噪比為522:1，動態(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、更短的曝光時間以及盡可能小的像素尺寸，圖像傳感器應充分發(fā)揮可利用光子的作用。填充因子和量子效應的乘積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。量子效率是指一個像素被光子撞擊后產生的實際和理論最大值電子數的歸一化值。QE小于單一整數，取決于波長以及給定材料。由于以下原因，在實際應用中許多光子被丟失：

　　* 未能被吸收到光敏層內部，以及在重組過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轉換器相媲美。這種傳感器的缺點在于，放大器晶體管占據了過多的像素面積，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；
　　* 放大器勢壘中聚集的光電子無法為信號發(fā)生發(fā)揮作用；
　　* 較小的可用感光勢壘；
　　* 光電子(或空洞)與可用的電荷負載重新結合，限制了擴散長度。

　　填充因子優(yōu)化

　　增加填充因子數量是今天的CMOS圖像傳感器最迫切的發(fā)展目標。目前有好幾種方法可以對填充因子進行改進，在有源像素上使用大型光電二極管即是其中之一。這種方法可以產生較好的填充因子，但由于光電二極管容積較高(大像素)，導致電荷轉換的感光度較低。我們可以使用無源像素或CCD框架傳輸架構解決這個問題，但這種做法會降低信噪比或增加成本。

　　另外一種方法是使用微透鏡將光線會聚于一只小光電二極管內。在垂直入射的情況下，填充因子可高達90%，但這種方法也存在幾種缺點，如非標準制造工藝、上文提到的垂直入射以及透鏡對大孔徑目標的有效性較低(因此微透鏡必需有合理合適的設計)等。

　　FillFactory［5］擁有的一項專利技術能夠為CMOS-APS提供較高的填充因子數。與感光面積局限在二極管面積內的傳統(tǒng)APS像素(圖5a)相反，FillFactory的方法能夠將標準CMOS加工芯片的大部分面積轉變?yōu)楦泄饷娣e(圖5b)。

　　體積相對較小的光電二極管能夠對以任何角度射來的光線進行處理，且僅產生非常微小的暗電流。這種二極管還可檢測到全像素下外延層內產生的光電子，而傳統(tǒng)設備一般會對這種光電子“視而不見”。這一特點使填充因子數量得到大幅增加。光電子被靜電屏障和下部的底板與上部的有源像素電路隔開，并在側面沿勢阱被導入光電二極管勢壘，在實際應用中，幾乎所有電子都擴散入這一區(qū)域。由于擴散時間較短(通常為10到50納秒)，因此基本不會產生圖像拖尾等副作用。這種像素架構能夠帶來三個方面的優(yōu)點：

　　* 100%填充因子率－被放大器非參加勢壘吸收的光、被金屬化合物反射的光以及在自由電子重新組合的過程丟失的光除外；

　　* 與大型二極管像素相比暗電流較??；

　　* 勢壘內轉換靈敏度(電荷轉電壓)較高，信噪比較高。

　　應用：一次性結腸鏡

　　一次性結腸鏡invendo SC20的開發(fā)目標在于，使結腸鏡檢查過程更為輕柔且無須用藥，同時通過一次性使用解決棘手的衛(wèi)生問題。在一次性系統(tǒng)的設計中，低成本CMOS圖像傳感器的體積應小到可以安裝在內窺鏡內部，這一點非常重要。新型結腸鏡的操作可以使用操縱桿輕松完成，這種結腸鏡可以沿彈性內窺鏡管(操作長度1600mm，外徑15mm)內的結腸極為輕柔地滑動，而無需使內窺鏡沿結腸壁作相對移動。

　　低成本、高分辨率的CMOS圖像傳感器BOCA可以與塑料透鏡一起提供100倍數碼變焦，同時取得120°視界。較遠的結腸段可使用高性能發(fā)光二極管(LED)照明(圖6)。這些部件都安裝在指甲大小的結腸鏡頂端。結腸鏡內還集成有供活組織提取鑷子使用的操作管，用于組織樣本提取。

　　每年僅德國就要進行200至300萬次結腸鏡檢查；據醫(yī)學出版及國家統(tǒng)計領域的專家估計，每年全球約進行2500萬次此類檢查或手術。低成本、極小型CMOS圖像傳感器在胃窺鏡或內窺鏡領域的進一步應用也將成為現實，從而開拓出一個規(guī)模堪與家用電子產品市場相比的全新市場。

　　前景

　　CMOS圖像傳感器正在迅速向前發(fā)展并逐步打入大型市場。利用高分辨率、高幀速率、高感光度和低成本等優(yōu)勢，以及為客戶指定設計提供定制規(guī)格產品系列的能力，CMOS圖像傳感器能夠為客戶提供適用于多種應用的多功能標準解決方案，并以此為驅動力迅速向前發(fā)展。

　　參考文獻：

　　1.  B.Dierickx, J.Bogaerts，《CMOS成像技術的高級發(fā)展(Advanced developments in CMOS imaging)》，Fraunhofer IMS Workshop，Duisburg，Germany，25 May 2004

　　2.  T.Bogaerts，B.Dierickx，G. Meynants, D.Uwaerts，《輻射加固CMOS APS中的全劑量及置換損害效應(Total Dose and Displacement Damage Effects in a Radiation-Hardened CMOS APS)》，IEEE Trans. On Electron Devices，vol. 50，Jan，2003

　　3.  B.Dierickx，J.Bogaerts，《利用近紅外技術改進的多外延層圖像傳感器(NIR-enhanced image sensor using multiple epitaxial layers)》，Electronic Imaging，San Jose，21 Jan. 2004，SPIE Proceedings vol. 5301，p.204 (2004)

　　4.  www.stm-medizintechnik.de

　　5.  美國專利6,225,670，高填充因子N-Well像素(High Fill Factor N-Well Pixel)