低成本CMOS圖像傳感器推動(dòng)醫(yī)學(xué)技術(shù)向前發(fā)展

　　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(ionizing radiation)[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內(nèi)窺鏡(圖1)，德國(guó)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(shù)才能生產(chǎn)。為此，CMOS圖像傳感器領(lǐng)域的專家賽普拉斯/FillFactory利用0.35μm CMOS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。快門選擇觸發(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(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。

　　填充因子優(yōu)化

　　增加填充因子數(shù)量是今天的CMOS圖像傳感器最迫切的發(fā)展目標(biāo)。目前有好幾種方法可以對(duì)填充因子進(jìn)行改進(jìn)，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(chǎn)生較好的填充因子，但由于光電二極管容積較高(大像素)，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)換的感光度較低。我們可以使用無(wú)源像素或CCD框架傳輸架構(gòu)解決這個(gè)問(wèn)題，但這種做法會(huì)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(huì)聚于一只小光電二極管內(nèi)。在垂直入射的情況下，填充因子可高達(dá)90%，但這種方法也存在幾種缺點(diǎn)，如非標(biāo)準(zhǔn)制造工藝、上文提到的垂直入射以及透鏡對(duì)大孔徑目標(biāo)的有效性較低(因此微透鏡必需有合理合適的設(shè)計(jì))等。

　　FillFactory［5］擁有的一項(xiàng)專利技術(shù)能夠?yàn)镃MOS-APS提供較高的填充因子數(shù)。與感光面積局限在二極管面積內(nèi)的傳統(tǒng)APS像素(圖5a)相反，F(xiàn)illFactory的方法能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)CMOS加工芯片的大部分面積轉(zhuǎn)變?yōu)楦泄饷娣e(圖5b)。

　　體積相對(duì)較小的光電二極管能夠?qū)σ匀魏谓嵌壬鋪?lái)的光線進(jìn)行處理，且僅產(chǎn)生非常微小的暗電流。這種二極管還可檢測(cè)到全像素下外延層內(nèi)產(chǎn)生的光電子，而傳統(tǒng)設(shè)備一般會(huì)對(duì)這種光電子“視而不見(jiàn)”。這一特點(diǎn)使填充因子數(shù)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(kāi)，并在側(cè)面沿勢(shì)阱被導(dǎo)入光電二極管勢(shì)壘，在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎所有電子都擴(kuò)散入這一區(qū)域。由于擴(kuò)散時(shí)間較短(通常為10到50納秒)，因此基本不會(huì)產(chǎn)生圖像拖尾等副作用。這種像素架構(gòu)能夠帶來(lái)三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

　　* 100%填充因子率－被放大器非參加勢(shì)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(guò)程丟失的光除外；

　　* 與大型二極管像素相比暗電流較?。?/p>

　　* 勢(shì)壘內(nèi)轉(zhuǎn)換靈敏度(電荷轉(zhuǎn)電壓)較高，信噪比較高。

　　應(yīng)用：一次性結(jié)腸鏡

　　一次性結(jié)腸鏡invendo SC20的開(kāi)發(fā)目標(biāo)在于，使結(jié)腸鏡檢查過(guò)程更為輕柔且無(wú)須用藥，同時(shí)通過(guò)一次性使用解決棘手的衛(wèi)生問(wèn)題。在一次性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，低成本CMOS圖像傳感器的體積應(yīng)小到可以安裝在內(nèi)窺鏡內(nèi)部，這一點(diǎn)非常重要。新型結(jié)腸鏡的操作可以使用操縱桿輕松完成，這種結(jié)腸鏡可以沿彈性內(nèi)窺鏡管(操作長(zhǎng)度1600mm，外徑15mm)內(nèi)的結(jié)腸極為輕柔地滑動(dòng)，而無(wú)需使內(nèi)窺鏡沿結(jié)腸壁作相對(duì)移動(dòng)。

　　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(shù)碼變焦，同時(shí)取得120°視界。較遠(yuǎn)的結(jié)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(jié)腸鏡頂端。結(jié)腸鏡內(nèi)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(guó)就要進(jìn)行200至300萬(wàn)次結(jié)腸鏡檢查；據(jù)醫(yī)學(xué)出版及國(guó)家統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域的專家估計(jì)，每年全球約進(jìn)行2500萬(wàn)次此類檢查或手術(shù)。低成本、極小型CMOS圖像傳感器在胃窺鏡或內(nèi)窺鏡領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用也將成為現(xiàn)實(shí)，從而開(kāi)拓出一個(gè)規(guī)?？芭c家用電子產(chǎn)品市場(chǎng)相比的全新市場(chǎng)。

　　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(chǎng)。利用高分辨率、高幀速率、高感光度和低成本等優(yōu)勢(shì)，以及為客戶指定設(shè)計(jì)提供定制規(guī)格產(chǎn)品系列的能力，CMOS圖像傳感器能夠?yàn)榭蛻籼峁┻m用于多種應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)解決方案，并以此為驅(qū)動(dòng)力迅速向前發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.  B.Dierickx, J.Bogaerts，《CMOS成像技術(shù)的高級(jí)發(fā)展(Advanced developments in CMOS imaging)》，F(xiàn)raunhofer 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(yīng)(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(shù)改進(jìn)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(guó)專利6,225,670，高填充因子N-Well像素(High Fill Factor N-Well Pixel)