浅析低成本CMOS图像传感器对医学技术发展前景

浅析低成本CMOS图像传感器对医学技术发展前景 

    医学技术一直是CCD(电荷耦合设备)图像传感器的重要应用领域之一。现在，CMOS传感器已进入高速发展时期。究其原因，首先，CMOS图像质量可与CCS图像相媲美。其次，利用标准半导体制造工艺，CMOS传感器在价格方面占据很大优势。第三，CMOS传感器在电路集成方面的无限潜力可以减少输入输出接口数量。以一种使用一次后即可丢弃的特殊CMOS图像传感器为基础，一种新型的低成本结肠镜已经得到开发。这种结肠镜无需对结肠病诊疗设备进行成本高昂的杀菌操作，因此避免了出现任何感染的可能。这种设备尺寸很小，能够完成几乎无痛的检查。

    由于CCD图像传感器具有分辨率高、噪声低、暗电流小以及感光范围大等诸多优点，医学图像采集一直是这种图像传感器的重要应用领域。另一方面，CMOS传感器近年来取得的发展，特别是在使用小尺寸像素获得高分辨率以及降低噪声和暗电流水平等方面取得的成就，已使CMOS传感器成为一种应用越来越广泛的低成本设备。从X射线图像采集以及内窥镜检查的各个领域，到具有自主特点的“药丸中的相机”，CMOS传感器的应用领域可谓包罗万象。

    CMOS技术的特点

    互补性金属氧化半导体(CMOS)技术的天然优势在于，这种技术能够在传感器芯片上加入CMOS逻辑电路，从而将图像采集与控制、转换及传感等功能融为一体[1]。其高集成密度又使小型单芯片系统的实现成为可能。将更多系统功能集成在一起以开发出自主光电传感器系统，这一目标的实现目前仅受投资回报、市场容量以及开发成本等经济因素的制约。

    单芯片解决方案由于外部元件和互连数目较少等优点而在同类解决方案中脱颖而出，这些优点对于直径很小的内窥镜来说具有非常重要的意义。

   高度集成是低成本的代名词，CMOS图像传感器因此得到了各种类型内窥镜应用的青睐。由于电能消耗较低，CMOS图像传感器还适用于自主小型相机的制造，此类相机可安装在药丸大小的盒内，并可将数据无线传输至接收站。

    此外，CMOS技术还可用于防辐射产品的生产，这种产品与CMOS图像传感器相比通常具有较强的耐致电离辐射性(ionizingradiation)[2]。利用较厚的外延层或逆光对CMOS技术稍加改进，可以使传感器的近红外(NIR)感光度得到提高，从而导致全新的医学图像处理应用(如基于近红外线的X线断层摄影［3］)。具备成本效益的拼接技术能够利用8英寸晶圆、未来还可使用12英寸晶圆生产出大型(可达晶圆级)CMOS图像传感器。

    用于内窥镜的小型图像传感器

    为了制造出新型的一次性内窥镜(图1)，德国Kissing市的STMMedizintechnik公司［4］需要低成本图像传感器，而这种传感器只有使用CMOS技术才能生产。为此，CMOS图像传感器领域的专家赛普拉斯/FillFactory利用0.35μmCMOS加工技术成功开发出了小型彩色图像传感器BOCA。BOCA拥有9mm2传感器面积，由512×512各边长6μm的方形像素组成。这种传感器高达58%的填充因子是产品具备高感光度的有力保证(图2)。    

    传感器光谱响应范围为400至1000纳米。像素频率为10MHz，在50毫秒集成时间下输出为20fps。快门选择触发卷帘式快门(triggeredrollingshutter)。在20fps的全速下，这种图像传感器的消耗功率约为36mW。时钟发生器及固定图案噪声(FPN)校正都集成在芯片上。图像传感器原型被用来确保产品与目标规格相符，从中可以看出在制造过程中产生的可忽略偏差。噪声测量结果为63eˉ，在可接受范围之内；信噪比为522:1，动态范围为54dB。室温条件下的暗电流为78pA/cm2；体温条件下(37℃)的暗电流为188pA/cm2。

   填充因子与量子效率

    为了获得更高的感光度、更短的曝光时间以及尽可能小的像素尺寸，图像传感器应充分发挥可利用光子的作用。填充因子和量子效应的乘积FF×QE(图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。量子效率是指一个像素被光子撞击后产生的实际和理论最大值电子数的归一化值。QE小于单一整数，取决于波长以及给定材料。由于以下原因，在实际应用中许多光子被丢失：    

    *未能被吸收到光敏层内部，以及在重组过程中电荷载体被丢失

    几何填充因子FF是有效(感光)像素面积与像素总面积之比(像素边界与电路)。

    CMOS图像传感器属于有源像素(有源像素传感器，APS)(图4)，即光电二极管与后继放大器，其噪声水平与感光度堪与CCD转换器相媲美。这种传感器的缺点在于，放大器晶体管占据了过多的像素面积，光电二极管只有很小的空间可以利用。有源像素填充因子还受以下因素的制约：    

    *金属镀层或硅化物引起的光子反射或吸收；

    *放大器势垒中聚集的光电子无法为信号发生发挥作用；

    *较小的可用感光势垒；

    *光电子(或空洞)与可用的电荷负载重新结合，限制了扩散长度。

    填充因子优化

    增加填充因子数量是今天的CMOS图像传感器最迫切的发展目标。目前有好几种方法可以对填充因子进行改进，在有源像素上使用大型光电二极管即是其中之一。这种方法可以产生较好的填充因子，但由于光电二极管容积较高(大像素)，导致电荷转换的感光度较低。我们可以使用无源像素或CCD框架传输架构解决这个问题，但这种做法会降低信噪比或增加成本。

    另外一种方法是使用微透镜将光线会聚于一只小光电二极管内。在垂直入射的情况下，填充因子可高达90%，但这种方法也存在几种缺点，如非标准制造工艺、上文提到的垂直入射以及透镜对大孔径目标的有效性较低(因此微透镜必需有合理合适的设计)等。

    FillFactory［5］拥有的一项专利技术能够为CMOS-APS提供较高的填充因子数。与感光面积局限在二极管面积内的传统APS像素(图5a)相反，FillFactory的方法能够将标准CMOS加工芯片的大部分面积转变为感光面积(图5b)。    

    体积相对较小的光电二极管能够对以任何角度射来的光线进行处理，且仅产生非常微小的暗电流。这种二极管还可检测到全像素下外延层内产生的光电子，而传统设备一般会对这种光电子“视而不见”。这一特点使填充因子数量得到大幅增加。光电子被静电屏障和下部的底板与上部的有源像素电路隔开，并在侧面沿势阱被导入光电二极管势垒，在实际应用中，几乎所有电子都扩散入这一区域。由于扩散时间较短(通常为10到50纳秒)，因此基本不会产生图像拖尾等副作用。这种像素架构能够带来三个方面的优点：

    *100%填充因子率－被放大器非参加势垒吸收的光、被金属化合物反射的光以及在自由电子重新组合的过程丢失的光除外；

    *与大型二极管像素相比暗电流较小；

    *势垒内转换灵敏度(电荷转电压)较高，信噪比较高。

    应用：一次性结肠镜

    一次性结肠镜invendoSC20的开发目标在于，使结肠镜检查过程更为轻柔且无须用药，同时通过一次性使用解决棘手的卫生问题。在一次性系统的设计中，低成本CMOS图像传感器的体积应小到可以安装在内窥镜内部，这一点非常重要。新型结肠镜的操作可以使用操纵杆轻松完成，这种结肠镜可以沿弹性内窥镜管(操作长度1600mm，外径15mm)内的结肠极为轻柔地滑动，而无需使内窥镜沿结肠壁作相对移动。

    低成本、高分辨率的CMOS图像传感器BOCA可以与塑料透镜一起提供100倍数码变焦，同时取得120°视界。较远的结肠段可使用高性能发光二极管(LED)照明(图6)。这些部件都安装在指甲大小的结肠镜顶端。结肠镜内还集成有供活组织提取镊子使用的操作管，用于组织样本提取。    

    每年仅德国就要进行200至300万次结肠镜检查；据医学出版及国家统计领域的专家估计，每年全球约进行2500万次此类检查或手术。低成本、极小型CMOS图像传感器在胃窥镜或内窥镜领域的进一步应用也将成为现实，从而开拓出一个规模堪与家用电子产品市场相比的全新市场。

    前景

    CMOS图像传感器正在迅速向前发展并逐步打入大型市场。利用高分辨率、高帧速率、高感光度和低成本等优势，以及为客户指定设计提供定制规格产品系列的能力，CMOS图像传感器能够为客户提供适用于多种应用的多功能标准解决方案，并以此为驱动力迅速向前发展。