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六大特点助CMOS图像传感器席卷医疗电子应用

时间:11-13 来源:电子设计信息网 点击:

图1. CMOS图像传感器的结构与存储器类似:部分图像能够以高帧速率被读取

感光度得到提高

图像传感器正朝着感光度更高、曝光时间更短以及像素尺寸更小的趋势向前发展。因此,图像传感器必需充分发挥能够接收到的少量光子的作用。填充因子与量子效应的乘积是衡量像素感光度的关键标准,量子效应能够反映出光子撞击产生的电子数目。几何填充因子即感光像素面积所占的百分比--与CCD传感器不同,CMOS像素并非所有部分都具备"看"的功能。这样,获取高填充因子数就成为CMOS技术发展的关键目标之一。

图2. 多斜率转换确保高动态范围的获取

高填充因子能够使大部分在标准CMOS处理中为无源/非感光的硅片表面转变为感光区域。由于光电二极管也可检测出由整个像素表面下的外延层产生的光电子,因此小型像素可以对以任意角度入射且被低水平暗电流区分开的光进行处理(见图2和图3)。

图3. 由多EPI层聚集的光电子可以将感光度提高至近红外(NIR)范围

发展趋势

传感器面积缩小代表着一种发展趋势:分辨率为512 x 512像素(每像素尺寸为6m x 6m)的客户定制设计彩色图像传感器BOCA就是这种发展趋势的典型例子。BOCA传感器用于STM Medizintechnik公司的新型一次性结肠镜产品,这种结肠镜可以对第二大最常见的癌症――结肠癌进行诊断。集成时钟发生器与FPN校正使这种传感器的结构非常紧凑,从而使结肠镜的清洁度和用户友好程度都得到提高。

极大型传感器面积代表着另外一种发展趋势。这类传感器可用作操作过程复杂的传统X射线胶片的替代品。利用所谓的拼接技术,CMOS传感器能够以极富成本效益的方式使用8英寸大小的晶圆得到生产,未来还可使用12英寸晶圆。这一技术大大加快了现代医学图像处理的速度,而后者至今还在使用由无定形硅制造的光电二极管阵列。

传感器的分辨率也在不断提高之中。举例来说,660万像素传感器IBIS4-6600就已作为自动读取设备成功地为视弱患者提供了DIN A4页面分辨率。这种传感器是拥有模拟图像抓取以及片上数字化与信号处理等功能的完整子系统,能够在2.5V供电电压下工作。其2210 x 3002像素传感器阵列以专利的三晶体管N-well像素技术为基础,后者的填充因子尺寸达到3.5 x 3.5m。并行输出转换器的速率为4000万样品/秒,其10位分辨率每秒可传送5个全幅画面。为与标准视频编码器连接,图像传感器在传送10位宽图像数据的同时还可传送图像同步信号、线和像素。

分辨率为3048 x 4560像素的新型IBIS-14000-M图像传感器系由赛普拉斯公司与总部设在Erfurt的X-Fab共同开发,其分辨率可达1385像素。像素大小为8m * 8m,传感器面积约为全35mm格式。四道模拟输出的帧重复率大于3帧/秒。这种产品支持所有可编程取窗及二次取样运行模式,其光学动态范围被设定为65dB。目前,数家公司正以这种传感器为基础开发各种生物测量应用。

越来越大的光谱范围正屈服于CMOS图像传感器的征服之下。随着经改进的CMOS技术不断涌现,传感器感光度已经可以扩展至近红外(NIR)范围。正是(多)EPI层以及密度不断增加的P型硅片使这一切成为现实。

前景

CMOS图像传感器的市场正在积极发展之中,必将逐步成长为大型市场。通过高分辨率、高帧速率、高感光度、低成本的多标准解决方案,CMOS传感器正在越来越多的应用领域中留下自己的足迹。不过在这一成就背后,更重要的原因在于,客户定制应用的开发推动了特定价值与系统集成的发展,从而使CMOS技术阔步向前。

表格:赛普拉斯公司(FillFactory)生产的标准CMOS图像传感器以及部分客户定制CMOS图像传感器家族

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