25.03.2022In wissenschaftlichen Bildgebungskameras,Sensorarchitekturspielt eine entscheidende Rolle für Bildqualität, Empfindlichkeit und Gesamtleistung. Die meisten modernen Hochleistungskameras verwenden sie.CMOS (Komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter)Technologie für die lichtempfindliche Pixelanordnung, die das Bild erzeugt.
Innerhalb der CMOS-Sensortechnologie gibt es zwei primäre Beleuchtungsarchitekturen:Frontseitig beleuchtet (FSI)UndRückseitenbeleuchtete (BSI) SensorenObwohl beide Bauarten in wissenschaftlichen Kameras weit verbreitet sind, unterscheiden sie sich darin, wie das einfallende Licht die Fotodioden des Sensors erreicht.
die Unterschiede verstehen zwischenFSI- und BSI-sCMOS-Sensorenkann Forschern und Ingenieuren helfen, die am besten geeignete Kamera für Anwendungen wie Mikroskopie, Bildgebung bei schwachem Licht und andere anspruchsvolle wissenschaftliche Messungen auszuwählen.
Was sind FSI- und BSI-sCMOS-Sensoren?
Das Sensormodell bezeichnet die Art der in bildgebenden Geräten verwendeten Kamerasensortechnologie. In wissenschaftlichen Bildgebungssystemen spielt der Sensor eine entscheidende Rolle bei der Erfassung des einfallenden Lichts und dessen Umwandlung in elektrische Signale, aus denen das endgültige Bild entsteht.
Die modernstenwissenschaftliche KamerasnutzenCMOSTechnologie für das lichtempfindliche Pixelarray. CMOS-Sensoren haben sich zum Industriestandard für Hochleistungsbildgebung entwickelt und werden in der Mikroskopie, der lebenswissenschaftlichen Forschung und in industriellen Inspektionsanwendungen weit verbreitet eingesetzt.
Innerhalb der CMOS-Sensortechnologie gibt es zwei Hauptbeleuchtungsarchitekturen, die in modernen Kameras verwendet werden:FSI-SensorenUndBSI-SensorenObwohl beide Typen auf der gleichen CMOS-Bildgebungstechnologie basieren, unterscheiden sie sich darin, wie das Licht die Sensorstruktur durchläuft, bevor es auf das lichtempfindliche Silizium trifft.
Das Verständnis dieses strukturellen Unterschieds ist der Schlüssel zur Erklärung, warumBSI-Sensoren bieten oft eine höhere Empfindlichkeit.insbesondere in wissenschaftlichen Bildgebungsumgebungen mit schwachen Lichtverhältnissen.
Wie funktionieren frontseitig beleuchtete (FSI) Sensoren?
FSI-Sensoren – auch bekannt alsfrontseitig beleuchtete (FI) Sensoren—sind die am häufigsten verwendete CMOS-Sensorarchitektur in modernen Bildgebungssystemen. Dieses Design ist vor allem deshalb weit verbreitet, weil eseinfacher und kostengünstiger herzustellen.
In einem FSI-Sensor sind die Verdrahtung und die Transistoren, die jedes Pixel steuern, platziertoberhalb der lichtempfindlichen SiliziumschichtEinfallende Photonen müssen daher diese Elektronikschicht durchdringen, bevor sie die Fotodioden erreichen, die das Licht detektieren. Wenn ein Photon auf diese Bauteile trifft, kann es …absorbiert oder gestreutwodurch verhindert wird, dass es die lichtempfindliche Region erreicht.
Diese Struktur reduziert dieFüllfaktorjedes Pixels und verringert die effektiveQuanteneffizienz(QE)—die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Photon detektiert wird. Daher bieten FSI-Sensoren im Allgemeinengeringere Empfindlichkeitinsbesondere bei Aufnahmen in Umgebungen mit schwachen Lichtverhältnissen.
Vorteile
●Einfacher herzustellen– FSI-Sensoren sind einfacher herzustellen, da für die Sensorstruktur kein Ausdünnen des Siliziumsubstrats erforderlich ist.
●Niedrigere Herstellungskosten– Durch den einfacheren Herstellungsprozess sind frontseitig beleuchtete Sensoren kostengünstiger.
Nachteile
●Geringere Empfindlichkeit– Die Verdrahtung und die elektronischen Bauteile befinden sich oberhalb des lichtempfindlichen Siliziums, was bedeutet, dass einige einfallende Photonen blockiert werden können, bevor sie die Fotodiode erreichen.
Abbildung 1: Vorder- und Rückseitenbeleuchtungs-Pixelstruktur
Seitenansicht der Pixelstruktur für frontseitig (links) und rückseitig (rechts) belichtete Sensoren. Die Vorderseite ist mit und ohne Farbfilter, die Rückseite mit und ohne Mikrolinsen dargestellt. Erläuterungen zu den Komponenten finden Sie im Haupttext.
Wie funktionieren rückseitig beleuchtete (BSI) Sensoren?
BSI-Sensoren verwenden eine andere Architektur, die die Lichterfassungseffizienz verbessern soll. Bei dieser Bauweise ist die Sensorstruktur effektivumgekehrtDadurch können Photonen das lichtempfindliche Silizium direkt erreichen, ohne vorher durch Leitungen oder Transistoren geleitet werden zu müssen.
Um diese Konfiguration zu erreichen, muss das Siliziumsubstrat, das die lichtempfindliche Schicht trägt, …mechanisch oder chemisch ausgedünnt, ein Prozess, der oft als bezeichnet wirdRückenverjüngungDieser Herstellungsschritt ermöglicht zwar das Eindringen von Licht zu den Fotodioden, macht den Fertigungsprozess aber auch komplexer.
Da die Verdrahtungsschicht hinter der Fotodiode angeordnet ist,Der Füllfaktor nähert sich 100 %Dadurch kann ein wesentlich größerer Anteil der einfallenden Photonen erfasst werden. Infolgedessen können BSI-Sensoren Folgendes erreichen:sehr hohes QE—in einigen Fällen bis zu90–95 %—was die Empfindlichkeit bei Aufnahmen unter schwachen Lichtverhältnissen deutlich verbessert.
Vorteile
●Höhere Empfindlichkeit– Da keine Kabel den Lichtweg blockieren, erreichen mehr Photonen die Fotodioden, was die Signalerkennung verbessert.
●Verbesserte Leistung bei schwachen Lichtverhältnissen– BSI-Sensoren sind besonders effektiv in Anwendungen, bei denen die Erfassung schwacher Signale oder feiner Details von entscheidender Bedeutung ist.
Nachteile
●Höhere Kosten und Fertigungskomplexität– Der für BSI-Sensoren erforderliche Wafer-Dünnungsprozess erhöht die Fertigungsschwierigkeiten und Produktionskosten.
Wesentliche Unterschiede zwischen FSI- und BSI-sCMOS-Sensoren
Obwohl sowohl FSI- als auch BSI-Sensoren auf der gleichen CMOS-Bildgebungstechnologie basieren, führen ihre internen Strukturen zu wichtigen Unterschieden in Leistung, Empfindlichkeit und Herstellungskomplexität.
Der Hauptunterschied liegt darin, wie das Licht die Fotodiode erreicht. Bei FSI-Sensoren müssen die einfallenden Photonen mehrere Schichten aus Verdrahtung und Elektronik durchdringen, bevor sie das lichtempfindliche Silizium erreichen. Bei BSI-Sensoren ist die Sensorstruktur umgekehrt, sodass die Photonen direkt auf die Fotodiode treffen, was die Lichtausbeute verbessert.
Diese architektonische Änderung erhöht den Füllfaktor und verbessert die Quanteneffizienz (QE) deutlich, wodurch BSI-Sensoren mehr einfallende Photonen erfassen können – insbesondere bei schwachem Licht. Diese Leistungssteigerung geht jedoch mit einem komplexeren Herstellungsprozess einher.
| Besonderheit | FSI sCMOS-Sensoren | BSI sCMOS-Sensoren |
| Sensorstruktur | Verdrahtung oberhalb der Fotodiode | Verdrahtung hinter der Fotodiode |
| Lichtweg | Teilweise durch Elektronik blockiert | Direkter Pfad zur Fotodiode |
| Füllfaktor | Reduziert durch Verdrahtungslagen | Nahezu 100 % |
| Quanteneffizienz | Mäßig | Sehr hoch (bis zu ~95 %) |
| Empfindlichkeit | Geringere Werte bei Aufnahmen von schwachem Licht | Höhere Empfindlichkeit |
| Herstellungskosten | Untere | Höher |
Aufgrund dieser Unterschiede hängt die Wahl zwischen FSI- und BSI-Sensoren oft vom Verhältnis zwischen Leistungsanforderungen und Systemkosten ab.
Auswahl zwischen FSI- und BSI-Sensoren
Bei der Wahl zwischen frontseitig belichteten (FSI) und rückseitig belichteten (BSI) Sensoren für Ihre Bildgebungsanwendung ist die für Ihre spezifischen Anforderungen benötigte Quanteneffizienz (QE) das wichtigste Kriterium. Die Quanteneffizienz beschreibt, wie effektiv ein Sensor einfallendes Licht in elektrische Signale umwandeln kann.
FSI-SensorenFür Anwendungen, bei denen Kosteneffizienz im Vordergrund steht und die erforderliche Lichtempfindlichkeit moderat ist, kann dies ausreichend sein.
BSI-SensorenSie sind zwar teurer, eignen sich aber ideal für Anwendungen, bei denen eine hohe Empfindlichkeit entscheidend ist, insbesondere bei schwachen Lichtverhältnissen.
Das Verständnis der für Ihre Anwendung erforderlichen Quanteneffizienz kann Ihnen helfen zu entscheiden, ob eine FSI- oder BSI-Sensorarchitektur die bessere Wahl ist.
Abschluss
Sowohl FSI- als auch BSI-Sensoren finden breite Anwendung in modernen wissenschaftlichen Bildgebungskameras und bieten je nach Anwendung spezifische Vorteile. FSI-Sensoren stellen eine kostengünstige und ausgereifte Lösung für viele Bildgebungssysteme dar, bei denen stabile Lichtverhältnisse herrschen und keine extrem hohe Empfindlichkeit erforderlich ist.
BSI-Sensoren hingegen sind darauf ausgelegt, die Photonendetektion zu maximieren und eine höhere Quanteneffizienz und Empfindlichkeit zu erzielen, wodurch sie sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen bei schwachem Licht wie die Fluoreszenzmikroskopie und andere wissenschaftliche Bildgebungsaufgaben eignen.
Tucsen bietet eine Reihe von FSI- und BSI-sCMOS-Kameras an, die für unterschiedliche Bildgebungsanforderungen entwickelt wurden und Forschern helfen, die am besten geeignete Sensorarchitektur für ihre spezifischen Anwendungen auszuwählen.
Empfehlungen für Tucsen FSI CMOS- und BSI sCMOS-Kameras
| Kameratyp | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Hohe Empfindlichkeit | Dhyana 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| Großformat | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | Dhyana 6060 Dhyana 4040 |
| Kompaktes Design | — | Dhyana 401D Dhyana 201D |
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