25/03/2022Στις επιστημονικές κάμερες απεικόνισης, τοαρχιτεκτονική αισθητήρωνπαίζει κρίσιμο ρόλο στον καθορισμό της ποιότητας της εικόνας, της ευαισθησίας και της συνολικής απόδοσης. Οι περισσότερες σύγχρονες κάμερες υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούνCMOS (Συμπληρωματικός Ημιαγωγός Μετάλλου-Οξειδίου)τεχνολογία για τη φωτοευαίσθητη διάταξη εικονοστοιχείων που σχηματίζει την εικόνα.
Στην τεχνολογία αισθητήρων CMOS, υπάρχουν δύο κύριες αρχιτεκτονικές φωτισμού:Φωτισμός μπροστινής πλευράς (FSI)καιΑισθητήρες με πίσω φωτισμό (BSI)Παρόλο που και τα δύο σχέδια χρησιμοποιούνται ευρέως σε επιστημονικές κάμερες, διαφέρουν ως προς τον τρόπο με τον οποίο το εισερχόμενο φως φτάνει στις φωτοδιόδους του αισθητήρα.
Κατανόηση των διαφορών μεταξύΑισθητήρες FSI και BSI sCMOSμπορεί να βοηθήσει ερευνητές και μηχανικούς να επιλέξουν την καταλληλότερη κάμερα για εφαρμογές όπως η μικροσκοπία, η απεικόνιση σε χαμηλό φωτισμό και άλλες απαιτητικές επιστημονικές μετρήσεις.
Τι είναι οι αισθητήρες sCMOS FSI και BSI;
Το μοντέλο αισθητήρα αναφέρεται στον τύπο τεχνολογίας αισθητήρα κάμερας που χρησιμοποιείται σε συσκευές απεικόνισης. Στα επιστημονικά συστήματα απεικόνισης, ο αισθητήρας παίζει κρίσιμο ρόλο στη λήψη του εισερχόμενου φωτός και στη μετατροπή του σε ηλεκτρικά σήματα που σχηματίζουν την τελική εικόνα.
Το πιο σύγχρονοεπιστημονικές κάμερεςχρησιμοποιώCMOSτεχνολογία για τη φωτοευαίσθητη συστοιχία εικονοστοιχείων. Οι αισθητήρες CMOS έχουν γίνει το βιομηχανικό πρότυπο για απεικόνιση υψηλής απόδοσης και χρησιμοποιούνται ευρέως στη μικροσκοπία, την έρευνα στις βιοεπιστήμες και τις εφαρμογές βιομηχανικής επιθεώρησης.
Στην τεχνολογία αισθητήρων CMOS, υπάρχουν δύο κύριες αρχιτεκτονικές φωτισμού που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες κάμερες:Αισθητήρες FSIκαιΑισθητήρες BSIΕνώ και οι δύο τύποι βασίζονται στην ίδια τεχνολογία απεικόνισης CMOS, διαφέρουν ως προς τον τρόπο με τον οποίο το φως ταξιδεύει μέσα από τη δομή του αισθητήρα πριν φτάσει στο πυρίτιο ανίχνευσης φωτός.
Η κατανόηση αυτής της δομικής διαφοράς είναι το κλειδί για να εξηγήσουμε γιατίΟι αισθητήρες BSI συχνά παρέχουν υψηλότερη ευαισθησία, ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα επιστημονικής απεικόνισης με χαμηλό φωτισμό.
Πώς λειτουργούν οι αισθητήρες φωτισμού μπροστινής πλευράς (FSI);
Αισθητήρες FSI—γνωστοί και ωςαισθητήρες με μπροστινό φωτισμό (FI)—είναι η πιο κοινή αρχιτεκτονική αισθητήρων CMOS που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα συστήματα απεικόνισης. Αυτός ο σχεδιασμός υιοθετείται ευρέως κυρίως επειδή είναιαπλούστερο και οικονομικότερο στην κατασκευή.
Σε έναν αισθητήρα FSI, η καλωδίωση και τα τρανζίστορ που ελέγχουν κάθε pixel τοποθετούνταιπάνω από το φωτοευαίσθητο στρώμα πυριτίουΤα εισερχόμενα φωτόνια πρέπει επομένως να περάσουν από αυτό το στρώμα ηλεκτρονικών πριν φτάσουν στις φωτοδιόδους που ανιχνεύουν το φως. Εάν ένα φωτόνιο χτυπήσει αυτά τα εξαρτήματα, μπορεί να είναιαπορροφημένο ή διασκορπισμένο, εμποδίζοντάς το να φτάσει στην φωτοευαίσθητη περιοχή.
Αυτή η δομή μειώνει τηνσυντελεστής πλήρωσηςκάθε pixel και μειώνει την αποτελεσματικήΚβαντική Απόδοση(Ποσοτική χαλάρωση)—η πιθανότητα ανίχνευσης ενός εισερχόμενου φωτονίου. Ως αποτέλεσμα, οι αισθητήρες FSI γενικά προσφέρουνχαμηλότερη ευαισθησία, ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα απεικόνισης με χαμηλό φωτισμό.
Φόντα
●Απλούστερο στην κατασκευή– Οι αισθητήρες FSI είναι πιο εύκολο να παραχθούν επειδή η δομή του αισθητήρα δεν απαιτεί αραίωση του υποστρώματος πυριτίου.
●Χαμηλότερο κόστος παραγωγής– Η απλούστερη διαδικασία κατασκευής καθιστά τους αισθητήρες φωτισμού στην μπροστινή πλευρά πιο οικονομικούς.
Μειονεκτήματα
●Χαμηλότερη ευαισθησία– Η καλωδίωση και τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα βρίσκονται πάνω από το πυρίτιο ανίχνευσης φωτός, πράγμα που σημαίνει ότι ορισμένα εισερχόμενα φωτόνια ενδέχεται να μπλοκαριστούν πριν φτάσουν στη φωτοδίοδο.
Σχήμα 1: Δομή εικονοστοιχείων με μπροστινό και πίσω φωτισμό
Πλάγια όψη της δομής των pixel για αισθητήρες με μπροστινό φωτισμό (αριστερά) και αισθητήρες με οπίσθιο φωτισμό (δεξιά). Εμπρός όψη με ή χωρίς φίλτρα χρώματος, πίσω όψη με ή χωρίς μικροφακούς. Δείτε το κύριο κείμενο για επεξήγηση των εξαρτημάτων.
Πώς λειτουργούν οι αισθητήρες με φωτισμό πίσω πλευράς (BSI);
Οι αισθητήρες BSI χρησιμοποιούν διαφορετική αρχιτεκτονική σχεδιασμένη για τη βελτίωση της απόδοσης συλλογής φωτός. Σε αυτόν τον σχεδιασμό, η δομή του αισθητήρα είναι αποτελεσματικάανεστραμμένος, επιτρέποντας στα φωτόνια να φτάσουν απευθείας στο φωτοευαίσθητο πυρίτιο χωρίς πρώτα να περάσουν από καλωδιώσεις ή τρανζίστορ.
Για να επιτευχθεί αυτή η διαμόρφωση, το πυρίτιο χύδην που υποστηρίζει το φωτοευαίσθητο στρώμα πρέπει να είναιμηχανικά ή χημικά αραιωμένο, μια διαδικασία που συχνά αναφέρεται ωςαραίωση πλάτηςΑυτό το βήμα κατασκευής επιτρέπει στο φως να διεισδύσει στις φωτοδιόδους, αλλά καθιστά επίσης τη διαδικασία κατασκευής πιο περίπλοκη.
Επειδή το στρώμα καλωδίωσης βρίσκεται πίσω από τη φωτοδίοδο, το εικονοστοιχείοΟ συντελεστής πλήρωσης πλησιάζει το 100%, επιτρέποντας την ανίχνευση πολύ μεγαλύτερου ποσοστού εισερχόμενων φωτονίων. Ως αποτέλεσμα, οι αισθητήρες BSI μπορούν να επιτύχουνπολύ υψηλή ποσοτική χαλάρωση—σε ορισμένες περιπτώσεις φτάνοντας90–95%—γεγονός που βελτιώνει σημαντικά την ευαισθησία σε συνθήκες απεικόνισης χαμηλού φωτισμού.
Φόντα
●Υψηλότερη ευαισθησία– Χωρίς καλωδίωση που να εμποδίζει τη φωτεινή διαδρομή, περισσότερα φωτόνια φτάνουν στις φωτοδιόδους, βελτιώνοντας την ανίχνευση σήματος.
●Βελτιωμένη απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού– Οι αισθητήρες BSI είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί σε εφαρμογές όπου η καταγραφή ασθενών σημάτων ή λεπτών λεπτομερειών είναι κρίσιμη.
Μειονεκτήματα
●Υψηλότερο κόστος και πολυπλοκότητα κατασκευής– Η διαδικασία αραίωσης πλακιδίων που απαιτείται για τους αισθητήρες BSI αυξάνει τη δυσκολία κατασκευής και το κόστος παραγωγής.
Βασικές διαφορές μεταξύ αισθητήρων sCMOS FSI και BSI
Παρόλο που και οι δύο αισθητήρες FSI και BSI βασίζονται στην ίδια τεχνολογία απεικόνισης CMOS, οι εσωτερικές τους δομές οδηγούν σε σημαντικές διαφορές στην απόδοση, την ευαισθησία και την πολυπλοκότητα κατασκευής.
Η κύρια διαφορά έγκειται στον τρόπο με τον οποίο το φως φτάνει στη φωτοδίοδο. Στους αισθητήρες FSI, τα εισερχόμενα φωτόνια πρέπει να περάσουν μέσα από στρώματα καλωδίωσης και ηλεκτρονικών πριν φτάσουν στο φωτοευαίσθητο πυρίτιο. Στους αισθητήρες BSI, η δομή του αισθητήρα είναι ανεστραμμένη έτσι ώστε τα φωτόνια να χτυπούν απευθείας τη φωτοδίοδο, βελτιώνοντας την απόδοση συλλογής φωτός.
Αυτή η αρχιτεκτονική αλλαγή αυξάνει τον παράγοντα πλήρωσης και βελτιώνει σημαντικά την QE, επιτρέποντας στους αισθητήρες BSI να ανιχνεύουν περισσότερα εισερχόμενα φωτόνια—ειδικά σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Ωστόσο, αυτή η βελτίωση της απόδοσης έρχεται με το κόστος μιας πιο περίπλοκης διαδικασίας κατασκευής.
| Χαρακτηριστικό | Αισθητήρες FSI sCMOS | Αισθητήρες BSI sCMOS |
| Δομή αισθητήρα | Καλωδίωση πάνω από τη φωτοδίοδο | Καλωδίωση πίσω από φωτοδίοδο |
| Φωτεινή διαδρομή | Μερικώς μπλοκαρισμένο από ηλεκτρονικά | Άμεση διαδρομή προς φωτοδίοδο |
| Συντελεστής πλήρωσης | Μειωμένο από στρώματα καλωδίωσης | Κοντά στο 100% |
| Κβαντική Απόδοση | Μέτριος | Πολύ υψηλό (έως ~95%) |
| Ευαισθησία | Χαμηλότερη σε απεικόνιση χαμηλού φωτισμού | Υψηλότερη ευαισθησία |
| Κόστος κατασκευής | Χαμηλότερος | Υψηλότερο |
Λόγω αυτών των διαφορών, η επιλογή μεταξύ αισθητήρων FSI και BSI εξαρτάται συχνά από την ισορροπία μεταξύ των απαιτήσεων απόδοσης και του κόστους του συστήματος.
Επιλογή μεταξύ αισθητήρων FSI και BSI
Όταν επιλέγετε μεταξύ αισθητήρων με μπροστινό φωτισμό (FSI) και αισθητήρων με πίσω φωτισμό (BSI) για την εφαρμογή απεικόνισης που χρησιμοποιείτε, η πιο σημαντική προδιαγραφή που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι η κβαντική απόδοση (QE) που απαιτείται για τις συγκεκριμένες ανάγκες σας. Η κβαντική απόδοση αναφέρεται στο πόσο αποτελεσματικά ένας αισθητήρας μπορεί να μετατρέψει το εισερχόμενο φως σε ηλεκτρικά σήματα.
Αισθητήρες FSIμπορεί να είναι επαρκές για εφαρμογές όπου η σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας αποτελεί προτεραιότητα και το απαιτούμενο επίπεδο ευαισθησίας στο φως είναι μέτριο.
Αισθητήρες BSI, αν και πιο ακριβά, είναι ιδανικά για εφαρμογές όπου η υψηλή ευαισθησία είναι ζωτικής σημασίας, ιδιαίτερα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
Η κατανόηση της κβαντικής απόδοσης που απαιτείται για την εφαρμογή σας μπορεί να σας βοηθήσει να προσδιορίσετε εάν η αρχιτεκτονική αισθητήρων FSI ή BSI είναι η καλύτερη επιλογή.
Σύναψη
Τόσο οι αισθητήρες FSI όσο και οι αισθητήρες BSI χρησιμοποιούνται ευρέως στις σύγχρονες επιστημονικές κάμερες απεικόνισης, προσφέροντας ο καθένας ξεχωριστά πλεονεκτήματα ανάλογα με την εφαρμογή. Οι αισθητήρες FSI παρέχουν μια οικονομικά αποδοτική και ώριμη λύση για πολλά συστήματα απεικόνισης όπου οι συνθήκες φωτισμού είναι σταθερές και δεν απαιτείται εξαιρετική ευαισθησία.
Οι αισθητήρες BSI, από την άλλη πλευρά, έχουν σχεδιαστεί για να μεγιστοποιούν την ανίχνευση φωτονίων και να παρέχουν υψηλότερη QE και ευαισθησία, καθιστώντας τους ιδανικούς για απαιτητικές εφαρμογές χαμηλού φωτισμού, όπως η μικροσκοπία φθορισμού και άλλες επιστημονικές εργασίες απεικόνισης.
Η Tucsen προσφέρει μια σειρά από κάμερες FSI και BSI sCMOS σχεδιασμένες για διαφορετικές απαιτήσεις απεικόνισης, βοηθώντας τους ερευνητές να επιλέξουν την καταλληλότερη αρχιτεκτονική αισθητήρων για τις συγκεκριμένες εφαρμογές τους.
Συστάσεις για κάμερες Tucsen FSI CMOS και BSI sCMOS
| Τύπος κάμερας | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Υψηλή ευαισθησία | Ντιάνα 95V2 Ντυάνα 400BSIV2 Ντιάνα 9KTDI
| Ντυάνα 400D Ντιάνα 400DC |
| Μεγάλη μορφή | Ντυάνα 6060BSI Ντυάνα 4040BSI | Ντιάνα 6060 Ντιάνα 4040 |
| Συμπαγής σχεδιασμός | —— | Ντιάνα 401D Ντιάνα 201D |
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
