25/03/2022En las cámaras de imágenes científicas, laarquitectura del sensordesempeña un papel fundamental en la determinación de la calidad de la imagen, la sensibilidad y el rendimiento general. La mayoría de las cámaras modernas de alto rendimiento utilizanCMOS (Semiconductor Complementario de Óxido Metálico)tecnología para la matriz de píxeles fotosensibles que forma la imagen.
Dentro de la tecnología de sensores CMOS, existen dos arquitecturas de iluminación principales:Iluminación frontal lateral (FSI)ySensores retroiluminados (BSI)Aunque ambos diseños se utilizan ampliamente en cámaras científicas, difieren en la forma en que la luz incidente llega a los fotodiodos del sensor.
Comprender las diferencias entreSensores sCMOS FSI y BSIPuede ayudar a investigadores e ingenieros a elegir la cámara más adecuada para aplicaciones como la microscopía, la obtención de imágenes con poca luz y otras mediciones científicas exigentes.
¿Qué son los sensores sCMOS FSI y BSI?
El modelo de sensor se refiere al tipo de tecnología de sensor de cámara utilizada en los dispositivos de imagen. En los sistemas de imagen científica, el sensor desempeña un papel fundamental al capturar la luz incidente y convertirla en señales eléctricas que forman la imagen final.
La mayoría de los modernoscámaras científicasutilizarCMOSTecnología para la matriz de píxeles fotosensibles. Los sensores CMOS se han convertido en el estándar de la industria para la obtención de imágenes de alto rendimiento y se utilizan ampliamente en microscopía, investigación en ciencias biológicas y aplicaciones de inspección industrial.
Dentro de la tecnología de sensores CMOS, existen dos arquitecturas de iluminación principales que se utilizan en las cámaras modernas:sensores FSIySensores BSIAunque ambos tipos se basan en la misma tecnología de imagen CMOS, difieren en la forma en que la luz viaja a través de la estructura del sensor antes de llegar al silicio detector de luz.
Comprender esta diferencia estructural es clave para explicar por quéLos sensores BSI suelen proporcionar una mayor sensibilidad., particularmente en entornos de imágenes científicas con poca luz.
¿Cómo funcionan los sensores con iluminación frontal (FSI)?
Sensores FSI, también conocidos comosensores con iluminación frontal (FI)—son la arquitectura de sensor CMOS más común utilizada en los sistemas de imágenes modernos. Este diseño se adopta ampliamente principalmente porque esmás sencillo y rentable de fabricar.
En un sensor FSI, el cableado y los transistores que controlan cada píxel están colocadospor encima de la capa de silicio fotosensiblePor lo tanto, los fotones entrantes deben pasar a través de esta capa de componentes electrónicos antes de llegar a los fotodiodos que detectan la luz. Si un fotón golpea estos componentes, puede serabsorbido o disperso, impidiendo que llegue a la región sensible a la luz.
Esta estructura reduce lafactor de llenadode cada píxel y reduce la efectivaEficiencia cuántica(QE)—la probabilidad de que se detecte un fotón entrante. Como resultado, los sensores FSI generalmente ofrecenmenor sensibilidad, particularmente en entornos de imagen con poca luz.
Ventajas
●Más sencillo de fabricar– Los sensores FSI son más fáciles de producir porque la estructura del sensor no requiere adelgazar el sustrato de silicio.
●Menor coste de fabricación– El proceso de fabricación más sencillo hace que los sensores con iluminación frontal sean más rentables.
Desventajas
●Menor sensibilidad– El cableado y los componentes electrónicos se encuentran encima del silicio detector de luz, lo que significa que algunos fotones incidentes pueden ser bloqueados antes de llegar al fotodiodo.
Figura 1: Estructura de píxeles con iluminación frontal y posterior
Vista lateral de la estructura de píxeles para sensores con iluminación frontal (izquierda) y retroiluminación (derecha). La parte frontal se muestra con o sin filtros de color, y la parte posterior con o sin microlentes. Consulte el texto principal para obtener una explicación de los componentes.
¿Cómo funcionan los sensores con iluminación posterior (BSI)?
Los sensores BSI utilizan una arquitectura diferente diseñada para mejorar la eficiencia de captación de luz. En este diseño, la estructura del sensor es eficazmenteinvertido, lo que permite que los fotones lleguen directamente al silicio fotosensible sin pasar primero por el cableado o los transistores.
Para lograr esta configuración, el silicio masivo que soporta la capa fotosensible debe ser...adelgazado mecánica o químicamente, un proceso al que a menudo se hace referencia comoadelgazamiento de la espaldaEste paso de fabricación permite que la luz penetre hasta los fotodiodos, pero también hace que el proceso de fabricación sea más complejo.
Debido a que la capa de cableado está ubicada detrás del fotodiodo, el píxelEl factor de llenado se aproxima al 100%., lo que permite detectar una proporción mucho mayor de fotones entrantes. Como resultado, los sensores BSI pueden lograrQE muy alta—en algunos casos alcanzando90–95%—lo que mejora significativamente la sensibilidad en condiciones de poca luz.
Ventajas
●Mayor sensibilidad– Al no haber cables que bloqueen el paso de la luz, llegan más fotones a los fotodiodos, lo que mejora la detección de la señal.
●Rendimiento mejorado en condiciones de poca luz.– Los sensores BSI son especialmente eficaces en aplicaciones donde la captura de señales débiles o detalles finos es fundamental.
Desventajas
●Mayor coste y complejidad de fabricación.– El proceso de adelgazamiento de las obleas necesario para los sensores BSI aumenta la dificultad de fabricación y el coste de producción.
Principales diferencias entre los sensores sCMOS FSI y BSI
Aunque tanto los sensores FSI como los BSI se basan en la misma tecnología de imagen CMOS, sus estructuras internas dan lugar a importantes diferencias en cuanto a rendimiento, sensibilidad y complejidad de fabricación.
La principal diferencia radica en cómo la luz llega al fotodiodo. En los sensores FSI, los fotones incidentes deben atravesar capas de cableado y componentes electrónicos antes de alcanzar el silicio fotosensible. En los sensores BSI, la estructura del sensor está invertida, de modo que los fotones inciden directamente sobre el fotodiodo, lo que mejora la eficiencia de captación de luz.
Este cambio arquitectónico aumenta el factor de llenado y mejora significativamente la eficiencia cuántica, lo que permite a los sensores BSI detectar más fotones incidentes, especialmente en condiciones de poca luz. Sin embargo, esta mejora en el rendimiento conlleva un proceso de fabricación más complejo.
| Característica | Sensores sCMOS de FSI | Sensores sCMOS de BSI |
| Estructura del sensor | Cableado encima del fotodiodo | Cableado detrás del fotodiodo |
| Camino de luz | Parcialmente bloqueado por dispositivos electrónicos | Trayectoria directa al fotodiodo |
| Factor de llenado | Reducido por capas de cableado | Cerca del 100% |
| Eficiencia cuántica | Moderado | Muy alto (hasta ~95%) |
| Sensibilidad | Menor en imágenes con poca luz | Mayor sensibilidad |
| Costo de fabricación | Más bajo | Más alto |
Debido a estas diferencias, la elección entre sensores FSI y BSI a menudo depende del equilibrio entre los requisitos de rendimiento y el coste del sistema.
Cómo elegir entre sensores FSI y BSI
Al elegir entre sensores con iluminación frontal (FSI) y con iluminación posterior (BSI) para su aplicación de imagen, la especificación más importante a considerar es la eficiencia cuántica (QE) requerida para sus necesidades específicas. La eficiencia cuántica se refiere a la eficacia con la que un sensor puede convertir la luz incidente en señales eléctricas.
sensores FSIPuede ser suficiente para aplicaciones donde la rentabilidad es la prioridad y el nivel de sensibilidad a la luz requerido es moderado.
Sensores BSIAunque son más caras, son ideales para aplicaciones donde la alta sensibilidad es crucial, especialmente en condiciones de poca luz.
Comprender la eficiencia cuántica requerida para su aplicación puede ayudar a determinar si una arquitectura de sensor FSI o BSI es la mejor opción.
Conclusión
Tanto los sensores FSI como los BSI se utilizan ampliamente en las cámaras de imagen científicas modernas, y cada uno ofrece ventajas distintas según la aplicación. Los sensores FSI proporcionan una solución rentable y consolidada para muchos sistemas de imagen donde las condiciones de iluminación son estables y no se requiere una sensibilidad extrema.
Por otro lado, los sensores BSI están diseñados para maximizar la detección de fotones y ofrecer una mayor eficiencia cuántica y sensibilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones exigentes con poca luz, como la microscopía de fluorescencia y otras tareas de obtención de imágenes científicas.
Tucsen ofrece una gama de cámaras sCMOS FSI y BSI diseñadas para diferentes requisitos de imagen, lo que ayuda a los investigadores a elegir la arquitectura de sensor más adecuada para sus aplicaciones específicas.
Recomendaciones de cámaras Tucson FSI CMOS y BSI sCMOS
| Tipo de cámara | BSI sCMOS | FSI sCMOS |
| Alta sensibilidad | Dhyana 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI
| Dhyana 400D Dhyana 400DC |
| Gran formato | Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI | Dhyana 6060 Dhyana 4040 |
| Diseño compacto | — | Dhyana 401D Dhyana 201D |
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos los derechos reservados. Al citar, por favor, indique la fuente:www.tucsen.com
