Hva er forskjellen mellom FSI sCMOS og BSI sCMOS?

I vitenskapelige bildekameraer,sensorarkitekturspiller en kritisk rolle i å bestemme bildekvalitet, følsomhet og generell ytelse. De fleste moderne høyytelseskameraer brukerCMOS (komplementær metalloksid halvleder)teknologi for den lysfølsomme pikselmatrisen som danner bildet.

Innenfor CMOS-sensorteknologi finnes det to primære belysningsarkitekturer:Frontbelyst (FSI)ogBaksidebelyste sensorer (BSI)Selv om begge designene er mye brukt i vitenskapelige kameraer, er det forskjellige måter innkommende lys når sensorens fotodioder på.

Forstå forskjellene mellomFSI- og BSI sCMOS-sensorerkan hjelpe forskere og ingeniører med å velge det mest passende kameraet for applikasjoner som mikroskopi, avbildning i svakt lys og andre krevende vitenskapelige målinger.

Hva er FSI- og BSI sCMOS-sensorer?

Sensormodellen refererer til typen kamerasensorteknologi som brukes i bildebehandlingsenheter. I vitenskapelige bildebehandlingssystemer spiller sensoren en kritisk rolle i å fange opp innkommende lys og konvertere det til elektriske signaler som danner det endelige bildet.

Mest modernevitenskapelige kameraerutnytteCMOSteknologi for den lysfølsomme pikselmatrisen. CMOS-sensorer har blitt industristandarden for høyytelsesavbildning og er mye brukt i mikroskopi, biovitenskapelig forskning og industrielle inspeksjonsapplikasjoner.

Innenfor CMOS-sensorteknologi finnes det to hovedbelysningsarkitekturer som brukes i moderne kameraer:FSI-sensorerogBSI-sensorerSelv om begge typene er basert på den samme CMOS-bildeteknologien, er det forskjellige måter lyset beveger seg gjennom sensorstrukturen på før det når det lysdetekterende silisiumet.

Å forstå denne strukturelle forskjellen er nøkkelen til å forklare hvorforBSI-sensorer gir ofte høyere følsomhet, spesielt i miljøer med vitenskapelig avbildning med lite lys.

Hvordan fungerer frontbelyste sensorer (FSI)?

FSI-sensorer – også kjent somfrontbelyste (FI) sensorer—er den vanligste CMOS-sensorarkitekturen som brukes i moderne bildesystemer. Denne designen er bredt tatt i bruk, hovedsakelig fordi den erenklere og mer kostnadseffektivt å produsere.

I en FSI-sensor er ledningene og transistorene som styrer hver piksel plassertover det lysfølsomme silisiumlagetInnkommende fotoner må derfor passere gjennom dette elektronikklaget før de når fotodiodene som oppdager lys. Hvis et foton treffer disse komponentene, kan det væreabsorbert eller spredt, noe som hindrer den i å nå det lysfølsomme området.

Denne strukturen redusererfyllingsfaktorav hver piksel og senker den effektiveKvanteeffektivitet(QE)—sannsynligheten for at et innkommende foton vil bli oppdaget. Som et resultat tilbyr FSI-sensorer vanligvislavere følsomhet, spesielt i miljøer med lite lys.

Fordeler

●Enklere å produsere– FSI-sensorer er enklere å produsere fordi sensorstrukturen ikke krever tynning av silisiumsubstratet.

●Lavere produksjonskostnader– Den enklere produksjonsprosessen gjør frontbelyste sensorer mer kostnadseffektive.

Ulemper

●Lavere følsomhet– Ledninger og elektroniske komponenter sitter over det lysdetekterende silisiumet, noe som betyr at noen innkommende fotoner kan bli blokkert før de når fotodioden.

Figur 1: Front- og bakbelyst pikselstruktur

Sidevisning av pikselstrukturen for frontbelyste sensorer (venstre) og bakbelyste sensorer (høyre). Forsiden vist med eller uten fargefiltre, baksiden med eller uten mikrolinser. Se hovedteksten for forklaring av komponenter.

Hvordan fungerer bakbelyste sensorer (BSI)?

BSI-sensorer bruker en annen arkitektur som er utformet for å forbedre lysinnsamlingseffektiviteten. I denne designen er sensorstrukturen effektivtinvertert, slik at fotoner kan nå det lysfølsomme silisiumet direkte uten først å passere gjennom ledninger eller transistorer.

For å oppnå denne konfigurasjonen må silisiumbulken som støtter det lysfølsomme laget væremekanisk eller kjemisk fortynnet, en prosess som ofte omtales somryggtynningDette produksjonstrinnet lar lys trenge inn i fotodiodene, men gjør også produksjonsprosessen mer kompleks.

Fordi ledningslaget er plassert bak fotodioden, vil pikseletfyllingsfaktoren nærmer seg 100 %, noe som gjør at en mye større andel av innkommende fotoner kan detekteres. Som et resultat kan BSI-sensorer oppnåsvært høy kvantitativ lettelse– i noen tilfeller når90–95 %– noe som forbedrer følsomheten betydelig under bildeforhold med lite lys.

Fordeler

●Høyere følsomhet– Uten at ledninger blokkerer lysbanen, når flere fotoner fotodiodene, noe som forbedrer signaldeteksjonen.

●Forbedret ytelse under dårlige lysforhold– BSI-sensorer er spesielt effektive i applikasjoner der det er avgjørende å fange opp svake signaler eller fine detaljer.

Ulemper

●Høyere kostnader og produksjonskompleksitet– Wafertynningsprosessen som kreves for BSI-sensorer øker fabrikasjonsvanskeligheten og produksjonskostnadene.

Viktige forskjeller mellom FSI- og BSI sCMOS-sensorer

Selv om både FSI- og BSI-sensorer er basert på den samme CMOS-bildeteknologien, fører deres interne strukturer til viktige forskjeller i ytelse, følsomhet og produksjonskompleksitet.

Hovedforskjellen ligger i hvordan lyset når fotodioden. I FSI-sensorer må innkommende fotoner passere gjennom lag med ledninger og elektronikk før de når det lysfølsomme silisiumet. I BSI-sensorer er sensorstrukturen invertert slik at fotoner treffer fotodioden direkte, noe som forbedrer lysinnsamlingseffektiviteten.

Denne arkitekturendringen øker fyllfaktoren og forbedrer QE betydelig, slik at BSI-sensorer kan oppdage flere innkommende fotoner – spesielt under forhold med lite lys. Denne ytelsesforbedringen kommer imidlertid på bekostning av en mer kompleks produksjonsprosess.

Trekk	FSI sCMOS-sensorer	BSI sCMOS-sensorer
Sensorstruktur	Kabling over fotodiode	Kabling bak fotodioden
Lysvei	Delvis blokkert av elektronikk	Direkte vei til fotodiode
Fyllingsfaktor	Redusert av ledningslag	Nær 100 %
Kvanteeffektivitet	Moderat	Svært høy (opptil ~95 %)
Følsomhet	Lavere ved bilder i svakt lys	Høyere følsomhet
Produksjonskostnad	Senke	Høyere

På grunn av disse forskjellene avhenger valget mellom FSI- og BSI-sensorer ofte av balansen mellom ytelseskrav og systemkostnader.

Valg mellom FSI- og BSI-sensorer

Når du velger mellom front-side illuminated (FSI) og back-side illuminated (BSI) sensorer for bildebehandlingsapplikasjonen din, er den viktigste spesifikasjonen å vurdere QE som kreves for dine spesifikke behov. Kvanteeffektivitet refererer til hvor effektivt en sensor kan konvertere innkommende lys til elektriske signaler.

FSI-sensorerkan være tilstrekkelig for applikasjoner der kostnadseffektivitet er prioritet, og det nødvendige nivået av lysfølsomhet er moderat.

BSI-sensorer, selv om de er dyrere, er ideelle for applikasjoner der høy følsomhet er avgjørende, spesielt under forhold med lite lys.

Å forstå kvanteeffektiviteten som kreves for applikasjonen din kan bidra til å avgjøre om en FSI- eller BSI-sensorarkitektur er det beste valget.

Konklusjon

Både FSI- og BSI-sensorer er mye brukt i moderne vitenskapelige bildekameraer, og hver av dem tilbyr forskjellige fordeler avhengig av bruksområdet. FSI-sensorer gir en kostnadseffektiv og moden løsning for mange bildesystemer der lysforholdene er stabile og ekstrem følsomhet ikke er nødvendig.

BSI-sensorer er derimot designet for å maksimere fotondeteksjon og levere høyere QE og følsomhet, noe som gjør dem ideelle for krevende applikasjoner i svakt lys, som fluorescensmikroskopi og andre vitenskapelige avbildningsoppgaver.

Tucsen tilbyr en rekke FSI- og BSI sCMOS-kameraer designet for ulike bildebehov, og hjelper forskere med å velge den mest passende sensorarkitekturen for deres spesifikke applikasjoner.

Anbefalinger for Tucsen FSI CMOS- og BSI sCMOS-kameraer

Kameratype	BSI sCMOS	FSI sCMOS
Høy følsomhet	Dhyana 95V2 Dhyana 400BSIV2 Dhyana 9KTDI	Dhyana 400D Dhyana 400DC
Stort format	Dhyana 6060BSI Dhyana 4040BSI	Dhyana 6060 Dhyana 4040
Kompakt design	——	Dhyana 401D Dhyana 201D