[技術(shù)領(lǐng)域]

本發(fā)明涉及集成電路的cmos圖像傳感器像素電路和系統(tǒng)框架，適用于低像素尺寸高分辨率的單光子cmos圖像傳感器。

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背景技術(shù)：
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近些年來，人們?cè)桨l(fā)頻繁地在生命科學(xué)中利用熒光的特性來進(jìn)行研究。除了環(huán)境檢測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)、dna測(cè)序等應(yīng)用以外，熒光也可以用作細(xì)胞鑒定、流式細(xì)胞技術(shù)的分類，來揭示細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)的位置和運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)態(tài)的熒光顯微技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于細(xì)胞分析里面，然而，它對(duì)某些基于光強(qiáng)的因素例如激發(fā)光源強(qiáng)度的變化、光漂白等等很敏感。并且這種技術(shù)很難區(qū)分具有相同激發(fā)和發(fā)射光譜的熒光基團(tuán)。熒光壽命成像顯微技術(shù)產(chǎn)生了熒光基團(tuán)壽命的空間域成像，提供了查看熒光基團(tuán)的另一個(gè)維度的信息。而且熒光壽命對(duì)于熒光所處的環(huán)境非常敏感，獨(dú)立于影響熒光強(qiáng)度的諸多因素。

傳統(tǒng)光電二極管cmos圖像傳感器通常經(jīng)過感應(yīng)光的強(qiáng)度，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的光電流，然后對(duì)光電流積分產(chǎn)生一個(gè)電壓值，接著對(duì)該電壓值進(jìn)行處理得到此像素點(diǎn)的光強(qiáng)。然而一方面，傳統(tǒng)光電二極管cmos圖像傳感器很難能夠達(dá)到單個(gè)光子檢測(cè)的靈敏度，而且對(duì)后端所需的處理電路的信噪比有極高的要求。另外一方面，傳統(tǒng)光電二極管cmos圖像傳感器對(duì)光電流的積分時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，是一個(gè)相對(duì)較慢的處理過程。單光子cmos圖像傳感器由于它本身對(duì)光子極高的敏感度和極短的響應(yīng)時(shí)間，很適合于熒光壽命成像顯微技術(shù)。相比于龐大的熒光壽命成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，此種傳感器芯片價(jià)格低廉，集成度很高，通過一個(gè)芯片即可以獲得通過龐大和昂貴的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)才能夠得到的數(shù)據(jù)。

時(shí)間域快門(time-gated)技術(shù)是一種快速的能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)熒光壽命的技術(shù)，與傳統(tǒng)的時(shí)域相關(guān)單光子計(jì)數(shù)(tcspc)檢測(cè)技術(shù)相比，該種檢測(cè)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的硬件要求更低，通過兩幀或者多幀即可獲得某個(gè)像素點(diǎn)熒光壽命的信息。而且通過此種技術(shù)手段可以達(dá)到很高的像素分辨率，傳統(tǒng)的基于tcspc技術(shù)的像素電路尺寸一般在五十個(gè)微米以上，而基于時(shí)間域快門(time-gated)技術(shù)的像素電路能夠達(dá)到二十個(gè)微米左右。

如圖1所示，通過統(tǒng)計(jì)兩個(gè)脈沖寬度之間的光強(qiáng)和以下公式：

我們可以得出某像素點(diǎn)的熒光壽命τ，s1和s2是測(cè)量得到的光強(qiáng)，分別與窗口內(nèi)的光子總數(shù)成正比，δt是測(cè)量脈沖寬度。

在圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，單光子cmos圖像傳感器被用來檢測(cè)熒光壽命。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在黑暗無(wú)光的條件下進(jìn)行，首先外部發(fā)射一束峰值功率在幾百毫瓦量級(jí)的皮秒脈沖激光來激發(fā)樣本產(chǎn)生熒光，然后單光子cmos圖像傳感器放置在出光孔處來檢測(cè)熒光強(qiáng)度，最后通過兩個(gè)窗口內(nèi)所得到的光子數(shù)來算出熒光壽命。

文獻(xiàn)(luciopancheri,nicolamassari,davidstoppa,“spadimagesensorwithanalogcountingpixelfortime-resolvedfluorescencedetection”,ieeetransactionsonelectrondevices,vol.60,no.10,october2013)展示了一個(gè)32x32像素的用于熒光壽命探測(cè)的單光子cmos圖像傳感器，該傳感器采用高壓0.35μmcmos技術(shù)制造，采用模擬計(jì)數(shù)的方法來最大限度地減少像素尺寸。所有像素電路由12個(gè)nmos晶體管和1個(gè)單光子雪崩二極管構(gòu)成，具有25μm的像素尺寸和20.8％的填充系數(shù)。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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為了提供一種更優(yōu)的低像素尺寸的單光子cmos圖像傳感器像素電路，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種低像素尺寸的單光子cmos圖像傳感器像素電路，包含淬火電路，模擬計(jì)數(shù)電路和讀出電路，淬火電路一端連接模擬計(jì)數(shù)電路，模擬計(jì)數(shù)電路一端連接讀出電路。

進(jìn)一步地，所述淬火電路含有一個(gè)單光子雪崩二極管和淬火晶體管，所述淬火電路控制單光子雪崩二極管的工作與關(guān)閉并產(chǎn)生脈沖。

進(jìn)一步地，在淬火電路里面，單光子雪崩二極管工作在蓋革(geiger)區(qū)，也就是單光子雪崩二極管兩端電壓高于單光子雪崩二極管本身的擊穿電壓，因此在單光子雪崩二極管內(nèi)部形成非常高的電場(chǎng)強(qiáng)度，內(nèi)部有自由電子或者由吸收光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，單光子雪崩二極管會(huì)產(chǎn)生非常大的雪崩電流，這一束電流對(duì)單光子雪崩二極管的陽(yáng)極寄生電容充電使得陽(yáng)極電壓上升到某一個(gè)電壓值，從而導(dǎo)致單光子雪崩二極管本身產(chǎn)生的雪崩電流逐漸減小。

進(jìn)一步地，所述模擬計(jì)數(shù)電路為產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電壓值，主要由兩個(gè)電容之間的電荷共享來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施中不斷地對(duì)其中一個(gè)電容置位，然后重復(fù)打開關(guān)閉開關(guān)，使得另一個(gè)電容上的容值按照所設(shè)定的值改變，具體如下面的公式所示：

其中，cp是晶體管m2和m3之間的寄生電容，ccap是晶體管m4的電容，vcount是m4上的電壓值大小，vbias是m2外接的偏置電壓。

進(jìn)一步地，所述讀出電路由一個(gè)源極跟隨器構(gòu)成，主要用于隔離vcount和后端電路，并且能夠讀出模擬計(jì)數(shù)電路上的電壓并傳給后續(xù)電路進(jìn)行處理。

進(jìn)一步地，像素電路設(shè)計(jì)采用5個(gè)nmos晶體管和1個(gè)單光子雪崩二極管。

本發(fā)明的單光子cmos圖像傳感器像素電路，只使用5個(gè)nmos晶體管和1個(gè)spad，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，適用于高分辨率的單光子cmos圖像傳感器。

[附圖說明]

圖1是本發(fā)明實(shí)施的熒光壽命檢測(cè)原理圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施所需的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3是本發(fā)明實(shí)施的單光子cmos傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施的單光子cmos圖像傳感器像素電路圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例電路工作的時(shí)序圖。

[具體實(shí)施方式]

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段清晰明了，下面進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

結(jié)合附圖4和附圖5所示，低像素尺寸的單光子cmos圖像傳感器像素電路,包含淬火電路，模擬計(jì)數(shù)電路和讀出電路，淬火電路一端連接模擬計(jì)數(shù)電路，模擬計(jì)數(shù)電路一端連接讀出電路,淬火電路含有一個(gè)單光子雪崩二極管和淬火晶體管，所述淬火電路控制單光子雪崩二極管的工作與關(guān)閉并產(chǎn)生脈沖。在淬火電路里面，單光子雪崩二極管工作在蓋革(geiger)區(qū)，也就是單光子雪崩二極管兩端電壓高于單光子雪崩二極管本身的擊穿電壓，因此在單光子雪崩二極管內(nèi)部形成非常高的電場(chǎng)強(qiáng)度，內(nèi)部有自由電子或者由吸收光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，單光子雪崩二極管會(huì)產(chǎn)生非常大的雪崩電流，這一束電流對(duì)單光子雪崩二極管的陽(yáng)極寄生電容充電使得陽(yáng)極電壓上升到某一個(gè)電壓值，從而導(dǎo)致單光子雪崩二極管本身產(chǎn)生的雪崩電流逐漸減小。模擬計(jì)數(shù)電路為產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電壓值，主要由兩個(gè)電容之間的電荷共享來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施中不斷地對(duì)其中一個(gè)電容置位，然后重復(fù)打開關(guān)閉開關(guān)，使得另一個(gè)電容上的容值按照所設(shè)定的值改變。讀出電路由一個(gè)源極跟隨器構(gòu)成，主要用于隔離vcount和后端電路，并且能夠讀出模擬計(jì)數(shù)電路上的電壓并傳給后續(xù)電路進(jìn)行處理。

以上所述的單光子cmos圖像傳感器像素電路的工作過程如下:首先將vq設(shè)置為0，使得nmosm1晶體管上的電流幾乎為0，在一次感光之后vp鎖存在高電位，從而使得nmosm2晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)將vc設(shè)置為高電平，使得nmosm3晶體管導(dǎo)通，然后將vbias設(shè)置為高電平3.3v，對(duì)vcount進(jìn)行重置，之后，設(shè)置vq為600mv，使得nmosm1晶體管工作在亞閾值區(qū)，等同于一個(gè)放電電流源，將vp置位為0，從而關(guān)閉nmosm2晶體管，此時(shí)，仍然保持vc為高電平，nmosm3晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，改變vbias為vl，對(duì)寄生電容cp上的電壓置位為vl。

仍然保持vq為600mv，將vp置位為0，單光子雪崩二極管進(jìn)入工作狀態(tài)。在感光之后產(chǎn)生一個(gè)雪崩脈沖，此時(shí)單光子雪崩二極管進(jìn)入死區(qū)，無(wú)法再次產(chǎn)生雪崩電流，經(jīng)過一段時(shí)間的放電之后再次進(jìn)入工作區(qū)。vp上產(chǎn)生的電脈沖驅(qū)動(dòng)nmosm2晶體管打開，使得nmosm4晶體管和寄生電容cp導(dǎo)通產(chǎn)生電荷共享，從而降低了vcount上的電壓，并達(dá)到了計(jì)數(shù)的目的，vcount上的電壓降可以由下列公式表達(dá)：

在此次設(shè)計(jì)中，綜合考慮動(dòng)態(tài)范圍和信噪比的因素，δvcount為15mv，再通過多次光子計(jì)數(shù)之后，vcount上的電壓由源級(jí)跟隨器nmosm5晶體管讀出來，繼續(xù)交由后續(xù)電路進(jìn)行處理，整個(gè)電路對(duì)光子計(jì)數(shù)工作在納秒量級(jí)，達(dá)到了測(cè)量熒光壽命所需要的要求。

圖3是本實(shí)施例的單光子cmos圖像傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)圖，由像素電路模塊、解碼器和驅(qū)動(dòng)模塊、列讀出電路模塊三部分組成。像素電路模塊主要用來對(duì)單個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，解碼器和驅(qū)動(dòng)模塊用來產(chǎn)生每一行所需要的控制信號(hào)和偏置信號(hào)，列讀出電路模塊一行一行地讀取每個(gè)像素點(diǎn)產(chǎn)生的電壓值并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)最后通過緩沖電路讀取出來。

本實(shí)施例單光子cmos圖像傳感器像素電路，通過5個(gè)nmos晶體管和1個(gè)單光子雪崩二極管構(gòu)成，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，適用于高分辨率的單光子cmos圖像傳感器。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于上述實(shí)施方式，凡是屬于本發(fā)明原理的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理的前提下進(jìn)行的若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。