[技術領域]

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：
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近些年來，人們越發(fā)頻繁地在生命科學中利用熒光的特性來進行研究。除了環(huán)境檢測、臨床醫(yī)學、dna測序等應用以外，熒光也可以用作細胞鑒定、流式細胞技術的分類，來揭示細胞內部物質的位置和運動。穩(wěn)態(tài)的熒光顯微技術經常應用于細胞分析里面，然而，它對某些基于光強的因素例如激發(fā)光源強度的變化、光漂白等等很敏感。并且這種技術很難區(qū)分具有相同激發(fā)和發(fā)射光譜的熒光基團。熒光壽命成像顯微技術產生了熒光基團壽命的空間域成像，提供了查看熒光基團的另一個維度的信息。而且熒光壽命對于熒光所處的環(huán)境非常敏感，獨立于影響熒光強度的諸多因素。

傳統(tǒng)光電二極管cmos圖像傳感器通常經過感應光的強度，產生對應的光電流，然后對光電流積分產生一個電壓值，接著對該電壓值進行處理得到此像素點的光強。然而一方面，傳統(tǒng)光電二極管cmos圖像傳感器很難能夠達到單個光子檢測的靈敏度，而且對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圖像傳感器對光電流的積分時間相對較長，是一個相對較慢的處理過程。單光子cmos圖像傳感器由于它本身對光子極高的敏感度和極短的響應時間，很適合于熒光壽命成像顯微技術。相比于龐大的熒光壽命成像實驗平臺，此種傳感器芯片價格低廉，集成度很高，通過一個芯片即可以獲得通過龐大和昂貴的實驗平臺才能夠得到的數(shù)據(jù)。

時間域快門(time-gated)技術是一種快速的能夠實時檢測熒光壽命的技術，與傳統(tǒng)的時域相關單光子計數(shù)(tcspc)檢測技術相比，該種檢測技術對系統(tǒng)的硬件要求更低，通過兩幀或者多幀即可獲得某個像素點熒光壽命的信息。而且通過此種技術手段可以達到很高的像素分辨率，傳統(tǒng)的基于tcspc技術的像素電路尺寸一般在五十個微米以上，而基于時間域快門(time-gated)技術的像素電路能夠達到二十個微米左右。

如圖1所示，通過統(tǒng)計兩個脈沖寬度之間的光強和以下公式：

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

在圖2所示的實驗平臺中，單光子cmos圖像傳感器被用來檢測熒光壽命。整個實驗在黑暗無光的條件下進行，首先外部發(fā)射一束峰值功率在幾百毫瓦量級的皮秒脈沖激光來激發(fā)樣本產生熒光，然后單光子cmos圖像傳感器放置在出光孔處來檢測熒光強度，最后通過兩個窗口內所得到的光子數(shù)來算出熒光壽命。

文獻(luciopancheri,nicolamassari,davidstoppa,“spadimagesensorwithanalogcountingpixelfortime-resolvedfluorescencedetection”,ieeetransactionsonelectrondevices,vol.60,no.10,october2013)展示了一個32x32像素的用于熒光壽命探測的單光子cmos圖像傳感器，該傳感器采用高壓0.35μmcmos技術制造，采用模擬計數(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nmos晶體管和1個單光子雪崩二極管構成，具有25μm的像素尺寸和20.8％的填充系數(shù)。

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技術實現(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，模擬計數(shù)電路和讀出電路，淬火電路一端連接模擬計數(shù)電路，模擬計數(shù)電路一端連接讀出電路。

進一步地，所述淬火電路含有一個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閉并產生脈沖。

進一步地，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部形成非常高的電場強度，內部有自由電子或者由吸收光子產生的電子空穴對，單光子雪崩二極管會產生非常大的雪崩電流，這一束電流對單光子雪崩二極管的陽極寄生電容充電使得陽極電壓上升到某一個電壓值，從而導致單光子雪崩二極管本身產生的雪崩電流逐漸減小。

進一步地，所述模擬計數(shù)電路為產生的脈沖數(shù)進行計數(shù)并產生相對應的電壓值，主要由兩個電容之間的電荷共享來實現(xiàn)，具體實施中不斷地對其中一個電容置位，然后重復打開關閉開關，使得另一個電容上的容值按照所設定的值改變，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。

進一步地，所述讀出電路由一個源極跟隨器構成，主要用于隔離vcount和后端電路，并且能夠讀出模擬計數(shù)電路上的電壓并傳給后續(xù)電路進行處理。

進一步地，像素電路設計采用5個nmos晶體管和1個單光子雪崩二極管。

本發(fā)明的單光子cmos圖像傳感器像素電路，只使用5個nmos晶體管和1個spad，結構精簡，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)明實施的熒光壽命檢測原理圖。

圖2是本發(fā)明實施所需的實驗平臺。

圖3是本發(fā)明實施的單光子cmos傳感器系統(tǒng)架構圖。

圖4是本發(fā)明實施的單光子cmos圖像傳感器像素電路圖。

圖5是本發(fā)明實施例電路工作的時序圖。

[具體實施方式]

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段清晰明了，下面進一步闡述本發(fā)明。

結合附圖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，模擬計數(shù)電路和讀出電路，淬火電路一端連接模擬計數(shù)電路，模擬計數(shù)電路一端連接讀出電路,淬火電路含有一個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閉并產生脈沖。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部形成非常高的電場強度，內部有自由電子或者由吸收光子產生的電子空穴對，單光子雪崩二極管會產生非常大的雪崩電流，這一束電流對單光子雪崩二極管的陽極寄生電容充電使得陽極電壓上升到某一個電壓值，從而導致單光子雪崩二極管本身產生的雪崩電流逐漸減小。模擬計數(shù)電路為產生的脈沖數(shù)進行計數(shù)并產生相對應的電壓值，主要由兩個電容之間的電荷共享來實現(xiàn)，具體實施中不斷地對其中一個電容置位，然后重復打開關閉開關，使得另一個電容上的容值按照所設定的值改變。讀出電路由一個源極跟隨器構成，主要用于隔離vcount和后端電路，并且能夠讀出模擬計數(shù)電路上的電壓并傳給后續(xù)電路進行處理。

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晶體管處于導通狀態(tài)，此時將vc設置為高電平，使得nmosm3晶體管導通，然后將vbias設置為高電平3.3v，對vcount進行重置，之后，設置vq為600mv，使得nmosm1晶體管工作在亞閾值區(qū)，等同于一個放電電流源，將vp置位為0，從而關閉nmosm2晶體管，此時，仍然保持vc為高電平，nmosm3晶體管處于導通狀態(tài)，改變vbias為vl，對寄生電容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入工作狀態(tài)。在感光之后產生一個雪崩脈沖，此時單光子雪崩二極管進入死區(qū)，無法再次產生雪崩電流，經過一段時間的放電之后再次進入工作區(qū)。vp上產生的電脈沖驅動nmosm2晶體管打開，使得nmosm4晶體管和寄生電容cp導通產生電荷共享，從而降低了vcount上的電壓，并達到了計數(shù)的目的，vcount上的電壓降可以由下列公式表達：

在此次設計中，綜合考慮動態(tài)范圍和信噪比的因素，δvcount為15mv，再通過多次光子計數(shù)之后，vcount上的電壓由源級跟隨器nmosm5晶體管讀出來，繼續(xù)交由后續(xù)電路進行處理，整個電路對光子計數(shù)工作在納秒量級，達到了測量熒光壽命所需要的要求。

圖3是本實施例的單光子cmos圖像傳感器的系統(tǒng)架構圖，由像素電路模塊、解碼器和驅動模塊、列讀出電路模塊三部分組成。像素電路模塊主要用來對單個像素點進行光子計數(shù)，解碼器和驅動模塊用來產生每一行所需要的控制信號和偏置信號，列讀出電路模塊一行一行地讀取每個像素點產生的電壓值并進行模數(shù)轉換，產生數(shù)字信號最后通過緩沖電路讀取出來。

本實施例單光子cmos圖像傳感器像素電路，通過5個nmos晶體管和1個單光子雪崩二極管構成，結構精簡，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)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅限于上述實施方式，凡是屬于本發(fā)明原理的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。對于本領域的技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理的前提下進行的若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。