基于SPAD的门控型荧光寿命图像传感器的研究

摘要

近年来，随着半导体制造工艺和计算机技术的迅速发展，荧光寿命成像检测技术成为了热点研究方向。这种技术主要用于临床医学，活体细胞检测，蛋白质结构分析等领域。同时，由于荧光寿命成像只取决于荧光分子所处的微环境，和荧光染料的分布密度和激发光强度无关，所以相对于单纯的测量荧光强度，这项技术具有非常高的灵敏度和分子特异性。
　　针对成像过程中标记物发出的荧光微弱，本文在像素单元中采用单光子雪崩二极管(SPAD)作为感光元件，它具有时间分辨率高，光子探测效率高和雪崩增益大等特点。针对通常条件下荧光寿命非常短，本文采用门控探测技术，它具有高时间分辨率和成像速度快的优势。不同于传统的数字电路实现方式，本文设计了一种模拟电路组成的像素单元，提高了像素填充率和时间分辨率。先后介绍了新型像素单元中模拟前端电路、时间选通门电路、模拟计数器的工作原理。阐述了在两种不同的工作模式下，电路各个部分的工作方式，在125MHz的采样速率下，用Cadence的Spectre软件进行瞬态仿真，得到的最小门控宽度为500ps，在0.35um工艺下填充因子达到23.7％。为了提高成像质量，设计了一种低通滤波器去除高于60MHz的高斯噪声，提高了ADC的输入信噪比，仿真结果表明滤波器动态范围比传统结构提高了54％。

目录

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摘要

第一章 绪论

第一节 荧光寿命成像的发展状况

第二节 荧光寿命检测技术的发展历史

第三节 荧光图像传感器时域检测技术原理

1．3．1 时间相关单光子计数

1．3．2 基于同步扫描相机的寿命成像

第四节 本论文的研究目的和章节安排

第二章 门控探测技术理论

第一节 门控探测技术的理论基础

2．1．1 门控探测技术原理

2．1．2 最佳门控宽度

第二节 门控探测的数字电路实现方式和应用范围

第三节 基于门控探测技术的荧光寿命曲线拟合

2．3．1 单指数荧光寿命曲线拟合

2．3．2 多指数荧光寿命曲线拟合

第四节 本章小结

第三章 门控单光子计数的CMOS像素单元

第一节 单光子雪崩二极管(SPAO)的结构原理

第二节 传统的模拟CMOS像素单元

第三节 改进的CMOS像素单元理论基础

3．3．1 改进型像素单元组成部分

3．3．2 选通门电路部分的实现

3．3．3 模拟计数器部分的实现

第四节 新型CMOS图像传感器

3．4．1 新型CMOS像素单元的工作原理

3．4．2 新型CMOS像素单元的仿真

第五节 本章小结

第四章 像素阵列的噪声

第一节 图像传感器系统框图

第二节 图像传感器的噪声来源分析

第三节 模拟部分的噪声对ADC性能的影响

第四节 本章小结

第五章 滤波器的设计实现

第一节 滤波器的选择

第二节 基准电路的实现

第三节 滤波器OTA单元的设计

5．3．1 传统OTA结构

5．3．2 改进型OTA结构

第四节 滤波器的仿真

5．4．1 整体滤波器的实现

5．4．2 滤波器除噪能力的仿真

第五节 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果