應(yīng)用于FLIM的SPAD圖像傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、熒光壽命顯微成像技術(shù)（FLIM）是目前生物學(xué)研究中十分強(qiáng)大的成像手段。不同于傳統(tǒng)的熒光強(qiáng)度成像，F(xiàn)LIM的結(jié)果不會受到激發(fā)激光強(qiáng)度、樣品猝滅和熒光染料濃度分布等因素的影響，并且降低了對光學(xué)濾鏡的要求。然而目前該技術(shù)的諸多不足限制了它的廣泛使用。但是隨著CMOS制造工藝以及單光子光電雪崩二極管（SPAD）器件本身的發(fā)展，將SPAD FLIM系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝結(jié)合，進(jìn)而增加成像系統(tǒng)的集成度以及成像幀頻成為可能，這有望使FLIM成為高度集

2、成的全新生物傳感平臺。所以本文對用于FLIM的SPAD圖像傳感器的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　本文首先分析了基于時(shí)間相關(guān)單光子成像技術(shù)（TCSPC）的FLIM的工作原理，以及SPAD的工作原理?；谏w革工作模式，對SPAD的暗計(jì)數(shù)率以及光子檢測概率進(jìn)行了分析與建模，并提出了一種相應(yīng)的器件仿真方法；針對FLIM的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了一種全并行基于事件驅(qū)動讀出的新型讀出方式，旨在解決傳統(tǒng)SPAD圖像傳感器數(shù)據(jù)率過高的問題，使基于SPAD

3、圖像傳感器實(shí)現(xiàn)高速FLIM成為可能；針對TCSPC還原壽命算法質(zhì)心法、最大似然估計(jì)法以及最小二乘法，使用蒙特卡洛仿真分析了事件驅(qū)動讀出方式對熒光壽命還原誤差的影響。
　　本文通過理論分析、器件仿真、電路仿真完成了SPAD器件結(jié)構(gòu)驗(yàn)證芯片的設(shè)計(jì)，并采用0.13μm CMOS工藝完成了原型驗(yàn)證芯片的投片。另外本文提出了一種應(yīng)用于FLIM的16×16的SPAD圖像傳感器芯片架構(gòu)，并對關(guān)鍵的電路模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括像素淬滅電路、鎖相環(huán)、時(shí)