應用于FLIM的SPAD圖像傳感器關鍵技術研究.pdf

1、熒光壽命顯微成像技術（FLIM）是目前生物學研究中十分強大的成像手段。不同于傳統的熒光強度成像，FLIM的結果不會受到激發(fā)激光強度、樣品猝滅和熒光染料濃度分布等因素的影響，并且降低了對光學濾鏡的要求。然而目前該技術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系統與標準CMOS工藝結合，進而增加成像系統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鍵技術進行了研究。
　　本文首先分析了基于時間相關單光子成像技術（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的暗計數率以及光子檢測概率進行了分析與建模，并提出了一種相應的器件仿真方法；針對FLIM的應用特點，提出了一種全并行基于事件驅動讀出的新型讀出方式，旨在解決傳統SPAD圖像傳感器數據率過高的問題，使基于SPAD

3、圖像傳感器實現高速FLIM成為可能；針對TCSPC還原壽命算法質心法、最大似然估計法以及最小二乘法，使用蒙特卡洛仿真分析了事件驅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器件結構驗證芯片的設計，并采用0.13μm CMOS工藝完成了原型驗證芯片的投片。另外本文提出了一種應用于FLIM的16×16的SPAD圖像傳感器芯片架構，并對關鍵的電路模塊進行了設計，包括像素淬滅電路、鎖相環(huán)、時