一种新型集成荧光传感器设计与实现*

施朝霞，曹全君，常丽萍

（浙江工业大学信息学院浙江省光纤通信技术重点研究实验室，浙江杭州 310023）

0 引言

荧光检测是目前生物化学领域广泛使用的超敏检测技术。传统的荧光检测系统利用分立的光电倍增管或者雪崩二极管作为检测传感器，需要配合复杂的光路系统，不利于微弱荧光信号的检测和检测系统的微型化［1，2］。CMOS工艺兼容的光电传感器由于其低成本、低功耗、与信号处理电路单片集成正逐渐取代传统的检测传感器［3］。

本文基于标准CMOS工艺，设计了一种新型的集成荧光传感器，荧光传感单元采用了宽波长响应和更高光电转换灵敏度的双结深PN结光电二极管结构;采用电容跨阻抗放大器（capacitive trans impedance amplifier，CTIA）有源像素电路替代了传统的3T有源像素电路，具有更高的灵敏度和线性输出范围。该集成荧光传感器结构通过0.5μm CMOS工艺流片验证，测试数据表明:采用双结深PN结光电二极管CTIA有源像素电路结构对微弱的荧光信号具有更高的测试灵敏度。

1 双结深PN结光电二极管

光电二极管的设计主要是利用了半导体的光电效应，光在硅片中的穿透深度与光波长有关，浅PN结光电二极管对短波长光具有较高的灵敏度，深PN结光电二极管对长波长光具有较高的灵敏度［4］。基于CMOS工艺的单结深光电二极管结构可采用 P+/Nwell，Nwell/Psub结构，如图1（a）所示。本文提出了一种新型的双结深PN结光电二极管结构，如图1（b）所示，该双结深PN结光电二极管由浅结光电二极管P+/Nwell和深结光电二极管Nwell/Psub并联而成，其中P+和Psub并联构成双结深PN结的阳极，共用的Nwell构成双结深PN结的阴极。

P+/Nwell/Psub光电管可看成是2个PN结的并联，总的光生电流由四部分构成:1）Nwell区内的耗尽层漂移电流Jdrift1;2）Nwell底部的扩散电流Jdiff1;3）Psub区内的耗尽层的漂移电流Jdrift2;4）Psub底部的扩散电流Jdiff2。可推导出双结深PN光电二极管的光生电流密度表达式［5］

图1 CMOS工艺兼容的PN结光电二极管Fig 1 PN junction photodiode compatible with CMOS process

其中，Φ为器件表面光通量，α为硅对入射光的吸收系数，X1为P+区宽度，Wn为浅结 P+/Nwell耗尽区宽度，X2为Nwell区宽度，Wp为深结Nwell/P-sub耗尽区宽度，Dp为Nwell中空穴扩散系数，Lp为空穴扩散长度，Dn为P-sub中电子扩散系数，Ln为电子扩散长度。

根据0.5 μm CMOS工艺参数，结合前面理论推导公式，利用Matlab对3种不同结构的PN光电二极管器件进行了光电转换灵敏度数值模拟，PN结荧光单元光电流与入射光波长的归一化关系曲线如图2所示。从图2中可以看出:P+/Nwell浅结光电二极管的波长响应范围为350～1000 nm，在波长420 nm处产生峰值光电流;Nwell/Psub深结光电二极管的波长响应范围为400～1 000 nm，在波长600 nm处产生峰值光电流;双结深P+/Nwell/Psub光电二极管的波长响应范围为300～1000 nm，在波长550 nm处产生峰值光电流。仿真结果与理论相符，浅结的P+/Nwell光电二极管对短波吸收好，深结的Nwell/Psub光电二极管对长波吸收好，双结深P+/Nwell/Psub光电二极管的峰值波长居中。在灵敏度方面，由于双结深光电二极管结构是深浅结光电二极管的并联，在同等强度的激发光照射下，产生的光生电流为两者之和，因此，可以得到更多的光电流。根据仿真结果，采用双结深P+/Nwell/Psub光电二极管结构提高了光敏传感单元的波长响应范围和灵敏度。

图2 单双结光电二极管光电流与入射波长归一化仿真结果Fig 2 Normalized simulation results for photo current and incident wavelength of single and double junction photodiodes

2 CTIA有源像素电路和CDS时序设计

本文设计的CTIA有源像素电路如图3（a）所示，Reset信号高电平时，电路复位;Reset信号低电平时，电路通过外加的反馈电容积分转换成电压输出。光电传感的转换灵敏度与电容呈反比，传统3T有源像素电路中，光电二极管PN结自身结电容大（0.5 μm CMOS工艺传感单元100 μm ×100 μm为800 fF左右），CTIA有源像素电路可以采用小电容（本文为10 fF），因此，3T有源像素电路不能满足对微弱荧光信号的处理要求［6］。CTIA有源像素处理电路大大提高了对微弱荧光的灵敏度。另外，3T有源像素光电二极管两端的反偏电压高、暗电流大、工艺偏差造成的列偏置电流源引起的固定模式噪声很难通过后续电路消除;CTIA有源像素电路可以通过运放反馈环路为光电二极管提供很低的反偏电压来降低暗电流，同时在积分阶段光电二极管寄生电容上的电压保持不变，保证了输出的积分电压具有更好的线性度。为了消除电路的固定模式噪声，光电传感有源像素电路采用相关二次采样差分后输出，相应的电路工作时序波形如图3（b）所示。该电路工作时分为3个阶段，分别是t1复位阶段、t2积分阶段和t3保持阶段。复位阶段，CTIA有源像素电路处于复位状态，选通开关Ksel导通，传输门T1，T2导通，Sout和Rout输出相同的复位电压值;积分阶段，CTIA有源像素电路随光照线性积分输出，选通开关Ksel导通，传输门T2导通，Sout跟随线性变化输出，此时传输门T1关断，Rout保持不变;保持阶段，传输门T2关断，Sout输出保持。后续差分电路将Rout和Sout相减即可得到输出电压随光照变化的曲线，同时可以消除电路的固定模式噪声。

3 测试结果与讨论

本设计采用上华0.5 μm标准CMOS工艺进行流片验证，芯片照片如图4所示，片上集成了双结深3T有源像素阵列、CTIA有源像素传感阵列、CDS电路、数字时序控制电路、差分输出电路。

P+/Nwell/Psub双结深光电二极管波长响应测试曲线如图5所示，实验中选取了405，532，633，808 nm的LED单色光作为光源，测试了不同入射波长时光电二极管产生的光电流与同一入射波长不同光照强度时的光电流输出。根据实验测试结果，P+/Nwell/Psub双结深光电二极管在同一波长时输出光电流与光照强度呈正比，同时在波长532 nm时具有最好的灵敏度，P+/Nwell/Psub双结深光电二极管在波长405，532，633，808 nm时的灵敏度分别为1×10-9，2 ×10-8，3 ×10-10，2 ×10-10A·m2/W，与前面理论分析和仿真结果一致。

图3 CTIA有源像素电路结构图与工作时序波形Fig 3 Architecture of CTIA active pixel circuits and working timing sequence waveform

图4 光电传感芯片照片Fig 4 Photo of photoelectric sensing chip

图5 P+/Nwell/Psub双结深光电二极管波长响应测试Fig 5 Wavelength response test of P+/Nwell/Psub double-junction photodiode

实验测试比较了3T和CTIA 2种像素结构输出电压与光照强度之间的关系，有源像素电路输出电压信号与光电管的光电流（光照强度）之间存在线性关系，当输出电压由于像素电路结构限制饱和后，输出信号将不随光电流的增加而增加。3T像素结构和CTIA像素结构在暗光测试下的的灵敏度测试曲线如图6所示，测试时光照为6 lx，积分时间为310 μs，3T像素结构电压线性输出范围为79 mV，CTIA像素结构电压线性输出范围为4.17V，经计算3T像素的光电转换灵敏度为42 V/lx·s，而CTIA像素的灵敏度可以达到 2243 V/lx·s。

4 结论

图6 光电灵敏度测试曲线Fig 6 Testing curve for photoelectric sensitivity

本文基于标准CMOS工艺，设计了一种新型的集成荧光传感器，荧光传感单元采用双结深PN结光电二极管结构，有源像素电路采用CTIA结构，并通过0.5 μm CMOS工艺流片验证。根据实验测试结果，P+/Nwell/Psub在波长532 nm时具有最好的灵敏度2×10-8A·m2/W，3T像素结构和CTIA像素结构在光照为6 lx，积分时间为310 μs时的电压线性输出范围分别为79 mV和4.17 V，经计算3T像素的光电转换灵敏度为42 V/lx·s，而CTIA像素的灵敏度可以达到2243 V/lx·s。该设计表明:采用双结深PN结光电二极管作为传感单元和采用CTIA有源像素电路结构的荧光传感器对微弱的荧光信号具有更高的测试灵敏度和更宽的线性输出范围。

［1］Yotter Rachel A，Wilson D M.A review of photo detectors for sensing light-emitting reporters in biological systems［J］.IEEE Sensors Journal，2003，3（3）:288-303.

［2］Ardeshirpour Yasaman，Deen M Jamal，Shirani Shahram.Two-dimensional CMOS-based image sensor system for fluorescent detection［J］.Can J E'ect Comput Eng，2004，29（4）:231-235.

［3］Vilella E，Diéguez A.A gated single-photon avalanche diode array fabricated in a conventional CMOS process for triggered systems［J］.Sensors and Actuators A，2012，186:163-168.

［4］Zhan Zhiyong，Zhou Bin，Fu Zhenhong，et al.Filterless optical oxygen sensor based on a CMOS buried double junction photodiode［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2013，176:729-735.

［5］施朝霞，朱大中.基于CMOS工艺的双结深CTIA荧光传感器［J］.传感技术学报，2014，27（2）:153-157.

［6］周 鑫，朱大中，郭 维.基于标准CMOS工艺的有源像素单元结构的研究［J］.压电与声光，2005，27（4）:434-437.