Ｓ／Ｎ比８０ｄＢ超・広光波長帯域ＣＭＯＳ撮像素子による吸光・発光イメージング

使用信噪比超过 80 dB 和宽光学波长带的 CMOS 图像传感器进行吸收/发射成像

基本信息

批准号：
18J20657
负责人：
藤原康行
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高精度な吸光分析を2次元画像として実現するために、高いSNRと、紫外から近赤外の広光波長帯域における高い量子効率を同時に実現するCMOSイメージセンサを開発すること、また、その応用として非侵襲での血糖値測定の基礎技術を確立する研究に取り組んだ。１次試作センサの追加測定を行い、10フレームを平均化することでSNR80dBが達成できること及び紫外から近赤外の広光波長帯域での高量子効率を確認した。また、測定対象物質の要求測定濃度の吸光度から測定に必要となるSNR及びCMOSイメージセンサの設計パラメータを算出するフローを提案し、要素技術を集積化し、具現化する手法を確立した。これらの結果を、『IEEE Transactions on Electron Devices』やオンラインセミナー講演他にて報告した。2次試作センサでは、飽和電子数を1億個以上とするために、画素内容量部を2枚のウエハに分割する積層構造を提案、設計し、単一露光で飽和電子数1億個超、裏面照射化により開口率100％を達成する見込みを得た。以上の結果より、紫外光から近赤外光までの広い波長範囲で高い量子効率を持ち、最高SNRが80dB以上を有し、高精度吸光分析に適用できるCMOSイメージセンサが創出できたと結論づける。非侵襲血糖値測定に向けた取り組みとしては、血液を用いた検量線取得の高精度化及び生体を用いた吸光イメージングに取り組んだ。検量線取得に関しては、血液分析装置を新たに用い、血液成分と吸光度の関係を詳細に解析することで、より高精度な検量線を安定的に測定する方法を明らかにし、特願2021-025482及び特願2021-025483の2件を共同発明者として特許出願した。生体の吸光イメージングに関しては、可搬性を有する小型プロトタイプ機の設計に着手した。以上より、非侵襲での血糖値測定の基礎技術を確立したと結論づける。

为了实现二维图像的高精度吸收分析，我们需要开发一种在从紫外到近红外的宽光学波长带内同时实现高信噪比和高量子效率的CMOS图像传感器。有创血糖水平测量的基础技术。我们对第一个原型传感器进行了额外的测量，并确认通过平均 10 帧可以实现 80 dB 的 SNR，并且它在从紫外到近红外的宽光学波长带内具有高量子效率。我们还提出了根据待测物质所需测量浓度的吸光度来计算测量所需的 SNR 和 CMOS 图像传感器设计参数的流程，并建立了集成基本技术并实施它们的方法。这些结果发表在《IEEE Transactions on Electron Devices》和在线研讨会上。为了将第二个原型传感器的饱和电子数提高到1亿以上，我们提出并设计了将像素内部容量分成两片晶圆的堆叠结构，并实现了单次曝光的饱和电子数超过1亿，预计通过背面照明将实现100%的孔径比。根据以上结果，我们得出的结论是，我们创造了一种 CMOS 图像传感器，该传感器在从紫外光到近红外光的宽波长范围内具有高量子效率，最大 SNR 为 80 dB 或更高，并且可应用于高-精密吸收分析。作为我们致力于无创血糖水平测量的一部分，我们致力于提高使用血液和活体生物体吸光度成像获得校准曲线的精度。关于校准曲线的获取，我们作为共同发明人明确了通过使用新型血液分析仪并详细分析血液成分与吸光度之间的关系来稳定地测量更准确的校准曲线的方法。关于活体生物体的吸光度成像，我们已经开始设计一种小型便携式原型设备。综上所述，我们已经建立了无创血糖水平测量的基础技术。