sCMOS：科学成像的卓越之选

一、sCMOS 初印象

sCMOS，即科学级 CMOS（scientific CMOS），是 CMOS 的一种特殊类型，在科研领域发挥着至关重要的作用。它诞生于 2009 年，基于 CMOS 的架构，通过一系列先进技术克服了传统 CMOS 的一些缺点。

sCMOS 的图像生成机理同样基于光电效应，其工作过程包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与传统 CMOS 不同的是，sCMOS 通过片上相关多采样降低噪声，调整半导体掺杂比例提高像素满阱容量，采用大小增益双路读出合成高动态范围图像技术提高动态范围，利用二维无缝拼接技术实现大靶面等。这些技术使得 sCMOS 实现了低噪声、高帧频、高动态范围、高分辨率、大靶面等优异性能。

目前，sCMOS 已被广泛应用于生物、物理等科研领域。在生物领域，它可以用于高分辨率的细胞成像、蛋白质分析等；在物理领域，可用于微观结构的观测、光学实验等。由于其专门为科研需求设计，与民用领域的 CMOS 感光器件在性能和应用场景上有很大的区别。sCMOS 在科研领域的广泛应用，为科学家们提供了强大的工具，推动了科学研究的不断发展。

二、sCMOS 的发展历程

（一）从 CMOS 到 sCMOS 的演进

CMOS 工艺技术经历了多个阶段的发展。最初是 PMOS 工艺，出现在 20 世纪 60 年代，是最早出现的 MOS 工艺技术。PMOS 器件是制备在 n 型衬底上的 p 沟道器件，依靠空穴作为载流子进行导电工作，但空穴的迁移率较低，所以 PMOS 器件的速度很慢。随后在 20 世纪 70 年代初期，NMOS 工艺出现。NMOS 器件的工作导电载流子是电子，比空穴具有更高的迁移率，因而用 NMOS 工艺技术制造的集成电路性能比 PMOS 工艺更高，很快取代了 PMOS 制程技术。1963 年，C.T.Sah 和 Frank Wanlass 提交了一篇关于 CMOS 工艺制程技术的论文，首次在半导体业界提出 CMOS 工艺制程技术，CMOS 是把 NMOS 和 PMOS 同时制造在一个衬底上组成集成电路，其静态功耗几乎接近为零，很好地解决了 NMOS 的功耗问题。随着技术的不断发展和科研需求的增加，2009 年，sCMOS 诞生，它在 CMOS 的基础上，通过一系列先进技术克服了传统 CMOS 的一些缺点，在科研领域发挥着重要作用。

（二）图像传感器架构的演变

CMOS 图像传感器架构从传统的前照式结构发展而来。在最初的前照式结构中，入射光必须由光电二极管通过金属线包围的间隙收集，很难减小传感器的像素尺寸。随着技术的发展，背照式结构出现，大大提高了灵敏度并允许金属布线的灵活性。由于晶圆键合和极其均匀的晶圆减薄技术，背照式结构已成为图像传感器的热门产品。图像传感器逐渐向堆叠结构发展，其中逻辑电路直接集成在基底晶片上。堆叠工艺允许更先进的 CMOS 工艺中高度并行的模数转换器和信号处理元件的更高集成度，独立于为像素光电二极管定制的传感器工艺。堆叠设备结构继续极大地改变图像传感器架构。

（三）手机 CMOS 的发展之路

手机 CMOS 的发展历程丰富多样。2000 年，夏普手机 J-SH04 成为业界第一台搭载摄像头的手机，标志着手机拍照时代的开始。之后，手机厂商开始重视手机拍照功能，像素不断提升。2010 年摩托罗拉 XT720 将摄像头升级到 800 万像素，手机厂商很快开始了 “堆像素” 的技术进程。但消费者发现，快速增长的像素并未带来相应的拍照效果改善，还带来了低光效果极差、对焦速度太慢的缺点。随着谷歌初代 Pixel 与三星 Galaxy S7 系列的发布，“高像素” 与 “全像素双核对焦” 两个新的技术方向出现。2019 年，小米 CC9 Pro 与小米 10 系列将 1 亿像素 CMOS 推向了主流市场，大批大底高像素手机随之涌现。然而，高端 CMOS 具有很高的技术壁垒，加上要与厂商的镜头尺寸、芯片相匹配，发展历程一波三折。目前，索尼控制着智能手机图像传感器市场，其一英寸大底目前只在 Xperia PRO-I 上独享。

三、sCMOS 的工作原理

（一）CMOS 电路基础

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种由 p 型和 n 型 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）组成的半导体技术。CMOS 反相器作为基本的逻辑门之一，由一个 PMOS 管和一个 NMOS 管组成，其工作过程如下：当输入为低电平时，对于下管有 Vgs<Vgs (th)，NMOS 截止；对于上管有 | Vg1s1|>|Vgs (th)|，且 | Vg1s1 | 足够大，PMOS 管进入可变电阻区，管压降很小，输出为高电平，接近电源电压。当输入为高电平时，对于上管有 | Vg1s1|<|Vgs (th)|，PMOS 截止；对于下管有 Vgs>Vgs (th)，且 Vgs 足够大，NMOS 管进入可变电阻区，管压降很小，输出为低电平，接近地电位。

（二）sCMOS 传感器独特之处

sCMOS 传感器在工作原理上有其独特之处。与传统的图像传感器不同，sCMOS 传感器能够将每个像素中的电荷数据完整地传输到下一个像素，确保图像信息的准确传递。同时，在每个像素旁都配备有放大器，这一设计能够显著提升图像的清晰度。例如，科学级 sCMOS 相机采用了 “诱导电荷放大” 技术，将所有像素的电荷收集在一个共同的输出上，大大提高了灵敏度和信噪比。通过这种方式，sCMOS 传感器能够捕捉到微弱的信号和弱光场景，实现高灵敏度的成像。此外，sCMOS 相机通常具有高帧率，能够实现高速成像，这得益于其独特的架构设计。sCMOS 传感器的像素大小通常小于 1μm，能够提供高分辨率的图像，满足科学研究等领域对高精度成像的需求。宽动态范围一般大于 10,000:1，能够实现更广泛的亮度范围成像，适应不同光照条件下的拍摄需求。

四、sCMOS 的优势

（一）高速摄影中的卓越表现

sCMOS 在高速摄影领域展现出卓越的性能。其高灵敏度使得它能够在低光照条件下捕捉到细微的变化，即使是微弱的光线也能被有效地转化为电信号，为科学研究和工业应用提供清晰的图像。例如，在天体物理学中，sCMOS 相机可以监测到恒星爆炸、彗星撞击等快速发生的天文事件，即使这些事件发出的光线非常微弱，sCMOS 也能准确地捕捉到关键信息。

低噪声特性保证了图像的质量。在高速摄影中，噪声会严重影响图像的清晰度和准确性，而 sCMOS 的低噪声性能使得它能够在高速读出的同时保持图像的高质量。例如，在生物学研究中，sCMOS 相机可以观察和记录细胞内部的快速过程，如蛋白质运动、信号传导等，低噪声特性使得研究人员能够清晰地看到这些瞬态事件的细节，从而更深入地了解生命过程。

高速读出是 sCMOS 的另一大优势。与传统的 CCD 或 CMOS 相机相比，sCMOS 相机具有更快的读出速度，能够捕捉到更快的事件。这对于高速摄影来说至关重要，因为它可以减少图像的模糊和失真，提高图像的分辨率和准确性。例如，在材料科学中，sCMOS 相机可以用于高速捕捉材料的断裂、变形等动态过程，高速读出能力使得研究人员能够实时观察材料的变化，为材料的设计和改进提供重要的依据。

大视野也是 sCMOS 的一个重要优势。sCMOS 相机通常具有更大的芯片尺寸，提供更广阔的视野，有助于观察更大范围的样本或场景。例如，在工业检测中，sCMOS 相机可以用于高速检测生产线上的产品质量，大视野可以同时检测多个产品，提高生产效率并减少废品率。

（二）与其他传感器的对比优势

与 CCD 相比，sCMOS 在多个方面具有优势。在开关频率方面，sCMOS 相机可以达到高达 100s fps，而 CCD 则为～20 fps。这是因为 sCMOS 每列都有一个关联的 ADC，因此需要处理一小部分数据，使得处理速度更快。在工作电压方面，sCMOS 能够适应更高的工作电压，非常适合 800V 及以上电驱动系统，满足车辆快速充电等需求。在温度方面，sCMOS 更高的工作温度，可靠性更高。其自身的工作温度可达 600°C，远高于 CCD 的工作温度。在损耗方面，sCMOS 更低的开关损耗，减少散热器体积达 30% 以上。在 25°C 结温下，SiC 关断损耗大约是 IGBT 的 20%；在 175°C 结温下，SiC 关断损耗大约是 IGBT 的 10%。在系统效率方面，sCMOS 给电驱系统带来的优势明显，增加续航里程，实现轻量化，降低整车成本及使用成本。

与 IGBT 相比，sCMOS 在开关频率上更高，最高可达 100MHz，远高于 IGBT 的 100kHz。在工作电压和温度方面也具有优势，适合 800V 及以上电驱动系统，工作温度可达 600°C。在损耗方面，SiC 给电驱系统带来的优势包括减小薄膜电容、磁性元件的容量及体积，可实现电驱动系统小体积、轻量化及优良的 NVH 指标。同时，sCMOS 在高 CLTC/NEDC 系统效率方面表现出色，增加续航里程，实现轻量化，目前长续航车型可实现整车降本。

尽管 sCMOS 面临成本和数据处理的挑战，但其性能优越，随着技术的不断进步和成本的降低，预计 sCMOS 将在未来的科学研究和工业应用中发挥越来越重要的作用。

五、sCMOS 的应用领域

（一）生物物理科研领域的广泛应用

sCMOS 在生物物理科研领域发挥着重要作用。在生物学研究中，sCMOS 相机可用于细胞成像，其高分辨率能够清晰地捕捉细胞的细微结构，如细胞膜、细胞器等。例如，研究人员可以利用 sCMOS 相机观察细胞分裂过程中染色体的变化，或者追踪细胞内蛋白质的运动轨迹。在蛋白质分析方面，sCMOS 相机能够对蛋白质进行高灵敏度的检测，通过荧光标记技术，可以实时监测蛋白质的表达、定位和相互作用。

在物理学研究中，sCMOS 相机可用于微观结构的观测。例如，在材料科学领域，研究人员可以使用 sCMOS 相机观察材料的晶体结构、缺陷和相变等现象。通过高速成像功能，sCMOS 相机还可以捕捉材料在受力、加热或冷却等过程中的动态变化，为材料的性能研究和改进提供重要的实验数据。此外，在光学实验中，sCMOS 相机可以用于测量光的强度、波长和偏振等特性，为光学理论的验证和新光学技术的开发提供支持。

（二）相机制冷方式与专业需求

科学相机的制冷方式多种多样，不同的制冷方式适用于不同的应用场景。半导体制冷是目前科学相机最常用的制冷方式之一，其原理是利用 “帕尔帖” 效应，通过直流电在两种不同导体的接头处产生吸热和放热现象，将吸热部分靠近图像传感器芯片，从而实现制冷。这种制冷方式具有结构简单、体积小、重量轻等优点，但制冷效果相对较弱，一般只能将芯片温度降低到 - 25℃左右。

风冷是另一种常见的制冷方式，通过风扇转动使空气流动，与散热器进行热交换来降低芯片温度。风冷的优点是成本低、易于维护，但缺点也很明显，即有振动和噪声大，可能会对相机的稳定性和成像质量产生影响。

水冷则是一种更为高效的制冷方式，先用液体（水、乙醚、制冷液的混合）把芯片的热量吸收，再通过水泵使液体流动起来，把热传导到散热器，从而把热量散发出去。水冷的散热效果比风冷好，而且静音，但缺点是散热器的体积有点大。

液氮冷却的制冷温度可达 - 120℃，但液氮散热器的工艺复杂，造价过于昂贵，一般只在一些特殊的科研项目中使用。

在天文专用相机中，sCMOS 得到了广泛应用。由于天文观测需要长时间曝光，芯片容易发热产生噪声，影响成像效果。因此，天文专用相机通常需要对感光芯片进行深度制冷，来降低暗电流。sCMOS 相机的低噪声、高灵敏度和高分辨率等特点，使其成为天文观测的理想选择。例如，在观测恒星、星系等天体时，sCMOS 相机可以捕捉到微弱的光线，提供清晰的图像，帮助天文学家研究天体的结构、演化和物理性质。此外，sCMOS 相机的高帧率和大视野也为天文观测带来了便利，可以快速捕捉天体的变化，同时观察更大范围的天空区域。