存眷国度重点研发方案“纳米科技”重点专项②
500纳米
2009年至今，团队将像素尺寸从1微米降低到500纳米，将像素规模从100万增加到4亿，研造出了世界上单芯片像素规模更大、空间辨认率更高的可见光成像芯片。
立于幕布前，举起剪裁精致的人物皮影，一出惟妙惟肖的皮电影就此退场。鲜为人知的是，皮电影里不但有中国民间传统艺术，也有启发科研人员探觅光影世界微看成像的灵感。
“假设把细胞比做皮影，把成像芯片比做幕布，那么用光将细胞投影到芯片上，就相当于将皮影投影到幕布上，所见即所得。成像芯片的辨认率足够高，能捕获的图像视野足够大，就能看到更多的细胞，同时还能清晰地看到细胞里的细节。”近日，在位于南京市东郊的一处尝试室中，南京大学电子科学与工程学院副研究员杨程拿着一块指甲盖大小的芯片，用那番比方，讲述了该团队十余年的“光影之旅”。
关于投影显微成像来说，辨认率间接受限于成像芯片的像素尺寸，视野则受限于成像芯片的像素规模。在科技部国度重点研发方案“纳米科技”重点专项的撑持下，2009年至今，该团队将像素尺寸从1微米降低到500纳米，将像素规模从100万增加到4亿，研造出了世界上单芯片像素规模更大、空间辨认率更高的可见光成像芯片。
而支持芯片手艺的核心，是原始立异手艺——垂曲电荷转移成像器件（VPS）。科研团队像搭乐高积木一样，将图像传感器中本来需要5个器件才气完成的单位像素功用，在垂曲标的目的上集成为一个同一的器件。“五合一”的像素构造，大大节约了器件空间，那使得在“寸土寸金”的芯片中，能够集成更多“瘦身”的器件。得益于那一构造的设想，VPS器件其实不会像支流的互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器一样因为像素缩小而招致成像量量急剧下降。
近期，该团队在芯片的根底上，还研造了全视野高辨认率数字芯片显微成像系统，用于临床医学查验和病理阐发。
像素尺寸无法不竭缩小
我们肉眼能看到的最小物体，大约200微米。400多年前，科学家创造光学显微镜后，微看世界的奇看才在镜片下大放异彩。不外，传统光学显微镜先是通过物镜和目镜对目标物体停止两次部分放大，然后人眼停止看察或者成像芯片笔录。看察的视场受限于光学放大的区域，也就是说，放大倍数越大，所看察的视野越小。
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被普遍地利用在数码相机和其他电子光学设备中。进进工业化时代，支流图像传感器手艺却始末无法打破像素尺寸与信噪比之间的矛盾。
“当前支流图像传感器可分为电荷耦合器件（CCD）和CMOS图像传感器（CIS）两类。CCD开展较早，但CCD工艺的特殊性和手艺的封锁性使其无法再进一步开展。”杨程介绍，相较而言，CIS更为支流。CIS摘用的是原则的CMOS工艺，工艺成本比CCD低，同时CIS得益于CMOS工艺的不竭改进而获得了快速的开展，高动态范畴、高帧频、低噪声等手艺不竭呈现。目前CMOS图像传感器性能已经得到了大幅度提拔，与CCD性能相当。别的，CIS的阵列架构为每个像素独立，各像素单位之间无彼此影响，因而废品率较高，且工做速度更快。那些使得CIS已经根本代替CCD成为了贸易市场的支流图像传感器。
“但因为CIS的单位像素由一个二极管和3—4个晶体管构成，跟着像素尺寸的进一步缩小，信噪比无法称心成像需求，那使得CIS碰着了显著的手艺瓶颈。”杨程说。
器件“瘦身”助力芯片大规模集成
能否设想一款区别于以往构造的图像传感器，从泉源进步传感器的性能？那个问题2009年进进了团队的研究视野。“2009年之后，CIS手艺碰着很大的瓶颈，像素点始末在1微米摆布踌躇，再往下缩小，信噪比也急剧下降，那就严峻影响成像量量，团队在想能否把复杂的器件构造酿成一个单一的晶体管构造，用一个器件实现5个功用。”在尝试室中，南京大学电子科学与工程学院副传授马浩文指着一张图像传感器的内部构造图向记者讲解。
记者看到，他们设想的垂曲电荷转移成像器件，像一个搭好的乐高积木，CIS器件中构成像素的5大功用模块都被垂曲堆叠起来构成一个整体。
“垂曲构造会缩小芯片的面积，降低芯片成本，但设想、加工、造造过程很困难。起首是器件构造的设想，要处理电路设想、像素之间的串扰问题，像素缩小之后，还要连结信噪比，那都需要与代工场深度协做，优化加工工艺。”马浩文阐明。
“假设把造造芯片比做盖房子，那么VPS就是盖房子的砖块，我们起首要研究怎么做砖块，再根究若何把砖块操纵更优的体例盖成房子，那涉及芯片造造中一整套工艺流程和参数。因为VPS是我国完全自主原创的倾覆性手艺，所以没有参考体味可循，需要针对VPS器件的特征量身定造芯片。”杨程表达，目前，VPS的核心专利已获得中国、美国、韩国、日本和欧盟的受权。
打破重重困难，团队先后停止了4次打破性立异。马浩文介绍，他们用了1年完成概念验证，2010年设想出100万像素规模、1微米的芯片，实现了亚微米尺寸像素，到达国际领先程度；2012年处理了器件大规模集成的问题，研造出2500万像素、950纳米尺寸的芯片；2015年将像素规模进步到1.4亿，实现了近场和远场成像；2018年，像素规模到达4亿，像素尺寸只要500纳米。那是世界上像素尺寸最小、像素规模更大、空间辨认率更高的可见光成像芯片。
兼具高辨认和大视野优势
现在，图像传感芯片已经普遍利用于体外诊断行业，与光学透镜、机械扫描安装等连系，提拔了光学检测的数字化水平。
“将成像芯片做到2500万像素的时候，我们就起头考虑芯片在医疗范畴的利用场景了。因为当像素足够小的时候，就能够用在显微范畴了。”马浩文说，目前团队正在研发的数字显微芯片也正从想象酿成现实。
在尝试室中，杨程拿出一块特殊的芯片，芯片的外表粘有一个微流腔，中间为一片通明的玻璃片，两端各有一根细短的导流管。
“微米标准的细胞等能够通过导流管注进到微流腔，平坦在成像芯片外表，光源发出光后，照在细胞上，芯片的像素能够同时摄取整个芯片外表的光信号，经光电转换，快速闪现全视野高辨认率的细胞投影图像，瞬时捕获细胞、微生物或微粒子的显微图像。”杨程阐明，得益于VPS单个晶体管的特殊像素构造，当像素尺寸越小时，能辨认的细节便越小，而当像素数目越多，看测的视野就越大。
“我们如今小批量消费的数字显微芯片，打破了光学显微镜高辨认和大视野无法兼得的矛盾，单次摄影即可霎时获取全视野高辨认率数字图像，与传统显微镜比拟视野扩展500倍，而且数字显微芯片核心部件只要一元硬币大小，放进现有的医疗仪器中能够大大缩小设备的体积，那给将来医疗器械进进社区、家庭供给很大的想象空间。”马浩文说，目前团队已完成包罗血细胞、尿、粪有构成分、阴道微生态的形态学检测及宫颈癌脱落细胞筛查等方面的初步验证。
细胞世界能够更清晰地展现于芯片之上，那也让团队脑洞大开，立异地提出在芯片上“养细胞”。“成像芯片封拆后，能够间接做为活细胞培育提拔的载体。我们在无接触、不挪动样品的前提下，初次实现了同时对数万个细胞生长形态和改变的大视场、实时动态监测。例如，芯片曾经笔录下免疫细胞吞噬人结曲肠癌细胞的全过程。”杨程说，目前现有的活细胞工做站无法比照远间隔的多个细胞统一时刻的生长形态，而他们研发的活细胞动态培育提拔监测系统，能够实时监测、笔录活细胞的“一举一动”，目前，团队已研造收工程样机，“那有看为肿瘤治疗、药物挑选等供给革命性手段”。（记者 金 凤）
来源：科技日报