IEC 60747-18-42023 半导体器件.第18-4部分半导体生物传感器.无透镜CMOS光子阵列传感器噪声特性的评估方法标准立项发展报告

半导体器件第18-4部分：半导体生物传感器无透镜CMOS光子阵列传感器噪声特性评估方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Semiconductordevices-Part18-4:Semiconductorbiosensors-Evaluationmethodofnoisecharacteristicsoflens-freeCMOSphotonicarraysensors摘要关键词：半导体生物传感器；无透镜CMOS光子阵列传感器；噪声特性；IEC60747-18-4；标准化；性能评估；光电检测Keywords:Semiconductorbiosensors;Lens-freeCMOSphotonicarraysensors;Noisecharacteristics;IEC60747-18-4;Standardization;Performanceevaluation;Photoelectricdetection1引言生物传感器是融合生物学、化学、物理学和信息技术于一体的交叉学科产物，其核心功能是将生物识别事件转化为可定量检测的物理或化学信号。近年来，随着半导体制造工艺的不断进步和光电检测技术的持续革新，基于CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺的光子阵列传感器在生物检测领域获得了前所未有的关注。特别是无透镜成像技术的引入，使得传感器无需复杂的光学系统即可实现大视场、高分辨率的生物样本成像分析，显著降低了设备体积和制造成本，为生物传感器的便携化和普及化开辟了新的技术路径。然而，技术的快速发展也对标准化工作提出了迫切需求。噪声特性作为决定传感器检测极限和测量精度的核心参数，直接关系着生物传感器的可靠性和临床可用性。不同厂商在生产过程中采用的设计方案、工艺路线和测试条件存在差异，导致其产品的噪声性能难以在同一尺度上进行公平比较。缺乏统一的噪声评估标准，不仅增加了用户的选型难度，也制约了行业的健康发展和技术进步。正是在这一背景下，IEC/TC47（半导体器件标准化技术委员会）启动了IEC60747-18-4标准的制定工作。该标准的发布标志着半导体生物传感器噪声评估正式进入国际标准化轨道，为全球范围内的相关产品研发、生产和应用提供了统一的技术依据。2标准立项背景与意义2.1技术发展背景无透镜CMOS光子阵列传感器是一种基于全息成像原理的新型生物检测器件。其基本工作原理是：当相干光照射到位于传感器感光面上方的生物样本时，样本的散射光与未散射的参考光发生干涉，在CMOS感光阵列上形成全息图，随后通过数字重构算法恢复出样本的振幅和相位信息，从而实现无透镜条件下的高分辨率成像。与传统光学显微镜相比，无透镜CMOS光子阵列传感器具有以下显著优势：其一，去除了物镜等光学元件，使系统结构大幅简化，体积可缩小至指甲盖大小；其二，视场面积由传感器芯片面积决定，可达数十平方毫米，远大于传统显微镜的单视场面积；其三，制造成本显著降低，便于大规模推广应用；其四，可实现实时动态监测，适用于活体细胞培养观察等需要连续记录的应用场景。然而，无透镜成像的质量高度依赖于传感器的噪声性能。在无透镜成像系统中，由于没有光学放大环节，传感器需要在低光条件下工作，此时传感器的暗电流噪声、读出噪声、光子散粒噪声等将直接影响图像的信噪比（SNR），进而影响生物样本检测的灵敏度和准确性。具体而言，噪声水平决定了传感器能够检测到的最小信号强度，即检测极限。在基因测序、病毒检测等应用中，检测极限直接关系着诊断结果的可靠性。此外，噪声的时域稳定性和空间均匀性也会影响长时间监测和定量分析的结果。因此，建立科学、统一的噪声特性评估方法，对于无透镜CMOS光子阵列传感器的设计优化、质量控制和应用推广具有重要的工程实践意义。2.2标准立项的必要性在IEC60747-18-4标准发布之前，国际上尚无专门针对半导体生物传感器噪声特性评估的通用标准。现有的相关标准主要包括：-IEC60747系列标准：该系列标准涵盖了各类半导体器件的术语定义、基本额定值和特性描述方法。其中第18部分为半导体传感器相关标准，但并不涉及无透镜CMOS光子阵列传感器噪声评估的具体方法。-EMVA1288标准：由欧洲机器视觉协会（EMVA）发布的图像传感器及相机特性表征标准，虽然包含了噪声、灵敏度等参数的测量方法，但其主要面向传统光学成像应用领域，未考虑无透镜成像和生物检测的特殊需求。-ISO12232标准：该标准规定了数码相机的曝光指数、ISO感光度等指标的测定方法，但同样不适用于半导体生物传感器的性能评估。上述情况导致制造商在宣称产品噪声性能时采用了各自的测试条件和计算方法，使得产品之间的性能参数缺乏可比性。同时，用户在进行系统集成和性能优化时，也缺乏权威的技术参考依据。从法规和政策层面看，多个国家和地区将生物传感器列为重点发展领域。中国政府发布的《"十四五"医药工业发展规划》中明确指出，要加快发展高性能医疗器械和体外诊断产品，推动生物传感器的技术突破和产业应用。欧盟《体外诊断医疗器械法规》（IVDR，EU2017/746）也对诊断设备的性能验证提出了更为严格的要求。在此背景下，制定统一的噪声评估标准具有迫切的现实需求。2.3标准的适用范围与定位IEC60747-18-4:2023标准属于IEC60747系列标准体系（半导体器件）的第18-4部分。标准的适用对象为：用于生物检测场景的无透镜CMOS光子阵列传感器。具体包括：-基于CMOS工艺制造的、以无透镜方式工作的光子阵列传感器芯片；-集成了信号读出电路和数据处理功能的传感器模组；-应用于生物分子检测、细胞分析、微生物检测等领域的相关器件。该标准与IEC60747系列其他部分之间的关系是：它是在IEC60747-18（半导体传感器总标准）的基础上，针对生物传感器这一特定类别制定的细分标准。标准中对噪声特性的定义和测量方法建立在IEC60747系列基础术语和通用要求之上，并针对无透镜CMOS光子阵列传感器的特殊性进行了扩展和细化。3标准主要技术内容分析3.1标准框架结构IEC60747-18-4:2023标准在整体结构上遵循了IEC标准的通用编写规范，其主要章节安排如下：-范围（Scope）：明确标准的适用对象和技术边界-规范性引用文件（Normativereferences）：列出标准实施所必需的引用文件-术语和定义（Termsanddefinitions）：统一标准中使用的专业术语-符号和缩略语（Symbolsandabbreviatedterms）：明确符号系统和单位规范-噪声特性参数定义（Definitionofnoisecharacteristicparameters）：对各噪声参数进行精确定义-测量条件（Measurementconditions）：规定测试环境、设备配置和样本要求-测量方法（Measurementprocedures）：详细描述各参数的测试步骤-数据处理与报告（Dataprocessingandreporting）：规范数据计算方法和报告格式-附录（Annexes）：提供补充技术资料和示例3.2关键术语与噪声参数定义标准首先对无透镜CMOS光子阵列传感器及其噪声相关的关键术语进行了规范化定义。其中核心的噪声参数包括：|参数名称|符号|定义描述||---------|------|---------||暗电流|I_d|在无光照条件下，传感器像素中因热激发等原因产生的暗电流大小||暗电流非均匀性（DSNU）|σ_dark|各像素暗电流的空间分布标准差，反映暗电流的空间一致性||读出噪声|σ_read|在复位和读出过程中引入的电子学噪声，以等效电子数（e⁻rms）表示||光子散粒噪声|σ_shot|由入射光子到达率的统计波动引起的噪声，服从泊松分布||时间域噪声|σ_temporal|传感器在恒定光照下输出信号的时域波动量||固定模式噪声（FPN）|σ_FPN|由像素间制造工艺偏差引起的空间域非均匀性，不随时间变化||信噪比（SNR）|SNR|信号幅度与总噪声的比值，通常以dB为单位|标准对各噪声参数的定义严格区分了“时间域噪声”和“空间域噪声”的性质差异，明确了两者在测量方法和数据处理上的区别对待原则。这一分类方法参考了图像传感器领域广泛接受的噪声分类框架，保证了与国际学术界和工业界通行概念的一致性。3.3测量条件与测试装置要求为确保测试结果的可重复性和可比性，标准对测量条件提出了明确要求：-环境条件：测试应在温度23℃±2℃、相对湿度45%±10%的标准实验室环境中进行。对于需要评估温度系数的测试，允许在-20℃至+85℃的温度范围内进行附加测量。-光照条件：对于需要光照条件的测试项目，标准规定了均匀光源的色温和照度要求，以及光源稳定性的量化指标（如光强波动应小于传感器输出波动的1/3）。-样本要求：对于生物检测场景的专项测试，标准规定了标准样本的制备方法、浓度范围和存储条件，并明确要求測試应在生物样本活性窗口期内完成。3.4噪声特性评估流程标准规定的噪声特性评估流程主要包括以下几个步骤：第一步：暗态测量。在完全无光照的条件下，采集传感器阵列的输出数据。通过多次连续采集，分离时间域暗噪声和空间域暗电流非均匀性。具体步骤为：设定积分时间后连续采集至少100帧图像数据，计算每像素的时间标准差和全帧的空间平均值、空间标准差。第二步：亮度响应测量。在均匀光照条件下，从低照度到高照度逐级增加光强，记录每个照度水平下的传感器输出。该步骤用于确定传感器输出与入射光强的线性响应区间，并在此基础上提取光子转移曲线。第三步：光子转移曲线分析。利用光子转移曲线（PhotonTransferCurve,PTC）方法，以传感器输出信号方差与均值的关系为基础，分别提取总噪声的组成部分。在PTC曲线中，低照度端以读出噪声为主，中间区域以散粒噪声为主，高照度端以固定模式噪声为主。通过对PTC曲线进行分段拟合，可分别求出读出噪声、转换增益和固定模式噪声等重要参数。第四步：信噪比计算。根据上述测量得到的数据，在不同光照水平下计算信噪比，并绘制SNR随照度变化的曲线。同时计算最小可检测信号（MDS）和动态范围。其中动态范围定义为传感器饱和信号与读出噪声之比，以dB为单位。第五步：生物样本测试（可选）。对于声称面向特定生物检测应用的传感器，标准建议在参考生物样本条件下进行附加验证测试，以确认传感器在实际应用场景中的噪声性能满足预期要求。3.5数据处理与结果报告标准对数据处理方法进行了详细规定，特别强调了以下几点：一是剔除异常像素（坏点）的判定标准和剔除比例上限（一般不超过总像素数的1%）；二是分区域（如中心区域与边缘区域）分别统计噪声参数的处理方法；三是多次测量结果取平均值时，应同时报告标准偏差以体现测量结果的离散程度。标准规定测试报告应包含以下基本信息：传感器的标识信息（型号、批次）、测试环境的详细描述、各噪声参数的具体测试结果及汇总表、测试日期和测试人员信息、所用测试装置和设备清单等。4主要起草单位介绍IEC60747-18-4:2023标准的制定汇聚了全球半导体器件和生物传感领域多家权威机构和企业的技术力量。4.1牵头起草单位：意法半导体（STMicroelectronics）意法半导体是全球领先的半导体制造商，总部位于瑞士日内瓦，在法国、意大利、新加坡、马耳他等地设有主要制造基地。作为全球最大的半导体供应商之一，意法半导体在CMOS图像传感器领域拥有超过二十年的技术积累，其产品广泛应用于智能手机、汽车电子、工业视觉和医疗健康等领域。在意法半导体的产品矩阵中，无透镜生物传感器已被确定为战略性发展方向。该公司的实验室此前已开发出基于CMOS工艺的无透镜全息成像传感器原型，可实现白细胞分类计数、细菌检测和免疫分析等应用。意法半导体拥有从传感器芯片设计、制造工艺到系统级封装测试的完整垂直整合能力，这为标准的制定提供了坚实的工程实践基础和丰富的实测数据支持。在标准制定过程中，意法半导体的技术团队贡献了其在图像传感器噪声建模与表征方面的专业知识，特别是光子转移曲线方法在CMOS传感器噪声分解中的应用经验。该公司提出的噪声测试流程和数据分析框架，构成了标准中测量方法部分的主体内容。4.2其他重要参与单位-索尼半导体解决方案公司（SonySemiconductorSolutions）：在CMOS图像传感器领域拥有领先的市场地位，为标准中噪声参数的术语定义和测试条件设定提供了重要技术支持。-三星电子（SamsungElectronics）：作为全球主要的CMOS图像传感器制造商之一，参与了标准中有关暗电流和固定模式噪声测量方法的讨论与验证。-德国弗劳恩霍夫研究所（FraunhoferInstitute）：在生物传感器应用研究方面有深厚积累，为标准中生物样本测试方法的制定提供了应用层面的建议。-日本滨松光子学株式会社（HamamatsuPhotonics）：在光子检测技术领域具有全球影响力，为标准的规范性引用文件和相关测试装置规格提供了技术输入。-中国电子技术标准化研究院（CESI）：代表中国参与标准制定，在标准体系协调性和与国际国内其他标准的兼容性方面发挥了建设性作用。5标准与现有标准体系的关系5.1与IEC60747系列标准的关系IEC60747-18-4:2023是IEC60747系列标准的一个重要组成部分。IEC60747系列标准是关于半导体器件的综合性标准体系，其各部分分别覆盖了分立器件、集成电路和传感器等不同类别的半导体器件。该标准的发布进一步丰富和完善了IEC60747系列标准的架构。5.2与相关IEC/ISO标准的关系标准在制定过程中充分参考了以下现有标准，并保持了技术内容上的协调一致：-IEC60747-14系列（半导体传感器）：该系列标准规定了各类半导体传感器的通用要求和测试方法。IEC60747-18-4:2023在术语定义和基本测试条件方面与该系列保持一致。-IEC61967系列（集成电路电磁兼容）：虽然该系列标准主要针对电磁兼容测试，但在测试环境的屏蔽要求和接地规范方面，本标准参考了其相关技术规定。-ISO5725系列（测量方法和结果的准确度）：该系列标准关于测量不确定度评估的原则和方法，被本标准在数据处理与报告部分相关条款设计中加以参考。5.3与其他国际组织标准的协调值得关注的是，IEC60747-18-4:2023在技术内容上与EMVA1288（欧洲机器视觉协会图像传感器表征标准）之间存在一定差异。两种标准的主要差异表现在：EMVA1288以传统光学成像应用为主要目标场景，其测量条件更侧重于标准光学测试环境；而IEC60747-18-4:2023则充分考虑了无透镜成像和生物检测场景的特殊性，在测试条件中增加了生物样本环境的适应性要求。6标准实施影响分析6.1对产业发展的影响IEC60747-18-4:2023标准的发布将对半导体生物传感器产业产生深远影响。首先，标准统一了无透镜CMOS光子阵列传感器噪声特性的评估方法，使不同制造商的产品性能可以在同一尺度下进行客观比较