IEC 60747-18-52023 半导体器件.第18-5部分半导体生物传感器.通过光入射角对无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块的光响应特性的评估方法标准立项发展报告

半导体器件第18-5部分：半导体生物传感器通过光入射角对无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块的光响应特性的评估方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Semiconductordevices-Part18-5:Semiconductorbiosensors-Evaluationmethodforlightresponsivitycharacteristicsoflens-freeCMOSphotonicarraysensorpackagemodulesbyincidentangleoflight摘要随着生命科学、临床诊断和环境监测等领域对高灵敏、高通量生物检测技术的迫切需求，半导体生物传感器已成为融合微电子学与生物技术的前沿方向。其中，无透镜CMOS光子阵列传感器凭借其免标记、实时检测、微型化集成等突出优势，在数字微流控、细胞成像和分子诊断等应用场景中展现出广阔前景。然而，该类型传感器封装模块的光响应特性受入射光角度影响显著，缺乏统一的评价方法直接制约了器件性能的可比性、可靠性与标准化进程。本标准（IEC60747-18-5:2023）由国际电工委员会（IEC）发布，针对上述技术缺口，系统规定了通过光入射角对无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块光响应特性的评估方法。标准内容涵盖测试条件定义、入射光角度扫描程序、数据采集与处理、响应特性参数计算及报告要求等关键环节，旨在为全球范围内的制造商、检测机构和用户提供统一、可重复的技术依据。本报告对该标准的立项背景、技术内容架构、国内外相关标准化现状、主要参与单位及其行业影响进行了系统梳理与分析，并对标准实施后的应用前景和后续标准化方向进行了展望。该标准的发布填补了半导体生物传感器光电特性评价领域国际标准的空白，对促进生物传感技术的规范化发展和产业生态的成熟具有重要意义。关键词：半导体生物传感器；无透镜CMOS光子阵列传感器；光响应特性；入射角；IEC标准；标准化Keywords:Semiconductorbiosensors;Lens-freeCMOSphotonicarraysensor;Lightresponsivitycharacteristics;Incidentangle;IECstandard;Standardization一、引言1.1研究背景生物传感器作为连接信息技术与生命科学的关键器件，近年来在医疗健康、食品安全、环境保护及国防安全等领域获得了日益广泛的应用。其中，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的光子阵列传感器，以其高集成度、低功耗和批量制造成本优势，成为新一代无透镜生物检测平台的核心部件。与传统光学显微系统不同，无透镜成像技术利用相干光照射样品后产生的衍射图案，通过算法重建获得样品信息，从而省去物镜等光学元件，大大简化了系统结构并拓宽了便携式应用场景。然而，无透镜CMOS光子阵列传感器在实际封装为模块后，其光响应性能强烈依赖于入射光的角度。光线以不同角度入射时，由于封装层的折射效应、像素间的光学串扰、微透镜阵列的耦合效率变化等因素，传感器的输出信号会产生显著差异。这一特性直接影响测量结果的准确性和重复性，进而制约了该类器件在定量生物检测中的可靠性。1.2标准化需求分析尽管CMOS图像传感器的性能评价已有相对成熟的国际标准（如EMVA1288等），但针对半导体生物传感器这一特殊应用场景，特别是无透镜光子阵列传感器封装模块在变角度入射条件下的光响应特性评估，尚缺乏统一的国际标准。不同制造商提供的器件性能数据往往因测试条件不一致而缺乏可比性，用户在实际选型和系统集成中面临较大困难。因此，制定一项专门针对该领域的国际标准，建立统一的光响应特性评估方法，已成为产业界的共同呼声。二、标准立项概况2.1标准基本信息本标准编号为IEC60747-18-5:2023，隶属于国际电工委员会（IEC）第60747系列标准族——半导体器件标准的第18部分，该部分专门针对半导体生物传感器领域。标准全称为"半导体器件第18-5部分：半导体生物传感器通过光入射角对无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块的光响应特性的评估方法"。标准于2023年3月16日正式发布，采用英文版本，当前状态为现行有效。其国际标准分类号（ICS）归属于其他半导体分立器件类别，由国际电工委员会（IEC）作为发布机构，面向全球范围内推广应用。2.2标准的技术定位IEC60747-18-5:2023在IEC60747-18系列标准中处于专项测试方法标准的位置。该系列中的其他标准分别覆盖了生物传感器的一般术语定义、性能表征框架及具体测试方法等不同层面，而本标准则聚焦于无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块的光响应特性评估，是该系列中第一项专门针对光入射角影响制定的国际标准。2.3标准制定历程本标准自提案阶段起经历了系统性的制定过程。在IEC技术委员会TC47（半导体器件）下属的WG7工作组框架下，来自多个成员国（包括中国、日本、韩国、德国、美国等）的专家针对测试方法的科学性和可操作性进行了多轮技术论证。在委员会草案（CD）阶段，各方就入射角扫描范围、光源稳定性要求、测试环境条件控制等关键技术参数进行了充分讨论，最终形成了国际标准草案（DIS）。经各成员国投票表决通过后，于2023年3月正式发布为国际标准。三、标准技术内容分析3.1标准适用范围本标准适用于无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块的光响应特性评估，涵盖器件的光谱响应范围、光入射角响应均匀性、角度敏感性等关键参数。标准所述的无透镜CMOS光子阵列传感器指在CMOS图像传感器芯片上集成了像素阵列，且在工作时无需借助额外光学透镜组即可实现生物样品检测的器件类型。其典型应用包括但不限于数字PCR荧光信号检测、无标记细胞监测、免疫层析定量读取等生物医学检测场景。3.2标准框架结构标准在结构上遵循了国际标准的通用范式，主要包含以下技术章节：-范围：明确标准的适用对象和边界条件；-规范性引用文件：列出了标准制定过程中引用的其他国际标准和技术规范；-术语和定义：对无透镜CMOS光子阵列传感器、光响应度、入射角、等效量子效率等关键术语进行统一定义；-测试条件：详细规定了标准大气条件、电源条件、光源特性（波长、带宽、稳定性、均匀性）、暗室条件等；-测试装置：对光源系统、角度旋转台、光功率计、数据采集系统等提出了具体技术要求；-测试程序：包括样品准备、入射角度设置、光强校准、信号采集、背景扣除等操作流程；-数据处理与计算：规定了光响应度随入射角变化的计算方法和表达方式；-报告要求：明确了测试报告应包含的器件信息、测试条件、原始数据、处理结果及不确定度分析等内容。3.3核心技术要点3.3.1入射角扫描方案标准规定以垂直入射（0°）为参考基准，在规定的入射角范围内（典型为-60°至+60°）以固定步长进行扫描测量。扫描步长的选择需兼顾测量分辨率与测试效率，标准推荐在关键角度区域（如±10°以内）采用更精细的步长。每个角度下的测量需保证足够的光积分时间和信号平均次数，以降低随机噪声的影响。3.3.2光响应特性参数定义标准定义了多项关键评价参数，包括：-角度响应度：在指定入射角下，传感器输出信号与入射光功率之比；-归一化响应度：各入射角下的响应度相对于0°入射角响应度的比值；-半高全宽角：归一化响应度下降到峰值50%时所对应的角度范围；-响应不均匀性：在规定角度范围内响应度的最大相对偏差。3.3.3不确定度评定标准引入了测量不确定度的评定框架，要求测试报告中对各测试结果给出不确定度估计，包括A类不确定度（基于统计方法评定的随机效应）和B类不确定度（基于非统计方法的系统效应），并按照ISO/IECGuide98-3（GUM）的原则进行合成。四、国内外标准化现状与对比分析4.1国际标准化现状在国际电工委员会框架下，半导体器件标准化工作主要由TC47（半导体器件）技术委员会负责。TC47下设有多个分技术委员会和工作组，其中WG7专注于传感器领域。IEC60747系列标准是半导体器件领域最基础、最权威的标准体系，覆盖分立半导体器件、集成电路、传感器等广泛领域。在光电器件测试方法方面，IEC60747-5系列对光电探测器和光伏器件建立了基础的测试框架。然而，面向生物传感器这一新兴交叉领域的光电特性评价标准此前在IEC体系中处于空白状态。本标准的发布填补了这一空白，为后续其他类型生物传感器的标准化工作奠定了方法学基础。4.2国内标准化现状近年来，我国在生物传感器标准化方面取得了显著进展。全国半导体器件标准化技术委员会（SAC/TC78）积极跟踪IEC/TC47的工作动态，并组织国内优势科研单位和龙头企业参与相关国际标准的制定工作。在半导体生物传感器领域，国内已先后制定了多项行业标准和团体标准，但在无透镜CMOS光子阵列传感器光响应特性评价这一细分方向上，国内标准尚在起步阶段，主要参考IEC60747-18-5:2023的技术框架进行转化研制。4.3对比分析相较于此前国际上通行的CMOS图像传感器性能评价规范（如EMVA1288标准），IEC60747-18-5:2023在以下几个维度体现了其特殊性和创新性：|对比维度|EMVA1288|IEC60747-18-5:2023||---------|-----------|-------------------||适用对象|通用图像传感器|无透镜生物传感器封装模块||核心关注点|灵敏度、噪声、动态范围|光响应度对入射角的依赖性||测试条件|垂直入射为主|变角度扫描为主||应用导向|机器视觉、摄影|生物医学检测||术语体系|光子转移法|生物传感器专用术语框架|五、主要参与单位及其贡献5.1国际电工委员会（IEC）国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）成立于1906年，是制定和发布国际电工电子领域标准的全球性组织，总部位于瑞士日内瓦。IEC的成员包括全球170多个国家和地区，其标准体系覆盖电力、电子、通信、医疗设备、新能源等广泛领域，是WTO/TBT协议框架下国际标准的重要来源之一。在半导体器件标准化领域，IEC第47技术委员会（TC47）负责半导体器件和集成电路领域的标准化工作，其标准在国际贸易、技术交流和产业协作中发挥着基础性作用。IEC60747-18-5:2023是TC47框架下应对生物传感器技术发展需求而制定的重要标准，体现了IEC在新兴交叉技术领域的前瞻布局。5.2TC47/WG7工作组该标准的具体技术工作由TC47下属的WG7工作组承担。WG7汇集了来自全球主要半导体器件制造商、独立测试机构、科研院所和高校的技术专家，围绕半导体传感器的术语定义、特性表征和测试方法开展工作。工作组成员基于各自在CMOS图像传感器、微流控生物芯片、光电检测系统等方向的技术积累，为标准技术内容的科学性和可操作性提供了有力保障。5.3中国参与单位的贡献中国作为IEC的重要成员国，深度参与了IEC60747-18-5:2023的制定工作。国内多家半导体器件制造商、生物检测仪器企业和科研机构在标准制定过程中贡献了大量测试数据和工程实践经验，特别是在封装模块的角度响应特性评价、测试装置搭建与验证等方面发挥了积极作用，推动了标准技术内容的完善和优化。六、标准实施的意义与影响6.1对产业发展的促进本标准的发布为全球无透镜CMOS光子阵列传感器封装模块的制造商和用户提供了一个统一的性能评价基准。对于制造商而言，按照该标准进行产品性能测试和标注，有助于增强产品数据的透明度和可比性，提升用户对产品的信任度。对于系统集成商和终端用户而言，基于统一标准进行器件选型和验收，能够有效降低技术沟通成本，提高系统设计效率。6.2对技术进步的推动由于光响应特性的角度依赖性直接关系到无透镜生物传感器在真实应用场景中的测量准确性和可靠性，本标准的实施将促使制造商从器件设计、封装工艺到系统校准等多个环节更加注重角度响应特性的优化，推动器件整体性能水平的提升。同时，统一的评价方法也将为高校和科研机构的学术研究提供规范的数据获取途径，促进技术成果的快速转化。6.3对国际贸易的影响标准作为国际贸易中技术协调的重要手段，本标准的发布消除了各国家和地区之间在半导体生物传感器性能评价方法上的差异，有利于减少贸易技术壁垒，促进全球范围内该类产品的自由贸易和技术交流。同时，也为我国家相关产品的出口提供了与国际接轨的技术依据，增强了国际竞争力。七、标准实施建议与展望7.1实施建议在标准实施过程中，建议相关企业和检测机构重点关注以下方面：-加强对标准技术内容的系统学习和培训，确保测试人员准确理解标准要求；-按照标准要求完善测试装置和测试环境建设，确保测试条件的符合性；-在测试报告中充分体现不确定度信息，增强数据科学性和可信度；-积极参与国内标准化技术委员会组织的标准宣贯活动，及时反馈实施中发现的问题。7.