新型高像素密度高成像质量成像器件研究结题摘要

半导体成像器件是现代信息技术中的核心器件之一，有广泛的应用与巨大的市场。目前主流成像技术的进展主要集中在工艺改进和电路设计上，本项目从器件结构优化的角度，原创性地提出一种以单个浮栅晶体管构成像素单元的新型成像器件。主要研究内容包括：采用标准集成电路制造工艺，完成原型成像器件的设计与制备，获得具有基本光电成像功能的器件。系统测试分析成像器件的光学-电学性能，探索器件的多种工作模式，深入分析获得器件光电转换过程所对相应的物理机制。根据器件的基本特性与物理原理，提出器件单元结构优化与阵列集成方案。本项目研究了实现超高像素密度和高成像质量的可见光成像芯片的器件制备方案与器件工作机制，为可见光成像芯片的发展提供了新的理论设计依据与技术解决方案。同时给出了器件集成的方法，并研制了100万像素成像芯片，实现了成像，验证了该技术的可行性。该技术在国防、科研、民用等多个领域拥有广泛的应用前景。

半导体成像器件是现代信息技术中的核心器件之一，有广泛的应用与巨大的市场。目前主流成像技术的进展主要集中在工艺改进和电路设计上，本项目从器件结构优化的角度，原创性地提出一种以单个浮栅晶体管构成像素单元的新型成像器件。主要研究内容包括：采用标准集成电路制造工艺，完成原型成像器件的设计与制备，获得具有基本光电成像功能的器件。系统测试分析成像器件的光学-电学性能，探索器件的多种工作模式，深入分析获得器件光电转换过程所对相应的物理机制。根据器件的基本特性与物理原理，提出器件单元结构优化与阵列集成方案。本项目探索实现超高像素密度和高成像质量的可见光成像芯片的器件制备方案与器件工作机制，为可见光成像芯片的发展提供新的理论设计依据与技术解决方案。

“成像器件”是天文学专有名词。来自中国天文学名词审定委员会审定发布的天文学专有名词中文译名，词条译名和中英文解释数据版权由天文学名词委所有。

中文译名成像器件

英文原名/注释image-forming device

电阻抗成像注入电流电阻抗成像（ACEIT）

注入电流电阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究历史最长的成像方法。许多早期的文献将之称为电阻抗成像（EIT），后来随着各种成像方法的提出，有些学者为了将它与其他激励方式的电阻抗成像区分开来，故将之命名为注入电流电阻抗成像（ACEIT）。后来EIT概念的外延增大，表示所有的电阻抗成像。相对于其他方式的电阻抗成像而言，ACEIT起步较早，研究得比较充分。

ACEIT的原理是，根据人体内不同组织在不同生理、病理状态下具有不同的电阻抗，通过电极给人体施加小的安全驱动电流/电压，在体外测量电压/电流信号，并依据相应的快速重组算法重建人体内部的电阻抗分布或其变化的图像。

不同的电流注入模式使成像区域内部形成的电流分布不同，测量灵敏度不同，采集信号的信噪比不相同，最终成像质量也不同。常见的注入电流模式主要包括：临近驱动模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入电流模式（opposite method）和自适应注入电流模式（adaptive method）等。

电阻抗成像感应电流电阻抗成像（ICEIT）

感应电流电阻抗成像的原理是，它在被测目标的外围放置若干个激励线圈，对其施加交变电流，在空间产生交变磁场，从而在被测目标内激励出感应电流。测量被测目标表面电极间的电压差，并用此数据重构电导率扰动的分布，从而进行目标区域电导率的动态成像。

电阻抗成像磁共振电阻抗成像（MREIT）

针对常规电阻抗成像方法只能测量成像目标区域外周边信息的问题，加拿大多伦多大学的Zhang于1992在其题为“Electrical impedance tomography based on current density”的硕士论文中提出将EIT与磁共振电流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）结合的磁共振电阻抗成像方法。

磁共振电阻抗成像技术（MREIT）就是一种把磁共振成像技术（MRI）和EIT技术结合起来的新型阻抗成像技术。MREIT技术发展的基础在于磁共振能够检测注入电流激励磁场沿磁共振主磁场方向的分量。利用这一原理，就能够测量得到注入电流在成像目标内部激励的磁场分布，进而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以计算得到注入电流在成像目标内的电流密度分布，再结合成像目标边界电压分布，利用特定算法就能够重建成像目标体的阻抗分布，这就是MREIT技术的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感应电流磁共振电阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），将非接触概念引入磁共振电阻抗成像方法。采用外部非接触线圈代替电极，将被测物放置于设计的几何中心位置，线圈通电后被测物处于交流一次磁场中，该一次磁场在被测物内部感应生成涡流产生二次磁场。二次磁场可由MRI设备测得，其中包含足够的信息用来重建图像。

电阻抗成像磁感应成像方法（MIT）

ICEIT采用电极测量成像目标体表面电压，依然存在因贴放大量电极而浪费时间和处理极不方便等困难。为此，Korjenevsky等人提出激励和测量全部采用线圈的非接触方式，通过测得的表面磁场重建电导率分布的磁感应成像方法（MIT）。应用于医学领域的磁感应成像方法的研究始于1993年，英国Swansea大学的Al-Zeibak等首次报道了用于医学的MIT实验系统，能够通过重构图像区分出脂肪与脱脂组织的轮廓和几何尺寸。

MIT的基本原理是，激励线圈产生频率的交变磁通密度，将成像目标体置于激励磁场中，成像目标区域内产生涡旋电场，由于区域内部包含导电介质，因此产生涡旋感应电流，该涡流同时会产生二次感应磁通密度并能改变原激励磁通密度的强弱和空间分布，在接收线圈上可以检测到相应的感应电压。通过检测到的测量线圈的感应电压的变化可以间接地反映导体的电导率分布，进行图像重构。由理论分析可知，二次感应磁通密度的实部由位移电流引起，与导体的介电常数有关，虚部由涡旋电流感生，与导体的电导率近似成线性关系。

电阻抗成像电磁阻抗成像（EMIT）

Levy等人提出了一种成像技术叫电磁阻抗成像（EMIT），既测量EIT的边界电压，又通过线圈记录外部磁场。他们通过数值模拟得出结论，附加的一小部分磁场的测量可以减小EIT问题的条件数，即改善了问题的病态性。

电阻抗成像电场电阻率成像（EFT）

还有另外一种完全非接触电阻抗成像方法——电场电阻率成像（EFT）[90]。这种成像方法采用与成像体非接触的电极激励交变电场，激励电极在成像目标体近表面产生感应电荷，而在远离电极的一面产生相反电荷，使得测量电压和激励电压之间的相移携带有成像目标体电阻率特性信息，进而可以建立相移与电阻率的对应关系，据此重构出成像体电阻率分布图像。

电阻抗成像磁探测电阻抗成像（MDEIT）

磁探测电阻抗成像（MDEIT）通过贴在成像目标体的成对电极，向成像目标体注入一定频率的交变电流，然后用某种形式的接收装置，例如感应线圈、超导量子干涉仪（SQUID）等，测量注入电流在成像目标体外产生的磁场，根据表面磁场的反问题求解获得产生磁场的电流分布，进而从电流分布重构出电导率分布图像。

综上所述，电阻抗成像（EIT）主要包括注入电流电阻抗成像方法（ACEIT），感应电流电阻抗成像方法（ICEIT），磁共振电阻抗成像方法（MREIT）和电磁阻抗成像（EMIT），磁感应成像方法（MIT），电场电阻率成像方法（EFT）和磁探测电阻抗成像（MDEIT）。它们的激励方式和传感接收方式各不相同，见表1。

表1 EIT各种方法的激励和传感方式的比较

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