BR112017002485B1 - circuito integrado e método de fotodetecção - Google Patents
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Abstract
Um circuito integrado inclui uma região de fotodetecção configurada para receber fótons incidentes. A região de fotodetecção é configurada para produzir uma pluralidade de portadores de carga em resposta aos fótons incidentes. O circuito integrado também inclui pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga. O circuito integrado também inclui uma estrutura de segregação de portador de carga configurada para direcionar seletivamente os portadores de carga dentre a pluralidade de portadores de carga em pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos em que os portadores de carga foram produzidos.
Description
[001] Esse pedido reivindica prioridade do pedido provisório U.S. No. 62/035.377, depositado em 8 de agosto de 2014, intitulado "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS," e pedido provisório U.S. No. 62/164.506, depositado em 20 de maio de 2015, intitulado "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS", cada um dos quais é incorporado aqui por referência em sua totalidade.
[002] Esse pedido está relacionado aos seguintes pedidos U.S.:
[003] Pedido de Patente Provisório U.S. 62/035.258, intitulado "INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES," depositado em 8 de agosto de 2014;
[004] Pedido de Patente Provisório U.S. 62/035.242, intitulado "OPTICAL SYSTEM AND ASSAY CHIP FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES," depositado em 8 de agosto de 2014;
[005] Pedido de Patente Provisório U.S. 62/164.464, intitulado "INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES," depositado em 20 de maio de 2015;
[006] Pedido de Patente Provisório U.S. 62/164.482, intitulado "METHODS FOR NUCLEIC ACID SEQUENCING," depositado em 20 de maio de 2015;
[007] um Pedido de Patente não Provisório U.S. depositado na mesma data que o presente pedido, portando o número de documento R0708.70003US01, intitulado "OPTICAL SYSTEM AND ASSAY CHIP FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES," e
[008] um Pedido de Patente não Provisório U.S. depositado na mesma data que o presente pedido, portando o número de documento R0708.70004US02, intitulado "INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES."
[009] Cada um dos pedidos relacionados listados acima é incorporado aqui por referência em sua totalidade.
[0010] Fotodetectores são utilizados para detectar luz em uma variedade de aplicações. Os fotodetectores integrados têm sido desenvolvidos para produzir um sinal elétrico indicador da intensidade da luz incidente. Fotodetectores integrados para aplicativos de formação de imagem incluem um conjunto de pixels para detectar a intensidade da luz recebida através de uma cena. Exemplos de fotodetectores integrados incluem dispositivos acoplados à carga (CCDs) e sensores de imagem Semicondutores de Óxido de Metal Complementares (CMOS).
[0011] Algumas modalidades se referem a um circuito integrado que inclui uma região de fotodetecção configurada para receber fótons incidentes, a região de fotodetecção sendo configurada para produzir uma pluralidade de portadores de carga em resposta aos fótons incidentes. O circuito integrado também inclui pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga. O circuito integrado também inclui uma estrutura de segregação de portador de carga configurada para direcionar seletivamente os portadores de carga dentre a pluralidade de portadores de carga para dentro de pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga são produzidos.
[0012] Algumas modalidades se referem a um circuito integrado que inclui uma região de fotodetecção configurada para receber fótons incidentes, a região de fotodetecção sendo configurada para produzir uma pluralidade de portadores de carga em resposta aos fótons incidentes. O circuito integrado também inclui pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga. O circuito integrado também inclui meios para direcionar seletivamente os portadores de carga dentre a pluralidade de portadores de carga em pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga foram produzidos.
[0013] Algumas modalidades se referem a um método de fotodetecção, compreendendo o recebimento de fótons incidentes e direcionando seletivamente os portadores de carga dentre uma pluralidade de portadores de carga produzidos em resposta aos fótons incidentes em pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga foram produzidos.
[0014] Algumas modalidades se referem a um meio de armazenamento legível por computador possuindo armazenadas no mesmo instruções, que quando executadas por um processador, realizam um método de fotodetecção. O método inclui o controle de uma estrutura de segregação de portador de carga para direcionar seletivamente os portadores de carga de uma pluralidade de portadores de carga produzidos em resposta aos fótons incidentes em pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga forma produzidos.
[0015] Algumas modalidades se referem a um método de formação de um circuito integrado. O método inclui a formação de uma região de confinamento de portador de carga compreendendo uma região de fotodetecção e uma região de percurso de portador de carga. A região de fotodetecção é configurada para produzir uma pluralidade de portadores de carga em resposta aos fótons incidentes. O método também inclui a formação de uma estrutura de segregação de portador de carga configurada para direcionar seletivamente os portadores de carga da pluralidade de portadores de carga para dentro de pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga são produzidos.
[0016] Algumas modalidades se referem a um método de sequenciamento de ácido nucleico. O método inclui o recebimento de fótons de moléculas luminescentes anexadas, por pelo menos um período de tempo, direta ou indiretamente, aos nucleotídeos respectivos do ácido nucleico. O método também inclui o direcionamento seletivo de portadores de carga dentre uma pluralidade de portadores de carga produzidos em resposta aos fótons incidentes em pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga foram produzidos.
[0017] Algumas modalidades se referem a um meio de armazenamento legível por computador possuindo armazenadas no mesmo instruções, que quando executadas por um processador, realizam um método de sequenciamento de um ácido nucleico. O método inclui o sequenciamento de um ácido nucleico utilizando, pelo menos em parte, tempos de chegada de fótons incidentes detectados por um circuito integrado que recebe os fótons de moléculas luminescentes conectadas aos nucleotídeos respectivos do ácido nucleico.
[0018] Algumas modalidades se referem a um método de sequenciamento de ácido nucleico. O método inclui, utilizando um circuito integrado, a detecção de tempos de chegada de fótons incidentes a partir de moléculas luminescentes conectadas aos nucleotídeos respectivos do ácido nucleico. O método também inclui a identificação de moléculas luminescentes utilizando, pelo menos em parte, um circuito integrado que detecta os tempos de chegada de fótons incidentes a partir das moléculas luminescentes.
[0019] Algumas modalidades se referem a um método de formação de imagem de vida útil de fluorescência. O método inclui a produção de uma imagem indicando as vidas úteis fluorescentes utilizando, pelo menos em parte, um circuito integrado que detecta os tempos de chegada de fótons incidentes a partir das moléculas fluorescentes.
[0020] Algumas modalidades se referem a um método de formação de imagem de tempo de voo. O método inclui o recebimento de fótons incidentes, e o direcionamento seletivo de portadores de carga dentre uma pluralidade de portadores de carga produzidos em resposta aos fótons incidentes em pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga foram produzidos.
[0021] O sumário acima é fornecido por meio de ilustração e não deve ser limitador.
[0022] Nos desenhos, cada componente idêntico ou quase idêntico que é ilustrado nas várias figuras é representado por um caractere de referência similar. Por motivos de clareza, nem todo componente pode ser rotulado em cada desenho. Os desenhos não estão necessariamente em escala, com ênfase, em vez disso, em estarem ilustrando vários aspectos das técnicas e dispositivos descritos aqui.
[0023] A figura 1A representa a probabilidade de um fóton ser emitido como uma função de tempo para dois marcadores com vidas úteis diferentes.
[0024] A figura 1B ilustra perfis de intensidade ilustrativos através do tempo para um pulso de excitação ilustrativo (linha pontilhada) e emissão ilustrativa de fluorescência (linha sólida).
[0025] A figura 2A ilustra um diagrama de um pixel de um fotodetector integrado, de acordo com algumas modalidades.
[0026] A figura 2B ilustra a captura de um portador de carga em um ponto diferente em tempo e espaço que na figura 2A.
[0027] A figura 3A ilustra uma região de confinamento de portador de carga de um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[0028] A figura 3B ilustra o pixel da figura 3A com uma pluralidade de eletrodos Vb0-Vbn, b0-bm, st1, st2 e tx0-tx3 se sobrepondo à região de confinamento de portador de carga da figura 3A.
[0029] A figura 3C ilustra uma modalidade na qual a região de absorção de fóton/geração de portador inclui uma junção PN.
[0030] A figura 3D ilustra uma vista superior de um pixel como na figura 3C, com a adição de características de revestimento.
[0031] A figura 3E ilustra uma vista superior de um pixel como na figura 3C, incluindo o percurso de portador/área de captura.
[0032] A figura 3F ilustra um conjunto de pixels como na figura 3E A figura 3F indica as regiões de difusão, polissilício, contato e metal 1.
[0033] A figura 3G ilustra o conjunto de pixels da figura 3F e também indica as regiões de difusão, polissilício, contato, metal 1, implante N, implante P e P-epi.
[0034] A figura 4 ilustra um diagrama de circuito de pixel da figura 3B. A área de confinamento de portador de carga é ilustrada com linhas escuras pesadas.
[0035] A figura 5A ilustra um gradiente de potencial que pode ser estabelecido na área de confinamento de portador de carga na área de absorção de fótons/geração de portador e área de percurso/captura de portador ao longo da linha A-A' da figura 3B.
[0036] A figura 5B ilustra que depois de um período de tempo uma proteção de potencial para elétrons pode ser elevada em um momento t1 pela redução da voltagem do eletrodo b0.
[0037] A figura 5C ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial para os elétrons pode ser elevada no momento t2 pela redução da voltagem do eletrodo b2.
[0038] A figura 5D ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial para os elétrons pode ser elevada no momento t3 pela redução da voltagem do eletrodo b4.
[0039] A figura 5E ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial para os elétrons pode ser elevada no momento t4 pela redução da voltagem do eletrodo b6.
[0040] A figura 5F ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção em potencial para os elétrons pode ser elevada no momento t5 pela redução da voltagem do eletrodo bm.
[0041] A figura 6A ilustra a posição de um portador uma vez que tenha sido fotogerado.
[0042] A figura 6B ilustra a posição de um portador pouco depois, à medida que percorre na direção descendente em resposta ao gradiente de potencial estabelecido.
[0043] A figura 6C ilustra a posição do portador à medida que alcança o dreno.
[0044] A figura 6D ilustra a posição de um portador (por exemplo, um elétron) uma vez que tenha sido fotogerado.
[0045] A figura 6E ilustra a posição de um portador pouco depois, à medida que percorre na direção descendente em resposta ao gradiente de potencial.
[0046] A figura 6F ilustra a posição do portador à medida que alcança a proteção de potencial depois do momento t1.
[0047] A figura 6G ilustra que se um elétron chegar entre os eletrodos b0 e b2 entre os momentos t1 e t2, o elétron será capturado entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502, como ilustrado na figura 6G.
[0048] A figura 6H ilustra um exemplo no qual um elétron chegou entre os momentos t1 e t2, de modo que permanece capturado entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502.
[0049] A figura 6I ilustra um exemplo no qual um elétron chegou entre os momentos t1 e t2, de modo que permanece capturado entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502.
[0050] A figura 6J ilustra exemplo no qual um elétron chegou entre os momentos t1 e t2, de modo que permanece capturado entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502.
[0051] A figura 6K ilustra um diagrama de temporização de voltagem ilustrando as voltagens dos eletrodos b0-b8, st0 e st1 com o tempo.
[0052] A figura 7A ilustra uma representação do potencial para uma seção transversal da área de confinamento de portador de carga ao longo da linha B-B' da figura 3B.
[0053] A figura 7B ilustra que depois do momento t5, a voltagem nos eletrodos b1, b3, b5 e b7 pode, opcionalmente, ser reduzida (não ilustrada na figura 6K) para elevar a posição de um elétron dentro do poço de potencial, para facilitar a transferência do elétron.
[0054] A figura 7C ilustra que no momento t6 (figura 6K), as voltagens nos eletrodos st0 e st1 podem ser elevadas.
[0055] A figura 7D ilustra que no momento t7, a voltagem no eletrodo st0 pode ser reduzida, confinando, assim, o portador capturado (se algum) no compartimento correspondente (bin2 nesse exemplo).
[0056] A figura 7E ilustra uma vista plana ilustrando um elétron capturado entre as proteções de potencial 503 e 504.
[0057] A figura 7F ilustra uma vista plana ilustrando a voltagem do eletrodo st1 sendo elevada e o portador sendo transferido.
[0058] A figura 7G ilustra uma vista plana ilustrando o eletrodo de voltagem st1 sendo reduzida e o portador sendo capturado no bin2.
[0059] A figura 7H ilustra as características dos eletrodos de uma estrutura de segregação de portador de carga de acordo com algumas modalidades.
[0060] A figura 8A ilustra um fluxograma de um método que inclui a realização de uma pluralidade de medições, de acordo com algumas modalidades.
[0061] A figura 8B é um diagrama ilustrando um pulso de excitação sendo gerado no momento t0, e compartimentos de tempo bin0-bin3.
[0062] A figura 8C ilustra uma representação do número de fótons/portadores de carga em cada compartimento de tempo para um conjunto de medições de vida útil de fluorescência nas quais a probabilidade de um marcador ou matriz fluorescente reduzir exponencialmente com o tempo.
[0063] A figura 8D ilustra um método de operação do fotodetector integrado de acordo com algumas modalidades nas quais a luz é recebida no fotodetector integrado em resposta a uma pluralidade de diferentes eventos de acionamento.
[0064] A figura 8E ilustra voltagens dos eletrodos da estrutura de segregação de portador de carga quando da realização do método da figura 8D.
[0065] A figura 9A ilustra um exemplo de um diagrama de temporização para leitura sequencial de compartimentos bin0-bin3 utilizando amostragem dupla correlacionada.
[0066] A figura 9B ilustra uma sequência de leitura para realização da amostragem dupla correlacionada que não exige a medição de um valor reconfigurado para cada valor de sinal, de acordo com algumas modalidades.
[0067] A figura 10A ilustra um conjunto de pixels possuindo uma pluralidade de colunas C1 a Cn e uma pluralidade de fileiras, com uma fileira selecionada Ri sendo ilustrada por meio de ilustração.
[0068] A figura 10B ilustra uma modalidade na qual um circuito de leitura comum pode ser fornecido para uma pluralidade de colunas.
[0069] A figura 10C ilustra modalidades com uma pluralidade de circuitos de leitura, menos do que o número de colunas.
[0070] A figura 10D ilustra um diagrama de circuito ilustrando o conjunto de circuitos de leitura de coluna que inclui um conjunto de circuito de amostragem e retenção, um conjunto de circuitos de amplificador e um conversor de analógico para digital (A/D).
[0071] A figura 10E ilustra uma modalidade do conjunto de circuitos de leitura, onde ambos o conjunto de circuito de amplificador e o conversor A/D são compartilhados pelas duas colunas do conjunto de pixels.
[0072] A figura 10F ilustra uma modalidade na qual n colunas do conjunto de pixel compartilham o conjunto de circuitos de leitura e/ou um conversor A/D.
[0073] A figura 10G ilustra um exemplo de conjunto de circuito de amplificador que inclui uma pluralidade de amplificadores.
[0074] A figura 10H ilustra um diagrama do conjunto de circuitos de leitura incluindo o conjunto de circuitos de amplificador possuindo amplificadores de primeiro estágio para colunas respectivas e um amplificador de segundo estágio que é compartilhado pelas duas colunas.
[0075] A figura 10I ilustra um diagrama do conjunto de circuitos de leitura incluindo amplificadores de primeiro estágio, um amplificador de segundo estágio e um amplificador de terceiro estágio.
[0076] A figura 10J ilustra o conjunto de circuitos de leitura compartilhado por duas colunas incluindo um circuito de amostragem e retenção diferencial e um amplificador diferencial.
[0077] A figura 10K ilustra um diagrama do circuito de amostragem e retenção diferencial e um amplificador diferencial quando a primeira coluna está na fase de amostragem e a segunda coluna está na fase de retenção.
[0078] A figura 10L ilustra um diagrama do circuito de amostragem e retenção diferencial e um amplificador diferencial quando a segunda coluna está na fase de amostragem e a primeira coluna está na fase de retenção.
[0079] A figura 10M ilustra o conjunto de circuitos de leitura compartilhado por mais de duas colunas incluindo um circuito de amostragem e retenção diferencial e um amplificador diferencial.
[0080] A figura 11 ilustra a temporização dos compartimentos de tempo que pode ser controlada de forma adaptativa entre as medições com base nos resultados de um conjunto de medições.
[0081] A figura 12 ilustra um exemplo de um pixel que inclui quatro subpixels.
[0082] A figura 13 ilustra um diagrama de uma arquitetura de chip, de acordo com algumas modalidades.
[0083] A figura 14A ilustra um diagrama de uma modalidade de um chip possuindo um conjunto de 64 x 64 de pixels quad, de acordo com algumas modalidades.
[0084] A figura 14B ilustra um diagrama de uma modalidade de um chip que ilustra conjuntos de 2 x 2, com cada conjunto possuindo um conjunto de 256 x 64 pixels octal de pixels quad, de acordo com algumas modalidades.
[0085] A figura 15A ilustra uma vista em perspectiva de regiões de confinamento de carga que podem ser formados em um substrato semicondutor.
[0086] A figura 15B ilustra uma vista plana correspondendo à figura 15A.
[0087] A figura 16 ilustra a formação de eletrodos através da camada isolante pela formação de uma camada de polissilício padronizada.
[0088] A figura 17 ilustra um eletrodo revestido e dividido possuindo uma região p+ e uma região n+.
[0089] A figura 18 ilustra a formação de uma camada metálica (por exemplo, metal 1) através da camada de polissilício padronizada para conectar às vias.
[0090] A figura 19 ilustra a camada metálica sobreposta à camada de polissilício e regiões de confinamento de carga.
[0091] A figura 20 ilustra a formação de vias para contatar a camada metálica.
[0092] A figura 21 ilustra a segunda camada metálica além da formação de vias para contatar a segunda camada metálica.
[0093] A figura 22 ilustra a formação de uma terceira camada metálica.
[0094] A figura 23 ilustra ume exemplo de um circuito de acionamento para acionar um eletrodo da estrutura de segregação de portador de carga, de acordo com algumas modalidades.
[0095] A figura 24 ilustra uma modalidade na qual o chip é afixado a um painel de circuito impresso.
[0096] A figura 25 ilustra a ativação de 32 fileiras em uma região central do chip e a desativação de 48 fileiras nas bordas do chip.
[0097] A figura 26 é um diagrama em bloco de um dispositivo de computação ilustrativo.
[0098] É descrito aqui um fotodetector integrado que pode medir com precisão, ou "acondicionar em tempo", a temporização de chegada de fótons incidentes. Em algumas modalidades, o fotodetector integrado pode medir a chegada de fótons com resolução de nanossegundos ou picossegundos. Tal fotodetector pode ter utilidade em uma variedade de aplicações incluindo detecção/quantização, que pode ser aplicada ao sequenciamento de ácidos nucleicos (por exemplo, sequenciamento de DNA). Tal fotodetector pode facilitar a análise de domínio de tempo da chegada de fótons incidentes de moléculas luminescentes utilizadas para nucleotídeos de rótulo, permitindo, assim, a identificação e o sequenciamento de nucleotídeos com base nas vidas úteis de luminescência. Outros exemplos de aplicações de fotodetector integrado incluem formação de imagem de vida útil de fluorescência e formação de imagem de tempo de voo, como discutido adicionalmente abaixo. Discussão de Medições de Domínio de Tempo para Detecção/Quan- tificação Molecular
[0099] A detecção e quantificação de amostras biológicas pode ser realizada utilizando-se testes biológicos ("biotestes"). Os biotestes envolvem convencionalmente equipamento de laboratório grande e caro exigindo cientistas pesquisadores treinados para operar o equipamento e realizar os biotestes. Os biotestes são convencionalmente realizados em volume de modo que uma grande quantidade de um tipo particular de amostras é necessária para detecção e quantificação. Alguns biotestes são realizados pela marcação das amostras com marcadores luminescentes que emitem luz de um comprimento de onda particular. As amostras são iluminadas com uma fonte de luz para causar luminescência, e a luz luminescente é detectada com um fotodetector para quantificar a quantidade de luz emitida pelos marcadores. Os biotestes utilizando marcadores e/ou relatores luminescentes envolvem convencionalmente fontes de luz a laser caras para iluminar as amostras e partes óticas e eletrônicas de detecção de luminescência complicadas para coletar a luz das amostras iluminadas.
[00100] Em algumas modalidades, um fotodetector integrado como descrito aqui pode detectar as características de luminescência das amostras biológicas e/ou químicas em resposta à excitação. Mais especificamente, tal fotodetector integrado pode detectar as características temporais da luz recebida das amostras. Tal fotodetector integrado pode permitir a detecção e/ou discriminação da vida útil de luminescência, por exemplo, a vida útil de fluorescência, da luz emitida por uma molécula luminescente em resposta à excitação. Em algumas modalidades, a identificação e/ou medições quantitativas das amostras podem ser realizadas com base na detecção e/ou discriminação de vidas úteis de luminescência. Por exemplo, em algumas modalidades, o sequenciamento de um ácido nucleico (por exemplo, DNA, RNA) pode ser realizado pela detecção e/ou discriminação de vidas úteis de luminescência das moléculas luminescentes anexadas aos nucleotídeos respectivos. Cada molécula luminescente pode ser anexada diretamente (por exemplo, ligada) a um nucleotídeo correspondente ou anexada indiretamente a um nucleotídeo correspondente através de uma molécula de conexão que é unida ao nucleotídeo e à molécula luminescente.
[00101] Em algumas modalidades, um fotodetector integrado possuindo várias estruturas de fotodetecção e partes eletrônicas associadas, chamadas de "pixels", pode permitir a medição e análise de uma pluralidade de amostras em paralelo (por exemplo, centenas, milhares, milhões ou mais), que podem reduzir o custo da realização de medições complexas e avançar rapidamente a taxa de descobertas. Em algumas modalidades, cada pixel do fotodetector pode detectar luz de uma amostra, que pode ser uma molécula única ou mais de uma molécula. Em algumas modalidades, tal fotodetector integrado pode ser utilizado para aplicações dinâmicas em tempo real tal como sequenciamento de ácido nucleico (por exemplo, DNA, RNA). Detecção/Quantização de Moléculas Utilizando Vidas Úteis de
[00102] Um circuito integrado possuindo um fotodetector integrado de acordo com os aspectos do presente pedido pode ser designado com funções adequadas para uma variedade de aplicações de detecção e formação de imagem. Como descrito em detalhes adicionais abaixo, tal fotodetector integrado pode ter a capacidade de detectar luz dentro de um ou mais intervalos de tempo ou "compartimentos de tempo". Para se coletar informação referente ao tempo de chegada da luz, os portadores de carga são gerados em resposta aos fótons incidentes e podem ser segregados em compartimentos de tempo respectivos com base em seu tempo de chegada.
[00103] Um fotodetector integrado de acordo com alguns aspectos do presente pedido pode ser utilizado para diferenciar entre fontes de emissão de luz, incluindo moléculas luminescentes, tal como fluoróforos. Moléculas luminescentes variam em comprimento de onda de luz que emitem, as características temporais da luz que emitem (por exemplo, seus períodos de tempo de redução de emissão), e sua resposta à energia de excitação. De acordo, moléculas luminescentes podem ser identificadas ou discriminadas a partir de outras moléculas luminescentes com base na detecção dessas propriedades. Tais técnicas de identificação ou discriminação podem ser utilizadas sozinhas ou em qualquer combinação adequada.
[00104] Em algumas modalidades, um fotodetector integrado como descrito no presente pedido pode medir ou discriminar vidas úteis de luminescência, tal como vidas úteis de fluorescência. As medições de vida útil de fluorescência são baseadas na excitação de uma ou mais moléculas fluorescentes, e medição de variação de tempo na luminescência emitida. A probabilidade de uma molécula fluorescente emitir um fóton depois que a molécula fluorescente alcança um estado excitado reduz de forma exponencial com o tempo. A taxa na qual a probabilidade diminui pode ser característica de uma molécula fluorescente, e pode ser diferente para diferentes moléculas fluorescentes. A detecção das características temporais de luz emitida por moléculas fluorescentes, pode permitir a identificação de moléculas fluorescentes e/ou discriminação de moléculas fluorescentes com relação uma à outra. As moléculas fluorescentes também são referidas aqui como marcadores luminescentes, ou simplesmente "marcadores".
[00105] Depois de alcançar um estado excitado, um marcador pode emitir um fóton com uma determinada probabilidade em um determinado momento. A probabilidade de um fóton ser emitido a partir de um marcador excitado pode diminuir com o tempo depois da excitação do marcador. A redução na probabilidade de um fóton ser emitido com o tempo pode ser representada por uma função de redução exponencial p(t) = e-t/T, onde p(t) é a probabilidade da emissão de fóton em um momento, t, e T é um parâmetro temporal do marcador. O parâmetro temporal T indica um momento após a excitação quando a probabilidade de o marcador emitir um fóton é um valor determinado. O parâmetro temporal, t, é uma propriedade de um marcador que pode ser distinto de suas propriedades espectrais de absorção e emissão. Tal parâmetro temporal, t, é referido como vida útil de luminescência, a vida útil de fluorescência ou simplesmente "vida útil" de um marcador.
[00106] A figura 1A representa a probabilidade de um fóton ser emitido como uma função de tempo para dois marcadores com vidas úteis diferentes O marcador representado pela curva de probabilidade B possui uma probabilidade de emissão que reduz mais rapidamente do que a probabilidade de emissão para o marcador representado pela curva de probabilidade A. O marcador representado pela curva de probabilidade B possui um parâmetro temporal mais curto, t, ou vida útil do que o marcador representado pela curva de probabilidade A. Os marcadores podem ter vidas úteis de fluorescência variando de 0,1 a 20 ns, em algumas modalidades. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas às vidas úteis dos marcadores utilizados.
[00107] A vida útil de um marcador pode ser utilizada para distinguir entre mis de um marcador, e/ou pode ser utilizada para identificar os marcadores. Em algumas modalidades, as medições de vida útil de fluorescência podem ser realizadas nas quais uma pluralidade de marcadores possuindo vidas úteis diferentes são excitados por uma fonte de excitação. Como um exemplo, quatro marcadores possuindo vidas úteis de 0,5, 1, 2 e 3 nano segundos, respectivamente, podem ser excitados por uma fonte de luz que emite luz possuindo um comprimento de onda selecionado (por exemplo, 635 nm, por meio de exemplo). Os marcadores podem ser identificados ou diferenciados um do outro com base na medição da vida útil da luz emitida pelos marcadores.
[00108] As medições de vida útil de fluorescência podem utilizar medições de intensidade relativas pela comparação de como a intensidade muda com o tempo, em oposição aos valores de intensidade absolutos. Como resultado disso, as medições de vida útil de fluorescência podem evitar algumas das dificuldades das medições de intensidade absoluta. As medições de intensidade absoluta podem depender da concentração de fluoróforos presentes e etapas de calibragem podem ser necessárias para variar as concentrações de fluoróforo. Em contraste, as medições de vida útil de fluorescência podem ser insensíveis à concentração de fluoróforos.
[00109] Marcadores luminescentes podem ser exógenos ou endógenos. Os marcadores exógenos podem ser marcadores luminescentes externos utilizados como um relator e/ou marcador para rotulação luminescente. Exemplos de marcadores exógenos podem incluir, moléculas fluorescentes, fluoróforos, tinta fluorescente, manchas fluorescentes, tinta orgânica, proteínas fluorescentes, enzimas, e/ou pontos quantum. Tais marcadores exógenos podem ser conjugados a uma sonda ou grupo funcional (por exemplo, molécula, íon e/ou ligações) que ligam especificamente a um alvo ou componente em particular. A anexação de um marcador ou relator exógeno a uma sonda permite a identificação do alvo através da detecção da presença de marcador ou relator exógeno. Exemplos de sondas podem incluir proteínas, ácidos nucleicos tal como moléculas de DNA ou moléculas de RNA, lipídeos e sondas de anticorpo. A combinação do marcador exógeno e um grupo funcional pode formar qualquer sonda, marcador e/ou rótulo adequado utilizados para detecção, incluindo sondas moleculares, sondas rotuladas, sondas de hibridização, sondas de anticorpo, sondas de proteína (por exemplo, sondas de aglutinação de biotina), rótulos de enzima, sondas fluorescentes, marcadores fluorescentes; e/ou relatores de enzima.
[00110] Enquanto os marcadores exógenos podem ser adicionados a uma amostra ou região, os marcadores endógenos já podem fazer parte da amostra ou região. Marcadores endógenos podem incluir qualquer marcador luminescente presente que possa se tornar luminescente ou "automaticamente fluorescente" na presença de energia de excitação. A fluorescência automática dos fluoróforos endógenos pode fornecer uma rotulação livre de rótulos e rotulação não invasiva sem exigir a introdução de fluoróforos endógenos. Exemplos de tais fluoróforos endógenos podem incluir hemoglobina, oxihemoglobina, lipídeos, colágeno e reticuladores de elastina, dinucleotídeo de adenina nicotinamida reduzida (NADH), flavinas oxidadas (FAD e FMN), lipofuscin, queratina, e/ou prophyrins, por meio de exemplo e não de limitação.
[00111] A diferenciação entre os marcadores pelas medições de vida útil pode permitir menos comprimentos de onda de luz de excitação a ser utilizada do que quando os marcadores são diferenciados pelas medições de espectros de emissão. Em algumas modalidades, sensores, filtros e/ou ótica de difração podem ser reduzidos em número ou eliminados quando da utilização de menos comprimentos de onda de luz de excitação e/ou luz luminescente. Em algumas modalidades, a rotulação pode ser realizada com marcadores que possuem diferentes vidas úteis, e os marcadores podem ser excitados pela luz possuindo o mesmo comprimento de onda de excitação ou espectro. Em algumas modalidades, uma fonte de luz de excitação pode ser utilizada e emite luz de um único comprimento de onda ou espectro, que pode reduzir o custo. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas a esse respeito, visto que qualquer número de comprimentos de onda de luz de excitação ou espectro pode ser utilizado. Em algumas modalidades, um fotodetector integrado pode ser utilizado para determinar ambas a informação espectral e temporal referente à luz recebida. Em algumas modalidades uma análise quantitativa dos tipos de moléculas presentes pode ser realizada pela determinação de um parâmetro temporal, um parâmetro espectral, ou uma combinação de parâmetros temporais e espectrais da luminescência emitida a partir de um marcador.
[00112] Um fotodetector integrado que detecta o tempo de chegada dos fótons incidentes pode reduzir as exigências de filtragem ótica adicional (por exemplo, filtragem espectral ótica). Como descrito abaixo, um fotodetector integrado de acordo com o presente pedido pode incluir um dreno para remover os portadores foto gerados em momentos particulares. Pela remoção dos portadores foto gerados dessa forma, os portadores de carga indesejados produzidos em resposta a um pulso de luz de excitação podem ser descartados sem a necessidade de filtragem ótica para evitar a recepção de luz do pulso de excitação. Tal fotodetector pode reduzir a complexidade de integração de desenho como um todo, componentes óticos e/ou de filtragem, e/ou custo.
[00113] Em algumas modalidades, uma vida útil de fluorescência pode ser determinada pela medição do perfil de tempo da luminescência emitida pela agregação de portadores de carga coletados em um ou mais compartimentos de tempo do fotodetector integrado para detectar valores de intensidade de luminescência como uma função de tempo. Em algumas modalidades, a vida útil de um marcador pode ser determinada pela realização de múltiplas medições onde o marcador é excitado em um estado excitado e então o momento de emissão de um fóton é medido. Para cada medição, a fonte de excitação pode gerar um pulso de luz de excitação direcionado para o marcador, e o tempo entre o pulso de excitação e o evento de fóton subsequente do marcador pode ser determinado. Adicionalmente ou alternativamente, quando um pulso de excitação ocorre repetidamente ou periodicamente, o tempo entre quando um evento de emissão de fóton ocorre e o pulso de excitação subsequente pode ser medido, e o tempo medido pode ser subtraído do intervalo de tempo entre os pulsos de excitação (isso é, o período da forma de onda de pulso de excitação) para determinar o tempo de evento de absorção de fóton.
[00114] Pela repetição de tais experiências com uma pluralidade de pulsos de excitação, o número de casos de um fóton ser emitido a partir do marcador dentro de um intervalo de tempo determinado após a excitação pode ser determinado, que é indicativo da probabilidade de um fóton ser emitido dentro de tal intervalo de tempo após a excitação. O número de eventos de emissão de fóton coletados pode ser baseado no número de pulsos de excitação emitidos para o marcador. O número de eventos de emissão de fóton através de um período de medição pode variar de 50-10.000.000 ou mais, em algumas modalidades, no entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas a esse respeito. O número de casos de um fóton ser emitido a partir do marcador dentro de um intervalo de tempo determinado depois da excitação pode preencher um histograma representando o número de eventos de emissão de fóton que ocorrem dentro de uma série de intervalos de tempo discretos ou compartimentos de tempo. O número de compartimentos de tempo e/ou intervalo de tempo de cada compartimento pode ser determinado e/ou ajustado para identificar uma vida útil em particular e/ou um marcador em particular. O número de compartimentos de tempo e/ou intervalo de tempo de cada compartimento pode depender do sensor utilizado para detectar os fótons emitidos. O número de compartimentos de tempo pode ser 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou mais, tal como 16, 32, 64 ou mais. Um algoritmo de encaixe de curva pode ser utilizado para encaixar uma curva ao histograma gravado, resultando em uma função representando a probabilidade de um fóton ser emitido após a excitação do marcador em um momento determinado. Uma função de redução exponencial, tal como p(t) = e-t/α, pode ser utilizada para encaixar de forma aproximada os dados de histograma. A partir de tal encaixe de curva, o parâmetro temporal ou vida útil pode ser determinado. A vida útil determinada pode ser comparada com vidas úteis conhecidas de marcadores para identificar o tipo de marcador presente.
[00115] Uma vida útil pode ser calculada a partir dos valores de intensidade em dois intervalos de tempo. A figura 1B ilustra os perfis de intensidade ilustrativos com o tempo para um pulso de excitação ilustrativo (linha pontilhada) e emissão de fluorescência ilustrativa (linha sólida). No exemplo ilustrado na figura 1B, o fotodetector mede a intensidade através de pelo menos dois compartimentos de tempo. Os fótons que emitem energia de luminescência entre os momentos t1 e t2 são medidos pelo fotodetector como intensidade I1 e energia de luminescência emitida entre os momentos t3 e t4 são medidas como I2. Qualquer número adequado de valores de intensidade pode ser obtido apesar de apenas dois serem ilustrados na figura 1B. Tais medições de intensidade podem então ser utilizadas para calcular uma vida útil. Quando um fluoróforo está presente em um momento, então o sinal de luminescência acondicionado em tempo pode ser encaixado em uma única redução exponencial. Em algumas modalidades, apenas dois compartimentos de tempo podem ser necessários para se identificar com precisão a vida útil para um fluoróforo. Quando dois ou mais fluoróforos estão presentes, então as vidas úteis individuais podem ser identificadas a partir de um sinal de luminescência combinado pelo encaixe do sinal de luminescência em múltiplas reduções exponenciais, tal como exponenciais duplos ou triplos. Em algumas modalidades, dois ou mis compartimentos de tempo podem ser necessários a fim de se identificar com precisão mais de uma vida útil de fluorescência de tal sinal de luminescência. No entanto, em alguns casos com múltiplos fluoróforos, uma vida útil de fluorescência média pode ser determinada pelo encaixe de uma redução exponencial singular ao sinal de luminescência.
[00116] Em alguns casos, a probabilidade de um evento de emissão de fóton, e, dessa forma, da vida útil de um marcador pode mudar com base no entorno e/ou condições do marcador. Por exemplo, a vida útil de um marcador confinado em um volume com um diâmetro inferior ao comprimento de onda da luz de excitação pode ser menor do que quando o marcador não está no volume. As medições de vida útil com marcadores conhecidos sob condições similares a quando os marcadores são utilizados para rotulação podem ser realizadas. As vidas úteis determinadas a partir de tais medições com marcadores conhecidos podem ser utilizadas quando da identificação de um marcador. Sequenciamento Utilizando Medições de Vida Útil de Luminescência
[00117] Pixels individuais em um fotodetector integrado podem ser capaz de medir a vida útil de fluorescência utilizada para identificar os marcadores e/ou relatores fluorescentes que rotulam um ou mais alvos, tal como moléculas ou locais específicos nas moléculas. Qualquer uma ou mais dessas moléculas de interesse podem ser rotuladas com um fluoróforo, incluindo proteínas, aminoácidos, enzimas, lipídeos, nucleotídeos, DNA e RNA. Quando combinados com os espectros de detecção de luz emitida ou outras técnicas de rotulação, a vida útil de fluorescência pode aumentar o número total de marcadores e/ou relatores de fluorescência que podem ser utilizados. A identificação com base na vida útil pode ser utilizada para métodos analíticos de molécula singular para fornecer informação sobre as características das interações moleculares nas misturas complexas onde tal informação seria perdida na montagem média e podem incluir interações de proteína-proteína, atividade enzimática, dinâmicas moleculares, e/ou difusão em membranas. Adicionalmente, os fluoróforos com vidas úteis de fluorescência diferentes podem ser utilizados para marcar os componentes alvo em vários métodos de teste que são baseados na presença de um componente rotulado. Em algumas modalidades, os componentes podem ser separados, tal como pela utilização de sistemas de micro fluidos com base na detecção de vidas úteis particulares dos fluoróforos.
[00118] A medição da vida útil de fluorescência pode ser utilizada em combinação com outros métodos analíticos. Como um exemplo, as vidas úteis de fluorescência podem ser utilizadas em combinação com as técnicas de transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET) para discriminar entre os estados e/ou ambientes dos fluoróforos doadores e receptores localizados em uma ou mais moléculas. Tais medições podem ser utilizadas para determinar a distância entre o doador e o receptor. Em alguns casos, a transferência de energia do doador para o receptor pode reduzir a vida útil do doador. Em outro exemplo, as medições de vida útil de fluorescência podem ser utilizadas em combinação com as técnicas de sequenciamento de DNA onde quatro fluoróforos possuindo vidas úteis diferentes podem ser utilizados para rotular os quatro nucleotídeos diferentes (A, T, G, C) em uma molécula de DNA com uma sequência desconhecida de nucleotídeos. As vidas úteis de fluorescência, em vez de espectros de emissão, dos fluoróforos podem ser utilizadas para identificar a sequência de nucleotídeos. Pela utilização da vida útil de fluorescência em vez de espectros de emissão para determinadas técnicas, a resolução da precisão e medição pode aumentar visto que artefatos decorrentes de medições de intensidade absoluta são reduzidos. Adicionalmente, as medições de vida útil podem reduzir a complexidade e/ou custo do sistema visto que menos comprimentos de onda de energia de excitação são necessários e/ou menos comprimentos de onda de energia de emissão precisam ser detectados.
[00119] Os métodos descritos aqui podem ser utilizados para sequenciamento de ácidos nucleicos, tal como sequenciamento de DNA ou sequenciamento de RNA. O sequenciamento de DNA permite a determinação da ordem e posição dos nucleotídeos em uma molécula de ácido nucleico alvo. As tecnologias utilizadas para sequenciamento de DNA variam muito nos métodos utilizados para determinar a sequência de ácido nucleico além de na taxa, comprimento lido e incidência de erros no processo de sequenciamento. Um número de métodos de sequenciamento de DNA é baseado no sequenciamento por síntese, onde a identidade de um nucleotídeo é determinada à medida que o nucleotídeo é incorporado a uma sequência recém- sintetizada de ácido nucleico que é complementar ao ácido nucleico alvo. Muitos sequenciamentos pelos métodos de síntese exigem a presença de uma população de moléculas de ácido nucleico alvo (por exemplo, cópias de um ácido nucleico alvo) ou uma etapa de amplificação de ácido nucleico alvo para alcançar uma população de ácidos nucleicos alvo. Métodos aperfeiçoados de determinação da sequência de moléculas de ácido nucleico singular são desejados.
[00120] Tem havido avanços recentes no sequenciamento de moléculas singulares de ácido nucleico com alta precisão e longo comprimento de leitura. O ácido nucleico alvo utilizado na tecnologia de sequenciamento de molécula singular, por exemplo, a tecnologia SMRT desenvolvida pela Pacific Biosciences, é um gabarito de DNA de sequência única que é adicionado a um poço de amostras contendo pelo menos um componente da reação de sequenciamento (por exemplo, polimerase de DNA), imobilizado ou anexado a um suporte sólido tal como o fundo do poço de amostras. O poço de amostras também contém desoxirribonucleotídeos trifosfatos, também referidos como "dNTPs", incluindo adenina, citosina, guanina e dNTPs de timina, que soa conjugados pra detecção de rótulos, tal como fluoróforos. Preferivelmente, cada classe de dNTPs (por exemplo, dNTPs de adenina, dNTPs de citosina, dNTPs de guanina, e dNTPs de timina) são, cada um, conjugados com um rótulo de detecção distinto de modo que a detecção do sinal indique a identidade de dNTP que foi incorporada ao ácido nucleico recém-sintetizado. O rótulo de detecção pode ser conjugado para dNTP em qualquer posição de modo que a presença do rótulo de detecção não iniba a incorporação de dNTP à sequência de ácido nucleico recém-sintetizada ou atividade de polimerase. Em algumas modalidades, o rótulo de detecção é conjugado ao fosfato terminal (o fama fosfato) de dNTP.
[00121] Qualquer polimerase pode ser utilizada para sequenciamento de DNA de molécula singular que seja capaz de sintetizar um ácido nucleico complementar a um ácido nucleico alvo. Exemplos de polimerases incluem polimerase I de DNA de E. coli, polimerase de DNA T7, polimerase de DNA T4 bacteriófaga, polimerase de DNA ^29 (psi 29), e variações das mesmas. Em algumas modalidades, a polimerase é uma polimerase de subunidade única. Depois do emparelhamento base entre uma base de núcleo de um ácido nucleico alvo e dNTP complementar, a polimerase incorpora dNTP à sequência de ácido nucleico recém-sintetizado pela formação de uma ligação fosfodiéster entre a extremidade 3' hidroxila da sequência recém-sintetizada e o alfa fosfato de dNTP. Nos exemplos nos quais o rótulo de detecção conjugado com dNTP é um fluoróforo, sua presença é sinalizada pela excitação e um pulso de emissão é detectado durante a etapa de incorporação. Para rótulos de detecção que são conjugados com o fosfato terminal (gama) de dNTP, a incorporação de dNTP à sequência recém-sintetizada resulta na liberação de fosfatos beta e gama e rótulo de detecção, que está livre para difundir no poço de amostras, resultando em uma redução na emissão detectada do fluoróforo.
[00122] As técnicas descritas aqui não estão limitadas à detecção ou quantização das moléculas ou outras amostras, ou realização de sequenciamento. Em algumas modalidades, um fotodetector integrado pode realizar a formação de imagem para obter informação espacial referente a uma região, objeto ou cena e informação temporal referência à chegada de fótons incidentes utilizando a região, objeto ou cena. Em algumas modalidades, o fotodetector integrado pode realizar formação de imagem de vida útil de luminescência de uma região, objeto ou amostra, tal como a formação de imagem de vida útil de fluorescência. Aplicações Adicionais
[00123] Apesar de o fotodetector integrado descrito aqui poder ser aplicado à análise de uma pluralidade de amostras biológicas e/ou químicas, como discutido acima, o fotodetector integrado pode ser aplicado a outros aplicativos, tal como aplicativos de formação de imagem, por exemplo. Em algumas modalidades, o fotodetector integrado pode incluir um conjunto de pixels que realiza a formação de imagem de uma região, objeto ou cena e pode detectar características temporais da luz recebida nos pixels individuais a partir de regiões diferentes da região, objeto ou cena. Por exemplo, em algumas modalidades o fotodetector integrado pode realizar a formação de imagem de tecido com base nas características temporais de luz recebida do tecido, que pode permitir que um médico realize um procedimento (por exemplo, cirurgia) para identificar uma região anormal ou doente do tecido (por exemplo, cancerosa ou pré- cancerosa). Em algumas modalidades, o fotodetector integrado pode ser incorporado a um dispositivo médico, tal como uma ferramenta de formação de imagem cirúrgica. Em algumas modalidades, a informação de domínio de tempo referente à luz emitida pelo tecido em resposta a um pulso de excitação de luz pode ser obtida para criar a imagem de e/ou caracterizar o tecido. Por exemplo, a formação de imagem e/ou caracterização do tecido e outros objetos pode ser realizada utilizando- se a formação de imagem de vida útil de fluorescência.
[00124] Apesar de o fotodetector integrado poder ser aplicado a um contexto de diagnóstico cientifico tal como pela realização de formação de imagem ou análise de amostras biológicas e/ou químicas, ou formação de imagem de tecido, como descrito acima, tal fotodetector integrado pode ser utilizado em qualquer outro contexto adequado. Por exemplo, em algumas modalidades, tal fotodetector integrado pode criar a imagem de uma cena utilizando características temporais de luz detectadas nos pixels individuais. Um exemplo de um aplicativo para formação de imagem de uma cena é a formação de imagem de faixa ou formação de imagem de tempo de voo, onde a quantidade de tempo que a luz leva para alcançar o fotodetector é analisada para determinar a distância percorrida pela luz até o fotodetector. Tal técnica pode ser utilizada para realizar a formação de imagem tridimensional de uma cena. Por exemplo, uma cena pode ser iluminada com um pulso de luz emitido a partir de um local conhecido relativo ao fotodetector integrado, e a luz refletida detectada pelo fotodetector. A quantidade de tempo que a luz leva até alcançar o fotodetector integrado nos pixels respectivos do conjunto é medida para determinar as distâncias que a luz percorreu a partir de partes respectivas da cena até alcançar os pixels respectivos do fotodetector. Em algumas modalidades, o fotodetector integrado pode ser incorporado a um dispositivo eletrônico de consumo tal como uma câmera, telefone celular, ou computador tablet, por exemplo, para permitir que tais dispositivos capturem e processem as imagens ou vídeo com base na informação de faixa obtida.
[00125] Em algumas modalidades, o fotodetector integrado descrito no presente pedido pode ser utilizado para medir baixas intensidades de luz. Tal fotodetector pode ser adequado para aplicativos que exijam fotodetectores com uma alta sensibilidade, tal como aplicativos que possam utilizar simultaneamente técnicas de contagem de fótons singulares, por exemplo. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto, visto que o fotodetector integrado descrito nos presentes pedidos pode medir qualquer intensidade de luz adequada. Aplicativos de Vida Útil de Luminescência Adicionais Formação de imagem e Caracterização Utilizando Vidas Úteis
[00126] Como mencionado acima, as técnicas descritas aqui não estão limitadas a rotulação, detecção e quantização utilizando fluoróforos exógenos. Em algumas modalidades, uma região, objeto ou amostra pode ter sua imagem criada e/ou caracterizada utilizando técnicas de formação de imagem de vida útil de fluorescência através do uso de um fotodetector integrado. Em tais técnicas, as características de fluorescência da região, objeto ou amostra propriamente ditas podem ser utilizadas para a formação de imagem e/ou caracterização. Marcadores exógenos ou marcadores endógenos podem ser detectados através de formação de imagem e/ou caracterização de vida útil. Os marcadores exógenos fixados a uma sonda podem ser fornecidos para a região, objeto ou amostra a fim de detectar a presença e/ou localização de um componente alvo em p articular. O marcador exógeno pode servir como um marcador e/ou relator como parte de uma sonda rotulada para detectar as partes da região, objeto ou amostra que contêm um alvo para a sonda rotulada. A fluorescência automática dos marcadores endógenos pode fornecer um contraste livre de rótulo e não invasivo para a resolução espacial que pode ser prontamente utilizada para a formação de imagem sem exigir a introdução de marcadores endógenos. Por exemplo, sinais de fluorescência automática de tecido biológico podem depender de e podem ser indicadores de composição bioquímica e estrutura do tecido.
[00127] As medições de vida útil de fluorescência podem fornecer uma medição quantitativa das condições que cercam o fluoróforo. A medição quantitativa das condições pode ser em adição à detecção ou contraste. A vida útil de fluorescência para um fluoróforo pode depender do ambiente circundante para o fluoróforo, tal como pH ou temperatura, e uma mudança no valor da vida útil do fluoróforo pode indicar uma mudança no ambiente que cerca do fluoróforo. Como um exemplo, a formação de imagem da vida útil da fluorescência pode mapear as mudanças em ambientes locais de uma amostra, tal como no tecido biológico (por exemplo, uma seção de tecido ou ressecção cirúrgica). As medições de vida útil de fluorescência de fluorescência automática dos fluoróforos endógenos podem ser utilizadas para detectar as mudanças físicas e metabólicas no tecido. Como exemplos, as mudanças na arquitetura, morfologia, oxigenação, pH, vascularidade, estrutura de célula e/ou estado metabólico de célula de tecido podem ser detectadas pela medição da fluorescência automática a partir da amostra e determinando uma vida útil a partir da autofluorescência medida. Tais métodos podem ser utilizados em aplicações clinicas, tal como monitoramento de biopsias orientadas por imagem ou cirurgias, e/ou endoscopia. Em algumas modalidades, um fotodetector integrado do presente pedido pode ser incorporado a uma ferramenta clínica, tal como um instrumento cirúrgico, por exemplo, para realizar a formação de imagem de vida útil de fluorescência. A determinação das vidas úteis de fluorescência com base na autofluorescência medida fornece um valor clínico como um método de formação de imagem livre de rótulos que permite que um médico monitore rapidamente o tecido e detecte pequenos cânceres e/ou lesões pré-cancerosas que não são aparentes para o olho nu. A formação de imagem de vida útil de fluorescência pode ser utilizada para detecção e delineação de células ou tecido malignos, tal como tumores ou células cancerosas que emitem luminescência possuindo uma vida útil de fluorescência maior do que o tecido saudável. Por exemplo, a formação de imagem de vida útil de fluorescência pode ser utilizada para detecção de câncer em tecido oticamente acessíveis, tal como o trato gastrointestinal, bexiga, pele ou superfície de tecido exposta durante cirurgia.
[00128] Em algumas modalidades, as vidas úteis de fluorescência podem ser utilizadas para técnicas microscópicas para fornecer contraste entre tipos ou estados diferentes de amostras. A microscopia de formação de imagem de vida útil de fluorescência (FLIM) pode ser realizada pela excitação de uma amostra com um pulso de luz, detectando o sinal de fluorescência à medida que o mesmo cai para determinar uma vida útil, e mapeando o tempo de redução na imagem resultante. Em tais imagens microscópicas, os valores de pixel na imagem podem ser baseados na vida útil de luminescência determinada para cada pixel no fotodetector coletando o campo de visão. Formação de imagem de uma Cena ou Objeto Utilizando informação Temporal
[00129] Como discutido acima, um fotodetector integrado como descrito no presente pedido pode ser utilizado em contextos científicos e clínicos nos quais a temporização da luz emitida pode ser utilizada para detectar, quantificar, e/ou criar a imagem de uma região, objeto ou amostra. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas a aplicações cientificas e clinicas, visto que o fotodetector integrado pode ser utilizado em qualquer aplicação de formação de imagem que possa levar vantagem da informação temporal referente ao tempo de chegada dos fótons incidentes. Um exemplo de uma aplicação é a formação de imagem de tempo de voo.
[00130] Em algumas modalidades, um fotodetector integrado pode ser utilizado nas técnicas de formação de imagem que são baseadas na medição de um perfil de tempo de luz espalhada ou refletida, incluindo medições de tempo de voo. Em tais medições de tempo de voo, um pulso de luz pode ser emitido em uma região ou amostra e a luz espalhada pode ser detectada pelo fotodetector integrado. A luz espalhada ou refletida pode ter um perfil de tempo distinto que pode indicar características da região ou amostra. A luz espalhada de fundo pela amostra pode ser detectada e resolvida por seu tempo de voo na amostra. Tal perfil de tempo pode ser uma função de espalhamento de ponto temporal (TPSF). O perfil de tempo pode ser adquirido pela medição da intensidade integrada através de múltiplos compartimentos de tempo depois que o pulso de luz é emitido. As repetições dos pulsos de luz e o acúmulo da luz espalhada podem ser realizadas em uma taxa determinada para garantir que todos os TPSF anteriores sejam completamente extintos antes da geração de um pulso de luz subsequente. Os métodos de formação de imagem ótica difusa resolvidos em tempo podem incluir tomografia ótica difusa espectroscópica onde o pulso de luz pode ser luz infravermelha a fim de criar a imagem em uma profundidade adicional na amostra. Tais métodos de formação de imagem ótica difusa resolvidos em tempo podem ser utilizados para detectar tumores em um organismo ou em parte de um organismo, tal como na cabeça de uma pessoa.
[00131] Adicionalmente ou alternativamente, as medições de tempo de voo podem ser utilizadas para medir a distância ou uma faixa de distâncias com base na velocidade da luz e tempo entre um pulso de luz emitido e detecção da luz refletida a partir de um objeto. Tais técnicas de tempo de voo podem ser utilizadas em uma variedade de aplicativos, incluindo câmeras, sensores de detecção de proximidade em automóveis, interfaces homem-máquina, robótica e outras aplicações que possam utilizar informação tridimensionais coletada por tais técnicas. Fotodetector Integrado para Portadores de Carga Fotogerados com Acondicionamento de Tempo
[00132] Algumas modalidades se referem a um circuito integrado possuindo um fotodetector que produz portadores de carga em resposta aos fótons incidentes e que é capaz de discriminar a temporização na qual os portadores de carga são gerados pela chegada de fótons incidentes com relação a um tempo de referência (por exemplo, um evento de acionamento). Em algumas modalidades, uma estrutura de segregação de portador de carga segrega os portadores de carga gerados em momentos diferentes e direciona os portadores de carga para uma ou mais regiões de armazenamento de portador de carga (chamados "compartimentos") que agregam os portadores de carga produzidos dentro de diferentes períodos de tempo. Cada compartimento armazena os portadores de carga produzidos dentro de um intervalo de tempo selecionado. A leitura da carga armazenada em cada compartimento pode fornecer informação sobre o número de fótons que chega dentro de cada intervalo de tempo. Tal circuito integrado pode ser utilizado em qualquer uma dentre uma variedade de aplicações, tal como as descritas aqui.
[00133] Um exemplo de um circuito integrado possuindo uma região de fotodetecção e uma estrutura de segregação de portador de carga será descrito. Em algumas modalidades, o circuito integrado pode incluir um conjunto de pixels, e cada pixel pode incluir uma ou mais regiões de fotodetecção e uma ou mais estruturas de segregação de portador de carga, como discutido abaixo.
[00134] A figura 2A ilustra um diagrama de um pixel 100, de acordo com algumas modalidades. O pixel 100 inclui uma região de absorção de fóton/geração de portador 102 (também referida como uma região de fotodetecção), uma região de percurso/captura de portador 106, uma região de armazenamento de portador 108 possuindo uma ou mais regiões de armazenamento de portador de carga, também referidas aqui como "compartimentos de armazenamento de portador de carga" ou simplesmente "compartimentos" e um conjunto de circuito de leitura 110 para ler os sinais a partir dos compartimentos de armazenamento de portador de carga.
[00135] A região de absorção de fóton/geração de portador 102 pode ser uma região de material semicondutor (por exemplo, silício) que pode converter os fótons incidentes em portadores de carga fotogerados. A região de absorção de fóton/geração de portador 102 pode ser exposta à luz, e pode receber fótons incidentes. Quando um fóton é absorvido pela região de absorção de fóton/geração de portador 102, o mesmo pode gerar portadores de carga fotogerados, tal como um par de elétron/furo. Os portadores de carga fotogerados também são referidos aqui simplesmente como "portadores de carga".
[00136] Um campo elétrico pode ser estabelecido na região de absorção de fóton/geração de portador 102. Em algumas modalidades, o campo elétrico pode ser "estático" como distinguido do campo elétrico em alteração na região de percurso/captura de portador 106. O campo elétrico na região de absorção de fóton/geração de portador 102 pode incluir um componente lateral, um componente vertical, ou ambos um componente lateral ou vertical. O componente lateral do campo elétrico pode ser na direção descendente da figura 2A, como indicado pelas setas, que induz uma força nos portadores de carga fotogerados que aciona os mesmos na direção da região de percurso de portador/captura 106. O campo elétrico pode ser formado de várias formas.
[00137] Em algumas modalidades, um ou mais eletrodos podem ser formados através da região de absorção de fóton/geração de portador 102. Os eletrodos podem ter voltagens aplicadas aos mesmos para estabelecer um campo elétrico na região de absorção de fóton/geração de portador 102. Tais eletrodos podem ser chamados de "fotoportas". Em algumas modalidades, a região de absorção de fótons/geração de portador 102 pode ser uma região de silício que é totalmente exaurida de portadores de carga.
[00138] Em algumas modalidades, o campo elétrico na região de absorção de fóton/geração de portador 102 pode ser estabelecido por uma junção, tal como uma junção PN. O material semicondutor da região de absorção de fóton/geração de portador 102 pode ser revestida para formar a junção PN com uma orientação e/ou formato que produzem um campo elétrico que induz uma força nos portadores de carga fotogerados que aciona os mesmos na direção da região de percurso/captura de portador 106. A produção do campo elétrico utilizando uma junção pode aperfeiçoar a eficiência quantum com relação ao uso de eletrodos sobrepondo a região de absorção de fóton/geração de portador 102 que pode impedir que uma parte dos fótons incidentes alcance a região de absorção de fóton/geração de portador 102. Utilizando-se uma junção é possível se reduzir a corrente escura com relação ao uso de fotoportas. Foi apreciado que a corrente escura pode ser gerada por imperfeiçoes na superfície do substrato semicondutor que pode produzir os portadores. Em algumas modalidades, o terminal P do diodo de junção PN pode ser conectado a um terminal que configura sua voltagem. Tal diodo pode ser referido como um fotodiodo "pinned". Um fotodiodo pinned pode promover a recombinação de portador na superfície, devido ao terminal que configura sua voltagem e atrai os portadores, o que pode reduzir a corrente escura. Os portadores de carga fotogerados que são desejáveis de se capturar podem passar sob a área de recombinação na superfície. Em algumas modalidades, o campo elétrico lateral pode ser estabelecido utilizando-se uma concentração de revestimento classificado no material semicondutor.
[00139] Em algumas modalidades, uma região de geração de absorção/portador 102 que possui uma junção para produzir um campo elétrico pode ter uma ou mais das seguintes características: uma região tipo n exaurida que é afunilada para longe do campo de tempo variável; um implante tipo p cercando a região tipo n com um espaço para transitar o campo elétrico lateralmente para a região tipo n; e/ou um implante de superfície tipo p que enterra a região tipo n e serve como uma região de recombinação para elétrons parasíticos.
[00140] Em algumas modalidades, o campo elétrico pode ser estabelecido na região de absorção de fóton/geração de portador 102 por uma combinação de uma junção e pelo menos um eletrodo. Por exemplo, uma junção e um eletrodo singular, ou dois ou mais eletrodos, podem ser utilizados. Em algumas modalidades, um ou mais eletrodos podem ser posicionados perto da região de percurso/captura de portador 106 para estabelecer o gradiente de potencial perto da região de percurso/captura de portador 106, que pode ser posicionada relativamente distante da junção.
[00141] Como ilustrado na figura 2A, um fóton pode ser capturado e um portador de carga 101A (por exemplo, um elétron) pode ser produzido no momento t1. Em algumas modalidades, um gradiente de potencial elétrico pode ser estabelecido ao longo da região de absorção de fóton/geração de portador 102 e a região de percurso/captura de portador 106 que faz com que o portador de carga 101A percorra na direção descendente da figura 2A (como ilustrado pelas setas ilustradas na figura 2A). Em resposta ao gradiente de potencial, o portador de carga 101A pode mover de sua posição no momento t1 para uma segunda posição no momento t2, uma terceira posição no momento t3, uma quarta posição no momento t4, e uma quinta posição no momento t5. O portador de carga 101A move, dessa forma, para dentro da região de percurso/captura de portador 106 em resposta ao gradiente de potencial.
[00142] A região de percurso/captura de portador 106 pode ser uma região semicondutora. Em algumas modalidades, a região de percurso/captura de portador 106 pode ser uma região semicondutora do mesmo material que a região de absorção de fóton/geração de portador 102 (por exemplo, silício) com a exceção de que a região de percurso/captura do portador 106 pode ser protegida contra luz incidente (por exemplo, por um material opaco sobreposto, tal como uma camada metálica).
[00143] Em algumas modalidades, e como discutido adicionalmente abaixo, um gradiente de potencial pode ser estabelecido na região de absorção de fóton/geração de portador 102 e a região de percurso/captura de portador 106 pelos eletrodos posicionados acima dessas regiões. Um exemplo do posicionamento de eletrodos será discutido com referência à figura 3B. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas quanto às posições particulares dos eletrodos utilizados para produzir um gradiente de potencial elétrico. Nem são as técnicas descritas aqui limitadas ao estabelecimento de um gradiente de potencial elétrico utilizando eletrodos. Em algumas modalidades, um gradiente de potencial elétrico pode ser estabelecido utilizando um perfil de revestimento espacialmente classificado e/ou uma junção PN. Qualquer técnica adequada pode ser utilizada para estabelecer um gradiente de potencial elétrico que faz com que os portadores de carga percorram ao longo da região de absorção de fóton/geração de portador 102 e a região de percurso/captura de portador 106.
[00144] Uma estrutura de segregação de portador de carga pode ser formada no pixel para permitir a segregação de portadores de carga produzidos em momentos diferentes. Em algumas modalidades, pelo menos uma parte da estrutura de segregação de portador de carga pode ser formada através da região de percurso/captura de portador 106. Como será descrito abaixo, a estrutura de segregação de portador de carga pode incluir um ou mais eletrodos formados através da região de percurso/captura de portador 106, a voltagem do qual pode ser controlada pelo conjunto de circuitos de controle para mudar o potencial elétrico na região de percurso/captura de portador 106.
[00145] O potencial elétrico na região de percurso/captura de portador 106 pode ser alterado para permitir a captura de um portador de carga. O gradiente de potencial pode ser alterado pela alteração da voltagem em um ou mais eletrodos sobrepostos à região de percurso/captura de portador 106 para produzir uma proteção de potencial que pode confinar um portador dentro de uma região espacial predeterminada. Por exemplo, a voltagem em um eletrodo sobreposto à linha tracejada na região de percurso/captura de portador 106 da figura 2A pode ser alterada no momento t5 para elevar uma proteção de potencial ao longo da linha tracejada na região de percurso/captura de portador 106 da figura 2A, capturando, assim, o portador de carga 101A. Como ilustrado na figura 2A, o portador capturado no momento t5 pode ser transferido para um compartimento "bin0" da região de armazenamento de portador 108. A transferência do portador para o compartimento de armazenamento de portador de carga pode ser realizada pela alteração do potencial na região de percurso/captura de portador 106 e/ou região de armazenamento de portador 108 (por exemplo, pela alteração da voltagem dos eletrodos sobrepostos a essas regiões) para fazer com que o portador percorra para dentro do compartimento de armazenamento de portador de carga.
[00146] A alteração do potencial em um determinado momento dentro de uma região espacial predeterminada da região de percurso/captura de portador 106 pode permitir o aprisionamento de um portador que foi gerado pela absorção de fóton que ocorreu dentro de um intervalo de tempo específico. Pelo aprisionamento dos portadores de carga fotogerados em momentos diferentes e/ou localizações diferentes, os momentos nos quais os portadores de carga foram gerados pela absorção de fótons podem ser discriminados. Nesse sentido, um portador de carga pode ser "acondicionado em tempo" pelo aprisionamento do portador de carga em um determinado momento e/ou espaço depois da ocorrência de um evento de acionamento. O acondicionamento em tempo de um portador de carga dentro de um compartimento particular fornece informação sobre o tempo no qual o portador de carga fotogerado foi gerado pela absorção de um fóton incidente, e, dessa forma, da mesma forma, "compartimentos de tempo" com relação ao evento de acionamento, a chegada de fótons incidentes que produziram o portador de carga fotogerado.
[00147] A figura 2B ilustra a captura de um portador de carga em um ponto diferente no tempo e espaço. Como ilustrado na figura 2B, a voltagem em um eletrodo sobreposto à linha tracejada na região de percurso/captura de portador 106 pode ser alterada no momento t9 para elevar uma proteção de potencial ao longo da linha tracejada na região de percurso/captura de portador 106 da figura 2B, capturando, assim, o portador 101B. Como ilustrado na figura 2B, o portador capturado no momento t9 pode ser transferido para um compartimento "bin1" da região de armazenamento de portador 108. Visto que o portador de carga 101B é aprisionado no momento t9, o mesmo representa um evento de absorção de fóton que ocorreu em um momento diferente (isso é, momento t6) do evento de absorção de fóton (isso é, em t1) para o portador 101A, que é capturado no momento t5.
[00148] A realização de múltiplas medições e agregação de portadores de carga nos compartimentos de armazenamento de portador de carga da região de armazenamento de portador 108 com base nos momentos nos quais os portadores de carga são capturados pode fornecer informação sobre os momentos nos quais os fótons são capturados na área de absorção de fóton/geração de portador 102. Tal informação pode ser útil em uma variedade de aplicações, como discutido acima.
[00149] A figura 3A ilustra uma região de confinamento de portador de carga 103 de um pixel 100A, de acordo com algumas modalidades. Como ilustrado na figura 3A, o pixel 100A pode incluir uma área de absorção de fóton/geração de portador 102A (também referida como uma região de fotodetecção), uma área de percurso/captura de portador 106A, um dreno 104, uma pluralidade de compartimentos de armazenamento de portador de carga bin0, bin1, bin2, bin3 de uma região de armazenamento de portador 108A, e uma região de leitura 110A.
[00150] A região de confinamento de portador de carga 103 é uma região na qual os portadores de carga fotogerados movem em resposta ao gradiente de potencial elétrico produzido por uma estrutura de segregação de portador de carga. Os portadores de carga podem ser gerados na área de absorção de fóton/geração de portador 102A dentro da região de confinamento de portador de carga 103.
[00151] A região de confinamento de portador de carga 103 pode ser formada a partir de qualquer material adequado, tal como um material semicondutor (por exemplo, silício). No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto, visto que qualquer material adequado pode formar a região de confinamento de portador de carga 103. Em algumas modalidades, a região de confinamento de portador de carga 103 pode ser cercada por um isolante (por exemplo, óxido de silício) para confinar os portadores de carga dentro da região de confinamento de portador de carga 103.
[00152] A parte da região de confinamento de portador de carga 103 na área de absorção de fóton/geração de portador 102A pode ter qualquer formato adequado. Como ilustrado na figura 3A, em algumas modalidades a parte da região de confinamento de portador de carga 103 na área de absorção de fóton/geração de portador 102A pode ter um formato afunilado, de modo que sua largura seja gradualmente reduzida perto da área de percurso/captura de portador 106A. Tal formato pode aperfeiçoar a eficiência do manuseio de carga, que pode ser útil particularmente em casos nos quais poucos fótons devem chegar. Em algumas modalidades, a parte da região de confinamento de portador de carga 103 na área de absorção de fóton/geração de portador 102A pode ser menos afunilada, ou pode não ser afunilada, que pode aumentar a faixa dinâmica. No entanto, as técnicas descritas aqui não são limitadas ao formato da região de confinamento de portador de carga 103 na área de absorção de fóton/geração de portador 102A.
[00153] Como ilustrado na figura 3A, uma primeira parte da região de confinamento de portador de carga 103 na área de percurso/captura de portador 106A pode se estender a partir da área de absorção de fóton/geração de portador 102A para um dreno 104. As extensões da região de confinamento de portador de carga 103 se estendem para os compartimentos de armazenamento de carga respectivos, permitindo que os portadores de carga sejam direcionados para dentro dos compartimentos de armazenamento de portador de carga por uma estrutura de segregação de portador de carga tal como descrito com relação à figura 3B. Em algumas modalidades, o número de extensões da região de confinamento de portador de carga 103 que está presente pode ser igual ao número de compartimentos de armazenamento de portador de carga, com cada extensão se estendendo para um compartimento de armazenamento de portador de carga respectivo.
[00154] A região de leitura 110A pode incluir um nó de difusão flutuante fd para ler os compartimentos de armazenamento de carga. O nó de difusão flutuante fd pode ser formado por uma difusão dos revestimentos tipo n em um material tipo p (por exemplo, substrato tipo p), por exemplo. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas aos tipos de revestimento em particular ou técnicas de revestimento.
[00155] A figura 3B ilustra o pixel 100A da figura 3A estabelece um potencial elétrico dentro da região de confinamento de portador de carga 103. Em algumas modalidades, os eletrodos Vb0-Vbn, b0-bm podem ter uma voltagem aplicada aos mesmos para estabelecer um gradiente de potencial dentro das regiões 102A e 106A de modo que os portadores de carga, por exemplo, elétrons, percorram na direção descendente da figura 3B na direção do dreno 104. Os eletrodos Vb0-Vbn podem estabelecer um gradiente de potencial na região de confinamento de carga 103 da área de absorção de fótons/geração de portador 102A. Em algumas modalidades, os eletrodos respectivos Vb0-Vbn podem estar em voltagens constantes. Os eletrodos b0-bm podem estabelecer um gradiente de potencial na região de confinamento de carga 103 da área de percurso/captura de portador 106A. Em algumas modalidades, os eletrodos b0-bm podem ter suas voltagens determinadas para níveis diferentes para permitir o aprisionamento de portadores de carga e/ou transferência de portadores de carga para um ou mais compartimentos de armazenamento de carga.
[00156] Os eletrodos st0 e st1 podem ter voltagens que mudam para transferir os portadores para os compartimentos de armazenamento de carga da região de armazenamento de portador de carga 108A. Portas de transferência tx0, tx1, tx2 e tx3 permitem a transferência de carga a partir dos compartimentos de armazenamento de carga pra o nó de difusão flutuante fd. O conjunto de circuito de leitura 110 incluindo o transistor de reconfiguração rt, o transistor de amplificação sf e o transistor de seleção rs também é ilustrado.
[00157] Em algumas modalidades, os potenciais do nó de difusão flutuante fd e cada uma das portas de transferência tx0-tx3 podem permitir o fluxo excessivo de portadores de carga para dentro da difusão flutuante em vez de para dentro da área de percurso/captura de portador 106A. Quando os portadores de carga são transferidos para dentro de um compartimento dentro da região de armazenamento de portador 108, os potenciais do nó de difusão flutuante fd e as portas de transferência tx0-tx3 podem ser suficientemente altos para permitir que quaisquer portadores de carga de fluxo excedente no compartimento flua para a difusão flutuante. Tal técnica de "proteção de fluxo excessivo de portador" pode reduzir o fluxo excessivo de portadores e a difusão para dentro da área de percurso/captura de portador 106A e/ou outras áreas do pixel. Em algumas modalidades, uma técnica de proteção de fluxo excessivo de proteção pode ser utilizada para remover quaisquer portadores de carga de fluxo excessivo gerados por um pulso de excitação. Permitindo-se que os portadores de carga de fluxo excessivo fluam para a difusão flutuante, esses portadores de carga não são capturados em um ou mais compartimentos de tempo, reduzindo, assim, o impacto do pulso de excitação nos siais de compartimento de tempo durante a leitura.
[00158] Em algumas modalidades nas quais os eletrodos Vb0-Vbn e b0-bm são dispostos através da região de absorção de fóton/geração de portador 102 e/ou região de percurso/captura de portador 106, os eletrodos Vb0-Vbn e b0-bm podem ser configurados para voltagens que aumentam para posições progredindo de cima para baixo da figura 3B, estabelecendo, assim, o gradiente de potencial que faz com que os portadores de carga percorram na direção descendente da figura 3B na direção do dreno 104. Em algumas modalidades, o gradiente de potencial pode variar monotonicamente na região de absorção de fóton/geração de portador 102 e/ou região de percurso/captura de portador 106, que pode permitir que os portadores de carga percorram ao longo do gradiente de potencial para dentro da região de percurso/captura de portador 106. Em algumas modalidades, o gradiente de potencial pode alterar linearmente com relação à posição ao longo da linha A-A'. Um gradiente de potencial linear pode ser estabelecido pela configuração de eletrodos para voltagens que variam de forma linear através da dimensão vertical da figura 3B. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas a um gradiente de potencial linear, visto que qualquer gradiente de potencial adequado pode ser utilizado. Em algumas modalidades, o campo elétrico na região de percurso/captura de portador 106 pode ser alto o suficiente de modo que os portadores de carga movam rápido o suficiente na região de percurso/captura de portador 106 de modo que o tempo de trânsito seja pequeno em comparação com o tempo através do qual os fótons podem chegar. Por exemplo, no contexto de medição de vida útil de fluorescência, o tempo de trânsito dos portadores de carga pode ser reduzido em comparação com a vida útil de um marcador luminescente sendo medido. O tempo de trânsito pode ser reduzido pela produção de um campo elétrico classificado suficientemente na região de percurso/captura de portador 106.
[00159] A figura 3C ilustra uma modalidade na qual uma região de absorção de fóton/geração de portador 102 inclui uma junção PN. A figura 3C ilustra um eletrodo externo 302, que pode estar em um potencial relativamente baixo, "pinning", assim, o potencial da superfície em um potencial relativamente baixo. Um eletrodo 304 pode ser incluído para auxiliar na produção do gradiente de potencial para um campo elétrico estático que aciona os portadores na direção da área de percurso/captura de portador 106 (a parte inferior da área de percurso/captura de portador 106 não é ilustrada). A figura 3C indica as regiões de difusão, polissilício, contato e metal 1.
[00160] A figura 3D ilustra uma vista superior de um pixel como na figura 3C, com a adição de características de revestimento. A figura 3D também ilustra os portadores varrendo o campo elétrico até a região 106 ao longo do gradiente de potencial estabelecido pela junção PN e o eletrodo 304. A figura 3D indica as regiões de difusão, polissilício, contato, metal 1, implante N, implante P, e P-epi.
[00161] A figura 3E ilustra uma vista superior de um pixel como na figura 3C, incluindo a área de percurso/captura de portador 106.
[00162] A figura 3F ilustra um conjunto de pixels como na figura 3E. A figura 3F indica as regiões de difusão, polissilício, contato e metal 1.
[00163] A figura 3G ilustra o conjunto de pixels da figura 3F e também indica as regiões de difusão, polissilício, contato, metal 1, implante N, implante P e P-epi.
[00164] A figura 4 ilustra um diagrama de circuito do pixel 100A da figura 3B. A área de confinamento de portador de carga 103 é ilustrada por linhas escuras pesadas. Além disso são ilustrados os eletrodos, área de armazenamento de portador de carga 108 e conjunto de circuitos de leitura 110. Nessa modalidade, os compartimentos de armazenamento de carga bin0, bin1, bin2, e bin3 da região de armazenamento de portador 108 estão dentro da área de confinamento de portador 103 sob o eletrodo st1. Como discutido acima, em algumas modalidades, uma junção pode ser utilizada para produzir um campo estático na região 102 em vez de ou em adição aos eletrodos.
[00165] A luz é recebida de uma fonte de luz 120 na área de absorção de fóton/geração de portador 102. A fonte de luz 120 pode ser qualquer tipo de fonte de luz, incluindo uma amostra luminescente (por exemplo, conectada a um ácido nucleico) ou uma região ou cena a ser criada, por meio de exemplo e não de limitação. Uma proteção de luz 121 impede que a luz alcance a área de percurso/captura de portador 106. A proteção de luz 121 pode ser formada a partir de qualquer material adequado, tal como camada metálica do circuito integrado, por meio de exemplo e não de limitação.
[00166] A figura 5A ilustra um gradiente de potencial que pode ser estabelecido na área de confinamento de portador de carga 103 na área de absorção de fóton/geração de portador 102 e área de percurso/captura de portador 106 ao longo da linha A-A' da figura 3B. Como ilustrado na figura 5A, um portador de carga (por exemplo, um elétron) pode ser gerado pela absorção de um fóton dentro da área de absorção de fóton/geração de portador 102. Os eletrodos Vb0-Vbn e b0- bm são configurados para voltagens que aumentam para a direita da figura 5A para estabelecer o gradiente de potencial que faz com que os elétrons fluam para a direita na figura 5A (a direção descendente da figura 3B). Adicionalmente ou alternativamente, uma junção PN pode estar presente para estabelecer ou auxiliar no estabelecimento do campo. Em tal modalidade, os portadores podem fluir além da superfície, e a figura 5A (e figuras relacionadas) ilustra o potencial na região onde os portadores fluem. Inicialmente, os portadores podem fluir através da área de percurso/captura de portador 106 para dentro do dreno 104, como ilustrado nas figuras 6A, 6B e 6C. A figura 6A ilustra a posição de um portador 101 uma vez que seja fotogerado. A figura 6B ilustra a posição de um portador 101 pouco depois, à medida que percorre na direção descendente em resposta ao gradiente de potencial estabelecido. A figura 6C ilustra a posição do portador 101 à medida que alcança o dreno 104.
[00167] A figura 5B ilustra que depois de um período de tempo uma proteção de potencial 501 para os elétrons pode ser elevada em um momento t1 pela redução da voltagem do eletrodo b0. A proteção de potencial 501 pode impedir que um elétron percorra para a direita na figura 5B, como ilustrado na figura 6D, 6E e 6F. A figura 6D ilustra a posição de um portador 101 (por exemplo, um elétron) uma vez que é fotogerado. A figura 6E ilustra a posição de um portador 101 pouco depois, à medida que percorre na direção descendente em resposta ao gradiente de potencial. A figura 6F ilustra a posição do portador 101 à medida que alcança a proteção de potencial 501 depois do momento t1.
[00168] A figura 5C ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial 502 para os elétrons pode ser elevada no momento t2 pela redução da voltagem do eletrodo b2. Se um elétron chegar entre os eletrodos b0 e b2 entre os momentos t1 e t2, o elétron será capturado entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502, como ilustrado na figura 5C e na figura 6G.
[00169] A figura 5D ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial 503 para os elétrons pode ser elevada no momento t3 pela redução da voltagem do eletrodo b4. Se um elétron chegar entre os eletrodos b2 e b4 entre os momentos t2 e t3, o elétron será aprisionado em um local entre a proteção de potencial 502 e a proteção de potencial 503. No exemplo da figura 5D e 6H, um elétron chegou entre os momentos t1 e t2, de modo que permaneça capturado entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502.
[00170] A figura 5E ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial 504 para elétrons pode ser elevada no momento t4 pela redução da voltagem do eletrodo b6. Se um elétron chegar entre os eletrodos b4 e b6 entre os momentos t3 e t4, o elétron será aprisionado em um local entre a proteção de potencial 503 e a proteção de potencial 504. No exemplo da figura 5E e 6I, um elétron chegou entre os momentos t1 e t2, de modo que permaneceu entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502.
[00171] A figura 5F ilustra que depois de outro período de tempo, outra proteção de potencial 505 para elétrons pode ser elevada no momento t5 pela redução da voltagem do eletrodo bm. Se um elétron chegar entre os eletrodos b6 e bm entre os momentos t4 e t5, o elétron será aprisionado em um local entre a proteção de potencial 504 e a proteção de potencial 505. No exemplo da figura 5F e 6J, um elétron chegou entre os momentos t1 e t2, de modo que permaneceu entre a proteção de potencial 501 e a proteção de potencial 502.
[00172] A figura 6K ilustra um diagrama de temporização de voltagem ilustrando as voltagens dos eletrodos b0-b8, st0 e st1 com o tempo. Um portador de carga movendo através da área de percurso/captura de portador 106 durante a sequência de elevação das proteções de potencial 501-505 será capturado em um local dentro da área de percurso/captura de portador 106 que depende do momento no qual chegou na área de percurso/captura de portador 106, que, por sua vez, depende do momento no qual o portador de carga foi gerado pela absorção de fóton na área de absorção de fóton/geração de portador 102. A temporização com a qual as proteções de potencial 501-505 são elevadas configura a temporização dos compartimentos de armazenamento de carga bin0-bin3. Como ilustrado na figura 6K, um portador que chega entre os momentos t1 e t2 será aprisionado dentro de um intervalo de tempo para bin0, um portador que chega entre os momentos t2 e t3 será aprisionado dentro de um intervalo de tempo para bin1, um portador que chega entre os momentos t3 e t4 será aprisionado dentro de um intervalo de tempo para bin2, e um portador que chega entre os momentos t4 e t5 será aprisionado dentro de um intervalo de tempo para bin3.
[00173] Depois da sequência ilustrada nas figuras 5A a 5F, um portador de carga capturado pode então ser transferido para o compartimento de armazenamento de portador de carga adequado com base na localização na qual o portador de carga é capturado dentro da área de percurso/captura de portador 106. Nessa modalidade, se um elétron for capturado sob o eletrodo b1, o mesmo é transferido para bin0. Se um elétron for capturado sob o eletrodo b3, o mesmo é transferido para bin1. Se um elétron for capturado sob o eletrodo b5, o mesmo é transferido para bin2. Se um elétron for capturado sob o eletrodo b7, o mesmo é transferido para bin3. Em algumas modalidades, a transferência de qualquer portador capturado dentro da área de percurso/captura de portador 106 para seus compartimentos correspondentes pode ser realizada em paralelo (por exemplo, simultaneamente). No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas à transferência de portadores capturados para compartimentos de armazenamento de carga em paralelo.
[00174] Como ilustrado na figura 6K, depois da sequência ilustrada nas figuras de 5A a 5F, as voltagens nos eletrodos st0 e st1 podem ser alteradas para transferir quaisquer portadores de carga capturados para os compartimentos de armazenamento de portador de carga correspondentes. Uma sequência ilustrativa para transferência de portadores de carga capturados será discutida com relação às figuras 6K e de 7A a 7G.
[00175] A figura 7A ilustra uma representação de um potencial para uma seção transversal da área de confinamento de portador de carga 103 ao longo da linha B-B' da figura 3B. A figura 7A ilustra o potencial no momento t5 (figura 6K) em um exemplo no qual um elétron é capturado entre as proteções de potencial 503 e 504. Uma vista plana ilustrando um elétron capturado entre as proteções de potencial 503 e 504 é ilustrada na figura 7E.
[00176] A figura 7B ilustra que depois do momento t5 a voltagem nos eletrodos b1, b3, b5 e b7 pode, opcionalmente, ser reduzida (não ilustrado na figura 6K0 para elevar a posição de um elétron dentro do poço de potencial, para facilitar a transferência do elétron.
[00177] A figura 7C ilustra que no momento t6 (figura 6K), as voltagens nos eletrodos st0 e st1 podem ser elevadas. A alteração das voltagens dos eletrodos dessa forma pode fornecer um gradiente de potencial que causa uma transferência do portador de carga capturado na área de percurso/captura de portador 106 para um compartimento de armazenamento de carga correspondente sob o eletrodo st1. Uma vista plana ilustrando a voltagem do eletrodo st1 sendo elevada e o portador 101 sendo transferido é ilustrada na figura 7F.
[00178] A figura 7D ilustra que no momento t7, a voltagem no eletrodo st0 pode ser eliminada, confinando, assim, o portador capturado (se algum) no compartimento correspondente (bin2, nesse exemplo). A voltagem no eletrodo b6 pode ser elevada no momento t8 para reestabelecer o gradiente de potencial na área de percurso/captura de portador 106. Uma vista plana ilustrando o eletrodo de voltagem st1 sendo abaixado e o portador 101 sendo capturado em bin2 é ilustrada na figura 7G.
[00179] A figura 7H ilustra as características dos eletrodos de uma estrutura de segregação de portador de carga, de acordo com algumas modalidades. A figura 7H especifica, para cada eletrodo, a voltagem durante a fase de gradiente, a voltagem durante a fase de acondicionamento, a voltagem durante a fase de transferência, a voltagem durante a fase de leitura alta, e o tipo de mudança de voltagem. No entanto, isso é meramente ilustrativo, e as técnicas descritas aqui não estão limitadas aos detalhes de implementação ilustrados na figura 7H.
[00180] A repetição do processo de absorção de fóton/geração de portador e o acondicionamento em tempo de portadores de carga fotogerados pode permitir a coleta de informação estatística sobre os momentos nos quais os fótons chegam ao fotodetector, como discutido abaixo.
[00181] Em algumas modalidades, uma "medição" pode incluir o recebimento de um fóton, a captura de um portador de carga em um momento e/ou local em particular e a transferência do portador capturado para um nó de armazenamento de carga correspondente a um período de tempo ou compartimento em particular. Uma medição pode ser repetida várias vezes para coletar a informação estatística sobre os momentos nos quais os fótons chegam ao fotodetector.
[00182] A figura 8A ilustra um fluxograma de um método 700 que inclui a realização de uma pluralidade de medições 720, de acordo com algumas modalidades. Tal método pode ser realizado pelo menos parcialmente por um dispositivo integrado como descrito aqui.
[00183] Na etapa 702, uma medição 720 pode ser iniciada por um evento de acionamento. Um evento de acionamento pode ser um evento que serve como uma referência de tempo para a chegada de condicionamento em tempo de um fóton. O evento de acionamento pode ser um pulso ótico ou um pulso elétrico, por exemplo, e pode ser um evento singular ou um evento periódico repetido. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, o evento de acionamento pode ser a geração de um pulso de excitação de luz para excitar um fluoróforo. No contexto de formação de imagem de tempo de voo, o evento de acionamento pode ser um pulso de luz (por exemplo, de um flash) emitido por um dispositivo de formação de imagem compreendendo o fotodetector integrado. O evento de acionamento pode ser qualquer evento utilizado como um referência para a temporização de chegada dos fótons ou portadores.
[00184] A geração do pulso de excitação de luz pode produzir um número significativo de fótons, alguns dos quais pode alcançar o pixel 100 e pode produzir portadores de carga na área de absorção de fóton/geração de portador 102 Visto que a medição dos portadores fotogerados a partir do pulso de excitação de luz não é desejável, os mesmos podem fluir descendentemente pelo potencial elétrico até o dreno 104 sem serem capturados. Permitir que os portadores fotogerados produzidos por um pulso de excitação de luz fluam para o dreno 104 sem serem capturados pode reduzir a quantidade de sinal in desejável que, do contrário, poderia precisar ser impedida de chegar pelos componentes óticos complexos, tal como o obturador ou filtro, o que pode adicionar complexidade ao desenho e/ou custo adicionais. A temporização da elevação de uma ou mais proteções de potencial dentro da área de percurso/captura de portador 106 pode ser temporizada de modo que os portadores fotogerados causados por qualquer fluxo de sinal ótico indesejável fluam para o dreno 104. Ademais, essa técnica pode ser utilizada com qualquer número de compartimentos de tempo, incluindo modalidades com apenas um único compartimento de tempo. Por exemplo, um pixel pode incluir um único compartimento de tempo e um dreno onde a temporização das proteções de potencial reduzem o sinal associado com o pulso de excitação enquanto capturam o sinal ótico desejado dentro da área de percurso/captura de portador 106.
[00185] A medição 720 pode então começar na etapa 704, onde os fótons que se deseja detectar podem ser absorvidos e um portador de carga pode ser gerado na região 102. No contexto de medição de vida útil de fluorescência ou formação de imagem de tempo de voo, a etapa 704 pode começar depois que o pulso de excitação de luz é completado.
[00186] Na etapa 706, os portadores de carga movendo através da área de percurso/captura de portador 106 podem ser capturados em locais predeterminados em momentos selecionados com relação ao evento de acionamento 702. Em algumas modalidades, os portadores de carga podem ser capturados em uma ou mais regiões da área de percurso/captura de portador 106 pela elevação de uma ou mais proteções de potencial para aprisionar um portador em um local que depende do momento no qual foi gerado pela absorção de fóton, como discutido acima.
[00187] Na etapa 708, os portadores de carga capturados, se presentes, podem ser transferidos do local no qual os portadores de carga capturados foram capturados para um compartimento de armazenamento de carga correspondente, "acondicionando em tempo", assim, o portador de carga.
[00188] Seguindo a etapa 708, a medição 720 pode ser repetida n-1 vezes para obter informação estatística referente aos períodos de tempo nos quais os fótons tendem a chegar depois de um evento de acionamento 702. Os portadores de carga acondicionados em tempo podem ser agregados nos compartimentos de armazenamento de carga correspondentes à medida que a medição 720 é repetida. A repetição da medição 720 pode permitir a agregação de um número suficiente de portadores de carga nos compartimentos de armazenamento de portador de carga para fornecer resultados estatisticamente significativos. Por exemplo, no contexto da medição de vida útil de fluorescência, pode ser esperado que um evento de absorção de fóton em resposta a um fóton recebido de um fluoróforo possa ocorrer de forma relativamente rara. Por exemplo, pode-se esperar que tal evento ocorra uma vez a cada 1.000 medições. De acordo, um grande número de medições 720 pode precisar ser realizado para agregar um número suficiente de portadores de carga nos compartimentos de armazenamento de portador de carga de modo que os resultados sejam estatisticamente significativos. Em algumas modalidades, o número de medições n de um fluoróforo que pode ser realizado para a medição da vida útil de fluorescência pode ser de 500.000 ou mais, ou 1.000.000 ou mais, para permitir a captura e acondicionamento de um número suficiente de portadores de carga em cada compartimento (isso é, dezenas ou centenas, ou mais, em algumas modalidades).
[00189] Uma vez que o número alocado de medições n foi realizado, o método 700 pode prosseguir para a etapa 710 de leitura dos compartimentos de tempo. A leitura dos compartimentos de tempo pode incluir a conversão da quantidade de carga agregada em cada um dos compartimentos de armazenamento de carga em voltagens correspondentes, como será discutido abaixo.
[00190] A figura 8B é um diagrama ilustrando um pulso de excitação sendo gerado no momento t0, e os compartimentos de tempo bin0-bin3. Note-se que nesse exemplo os compartimentos de tempo para medição de fotos não começam até t1, um período de tempo após t0, que permite que a luz de excitação termine antes da medição dos fótons de sinal.
[00191] A figura 8C ilustra uma representação do número de fótons/portadores de carga em cada compartimento de tempo para um conjunto de medições de vida útil de fluorescência no qual a probabilidade de a fluorescência do marcador ou matriz diminuir exponencialmente com o tempo. Pela repetição da sequência de excitação, a captura de carga, e transferência para compartimentos respectivos muitas vezes e leitura da quantidade de portadores de carga transferidos para dentro de cada compartimento, um histograma do número de fótons registrados em compartimentos diferentes pode ser produzido permitindo a determinação ou aproximação da vida útil de um fluoróforo.
[00192] O método 700 pode ser realizado através de qualquer período de tempo adicional no qual os fótons devem ser capturados. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, um período adequado para realização do método 700 pode ser de 10 milissegundos, por exemplo. Em algumas modalidades, as etapas 702 a 708 podem ser repetidas em uma frequência que está na faixa de MHz. Em algumas modalidades, os compartimentos de tempo podem ter uma resolução na escala de picossegundos ou nanossegundos. Multiplexação Temporal de Detecção em Resposta a Eventos de Acionamento Diferentes
[00193] Em algumas modalidades, as medições podem ser realizadas utilizando-se uma pluralidade de tipos diferentes de eventos de acionamento. Os eventos de acionamento podem ser multiplexados em tempo de modo que um pixel receba luz em resposta aos tipos diferentes de eventos de acionamento em diferentes períodos de tempo. Por exemplo, no contexto de medições de vida útil de luminescência, os eventos de acionamento podem ser pulsos de luz de excitação (por exemplo, pulsos de laser) de comprimentos de onda diferentes XI e λ2, que podem excitar diferentes moléculas luminescentes (por exemplo, fluoróforos). Em algumas modalidades, os fluoróforos podem ser identificados e/ou discriminados um do outro com base em sua resposta a diferentes comprimentos de onda λ1 e λ2 da luz de excitação. A excitação de uma amostra com pulsos de excitação de luz de comprimentos de onda λ1 e λ2 em momentos diferentes, e a análise da luminescência emitida pela amostra em resposta, podem permitir a detecção e/ou identificação de moléculas luminescentes com base no fato de se a luminescência é detectada em um primeiro período de tempo em resposta à luz de excitação do comprimento de onda λ1, ou em um segundo período de tempo em resposta à luz de excitação do comprimento de onda λ2. Em adição a, ou como uma alternativa à tal multiplexação temporal, as moléculas luminescentes podem ser identificadas e/ou determinadas com base na medição de suas vidas úteis de luminescência.
[00194] Em algumas modalidades, um ácido nucleico pode ser sequenciado com base na detecção da luz emitida por um ou mais fluoróforos anexados aos nucleotídeos do ácido nucleico. Em algumas modalidades, tal sequenciamento pode ser realizado pela multiplexação temporal da luz de excitação de diferentes comprimentos de onda, com base na medição das vidas úteis de luminescência, ou com base em uma combinação de tais técnicas.
[00195] Por exemplo, em algumas modalidades, quatro fluoróforos diferentes podem ser conectados aos nucleotídeos respectivos (por exemplo, A, C, G e T) de um ácido nucleico. Os quatro fluoróforos podem ser distinguidos um do outro com base em uma combinação de comprimento de onda de excitação e vida útil de luminescência, como ilustrado no gráfico abaixo.
[00196] Em algumas modalidades, o fotodetector integrado pode multiplexar temporalmente a detecção de fótons produzidos por uma amostra em resposta aos pulsos de excitação de luz de comprimentos de onda diferentes. Por exemplo, em um primeiro período de tempo, a luz produzida por uma amostra em resposta à luz de excitação do comprimento de onda λi pode ser detectada. Subsequentemente, em um segundo período de tempo, a luz produzida por uma amostra em resposta à luz de excitação do comprimento de onda λ2 pode ser detectada. Para se fazer isso, um pixel possuindo uma pluralidade de compartimentos de tempo pode utilizar um primeiro subconjunto de compartimentos de tempo para detectar a chegada de fótons no primeiro período de tempo e um segundo subconjunto de compartimentos de tempo para detectar a chegada de fótons no segundo período de tempo. Pelo exame de se a luz chega em um pixel durante o primeiro período de tempo ou segundo período de tempo, pode ser determinado se um fluoróforo está fluorescendo em resposta à luz do comprimento de onda λi ou luz do comprimento de onda λ2.
[00197] Em algumas modalidades, a informação referente aos momentos de chegada de fótons em resposta a um pulso de excitação de luz pode ser utilizada para determinar e/ou discriminar a vida útil de fluorescência e, dessa forma, identificar um fluoróforo. Em algumas modalidades, um primeiro pulso de excitação de um primeiro comprimento de onda pode ser emitido, então um primeiro subconjunto de compartimentos de tempo de um pixel pode ser utilizado para acondicionar em tempo a chegada dos fótons incidentes em um primeiro intervalo de tempo. Então, um segundo pulso de excitação de um segundo comprimento de onda pode ser emitido, e um segundo subconjunto de compartimentos de tempo do pixel pode ser utilizado para acondicionar em tempo a chegada de fótons incidentes em um segundo intervalo de tempo. De acordo, se os fótons forem recebidos no primeiro intervalo de tempo e/ou o segundo intervalo de tempo, a informação sobre a vida útil do fluoróforo que produziu os fótons pode ser obtida. A repetição do processo de multiplexação temporal dos pulsos de excitação de luz juntamente com a informação de medição referente às vidas úteis de fluorescência pode fornecer informação suficiente para permitir a identificação do fluoróforo. De acordo, o nucleotídeo ao qual o fluoróforo é anexado pode ser identificado. À medida que uma reação de sequenciamento progride, nucleotídeos adicionais podem ser incorporados a uma polimerase com o tempo. A realização e repetição do processo de multiplexação temporal de pulsos de excitação de luz com medições de vidas úteis de fluorescência pode fornecer informação suficiente para permitir a identificação de tais fluoróforos. De acordo, a sequência de nucleotídeos em um ácido nucleico pode ser determinada.
[00198] A figura 8D ilustra um método de operação do fotodetector integrado de acordo com algumas modalidades nas quais a luz é recebida no fotodetector integrado em resposta a uma pluralidade de diferentes eventos de acionamento. A figura 8E ilustra voltagens dos eletrodos da estrutura de segregação de portador de carga quando da realização do método da figura 8D.
[00199] Na etapa 802, uma medição 820 pode ser iniciada por um evento de acionamento A. O evento de acionamento A pode ser um evento que serve como uma referência de tempo para a chegada de acondicionamento em tempo de um fóton. O evento de acionamento pode ser um pulso ótico ou um pulso elétrico, por exemplo, e pode ser um evento singular ou um evento periódico repetido. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, o evento de acionamento A pode ser a geração de um pulso de excitação de luz em um primeiro comprimento de onda para excitar um primeiro tipo de fluoróforo.
[00200] A geração do pulso de excitação de luz pode produzir um número significativo de fótons, alguns dos quais pode alcançar o pixel 100 e pode produzir portadores de carga na área de absorção de fóton/geração de portador 102. Visto que os portadores fotogerados a partir do pulso de excitação de luz não devem ser medidos, os mesmos podem fluir descendentemente pelo potencial elétrico até o dreno 104 sem serem capturados, como discutido acima. A elevação de uma ou mais proteções de potencial dentro da área de percurso/captura de portador 106 pode ser temporizada de modo que os portadores fotogerados causados por qualquer fluxo de sinal ótico indesejado flua para o dreno 104.
[00201] A medição 820 pode então prosseguir na etapa 804, onde os fótons que se deve detectar possam ser absorvidos e um portador de carga pode ser gerado na região 102. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, a etapa 804 pode começar depois que o pulso de excitação de luz é completado.
[00202] Na etapa 806, os portadores de carga movendo através da área de percurso/captura de portador 106 podem ser capturados nos locais predeterminados em momentos selecionados com relação ao evento de acionamento 802. Em algumas modalidades, os portadores de carga podem ser capturados em uma ou mais regiões da área de percurso/captura de portador 106 pela elevação de uma ou mais proteções de potencial para aprisionar um portador em um local que depende do momento no qual foi gerado pela absorção de fóton, como discutido acima. Em algumas modalidades, a etapa 806 pode incluir a elevação de proteções de potencial 501, 503 e 503 em sucesso, capturando, assim, a carga (se presente) correspondente aos compartimentos de tempo bin0 e/ou bin1.
[00203] Na etapa 808, os portadores de carga capturados, se presentes, podem ser transferidos a partir do local no qual foram capturados para um compartimento de armazenamento de carga correspondente, "acondicionando em tempo", dessa forma, o portador de carga. Por exemplo, qualquer carga capturada correspondente aos compartimentos de tempo bin0 e/ou bin1 podem ser transferidos para os compartimentos bin0 e/ou bin1 na etapa 808 utilizando uma técnica ilustrada nas figuras 7A a 7D, por exemplo.
[00204] Na etapa 810, uma segunda medição 821 pode ser iniciada por um evento de acionamento B. O evento de acionamento B pode ser um evento que serve como uma referência de tempo para acondicionamento em tempo da chegada de um fóton. O evento de acionamento pode ser um pulso ótico ou um pulso elétrico, por exemplo, e pode ser um evento singular ou um evento periódico repetido. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, o evento de acionamento B pode ser a geração de um pulso de excitação de luz em um segundo comprimento de onda para excitar um segundo tipo de fluoróforo.
[00205] A geração do pulso de excitação de luz pode produzir um número significativo de fótons, alguns dos quais podem alcançar o pixel 100 e podem produzir os portadores de carga na área de absorção de fóton/geração de portador 102. Visto que os portadores fotogerados a partir do pulso de excitação de luz não devem ser medidos, os mesmos podem fluir descendentemente pelo potencial elétrico até o dreno 104 sem serem capturados, como discutido acima. A elevação de uma ou mais proteções de potencial dentro da área de percurso/captura de portador 106 pode ser temporizada de modo que os portadores fotogerados causados por qualquer fluxo de sinal ótico indesejável fluam para o dreno 104.
[00206] A segunda medição 821 pode então prosseguir na etapa 812, onde os fótons que se deseja detectar possam ser absorvidos e um portador de carga pode ser gerado na região 102. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, a etapa 812 pode começar depois de o segundo pulso de excitação de luz ser completado.
[00207] Na etapa 814, os portadores de carga movendo através da área de percurso/captura de portador 106 podem ser capturados em locais predeterminados em momentos selecionados com relação ao evento de acionamento 810. Em algumas modalidades, os portadores de carga podem ser capturados em uma ou mais regiões da área de percurso/captura de portador 106 pela elevação de uma ou mais proteções de potencial para aprisionar um portador em um local que depende do momento no qual foi gerado pela absorção de fóton, como discutido acima. Em algumas modalidades, a etapa 814 pode incluir a elevação de proteções de potencial 503, 504 e 505 em sucessão, capturando, assim, a carga (se presente) correspondente aos compartimentos de tempo bin2 e/ou bin3.
[00208] Na etapa 816, os portadores de carga capturados, se presentes, podem ser transferidos do local no qual foram capturados para um compartimento de armazenamento de carga correspondente, "acondicionando em tempo", dessa forma, o portador de carga. Por exemplo, qualquer carga capturada correspondente aos compartimentos de tempo bin2 e/ou bin3 pode ser transferida para os compartimentos bin2 e/ou bin3 na etapa 816 utilizando uma técnica ilustrada nas figuras 7A a 7D, por exemplo.
[00209] Apesar de um exemplo ter sido descrito no qual um pixel tem quatro compartimentos de tempo, e dois compartimentos são alocados para medir os tempos de chegada de luz produzida em resposta a cada um dos respectivos pulsos de excitação de luz, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto. Por exemplo, o pixel pode ter um número maior ou menor de compartimentos, que pode ser alocado de qualquer forma adequada pela medição da luz em resposta a diferentes pulsos de excitação. Adicionalmente, as técnicas descritas aqui não estão limitadas aos pulsos de excitação de luz de dois comprimentos de onda diferentes, visto que os pulsos de excitação de luz de qualquer um dos comprimentos de onda pode ser utilizado, e multiplexados de acordo.
[00210] Seguindo a etapa 816, as medições 820 e 821 podem ser repetidas n-1 vezes para obter informação estatística referente aos períodos de tempo nos quais os fótons tendem a chegar depois de um evento de acionamento. Os portadores de carga acondicionados em tempo podem ser agregados em compartimentos de armazenamento de carga correspondentes à medida que as medições são repetidas.
[00211] Uma vez que o número alocado de medições n foi realizado, o método 800 pode prosseguir para a etapa 710 de leitura dos compartimentos de tempo. A leitura dos compartimentos de tempo pode incluir a conversão da quantidade de carga agregada em cada um dos compartimentos de armazenamento de carga em voltagens correspondentes, como será discutido abaixo. Conjunto de Circuitos de Leitura e Sequências Ilustrativos
[00212] Como ilustrado nas figuras 2A e 2B, o pixel 100 pode incluir um conjunto de circuitos de leitura 110 que permite a leitura da carga armazenada nos compartimentos de armazenamento de carga da região de armazenamento de portador de carga 108. O pixel 100 pode ser um pixel ativo, de modo que o conjunto de circuitos de leitura 110 inclua um amplificador de leitura, ou um pixel passivo no qual o conjunto de circuitos de leitura 110 não inclua um amplificador de leitura. Qualquer tipo adequado de conjunto de circuitos de leitura de pixel ativo ou pixel passivo pode ser utilizado.
[00213] Se o conjunto de circuitos de leitura 110 incluir um amplificador de leitura, qualquer tipo adequado de amplificador pode ser utilizado. Exemplos de amplificadores adequados inclui amplificadores com base em uma configuração de fonte comum e amplificadores baseados em uma configuração de seguidor de fonte. No entanto, as técnicas descritas aqui não são limitadas a qualquer configuração de amplificador em particular.
[00214] Se o conjunto de circuitos de leitura 110 incluir um amplificador de leitura, o amplificador de leitura pode recolher a carga acumulada em um compartimento de armazenamento de carga (por exemplo bin0, bin1, bin2 ou bin3) como uma entrada e produzir uma voltagem representativa da carga no compartimento de armazenamento de carga como uma saída.
[00215] Um exemplo do conjunto de circuitos de leitura 110 com base em uma configuração de seguidor de fonte é ilustrado na figura 4. O exemplo do conjunto de circuitos de leitura 110 ilustrado na figura 4 é uma configuração "4T" possuindo quatro transistores: rt, sf, rs e uma das portas de transferência tx0-tx3. Visto que três transistores rt, sf e rs são compartilhados entre cada compartimento de armazenamento de carga, o conjunto de circuitos ilustrativo ilustrado na figura 4 para todos os quatro compartimentos é uma configuração "1,75T" (4 portas de transferência + 3 transistores)/4 compartimentos. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas à utilização de um conjunto de circuitos de leitura 110 possuindo uma configuração 1,75T, visto que qualquer outro tipo de configuração de leitura pode ser utilizado.
[00216] Adicionalmente, qualquer uma das técnicas de leitura adequadas pode ser utilizada, incluindo técnicas de redução de ruído. Em algumas modalidades, o conjunto de circuitos de leitura 110 pode ler os compartimentos de armazenamento de portador de carga utilizando a amostragem dupla correlacionada. A amostragem dupla correlacionada é a técnica na qual uma primeira amostra pode ser retirada de um nó em um nível de voltagem de reconfiguração que inclui uma quantidade indeterminada de ruído, e uma segunda amostra pode ser recolhida de um nível de sinal no nó incluindo o mesmo ruído indeterminado. O ruído pode ser subtraído pela subtração do nível de reconfiguração amostrado a partir do nível de sinal amostrado.
[00217] O conjunto de circuitos de leitura 110 pode realizar a leitura de compartimentos de armazenamento de carga sequencialmente ou em paralelo. Um exemplo de um diagrama de temporização para a leitura sequência de compartimentos bin0-bin3 com conjunto de circuitos de leitura 110 ilustrado na figura 4 utilizando a amostragem dupla correlacionada é ilustrado na figura 9A. Como ilustrado na figura 9A, inicialmente o transistor de reconfiguração rt pode ser ligado para configurar o nó de difuso flutuante fd para uma voltagem de reconfiguração ct. Durante o período de tempo no qual a voltagem do nó de difusão flutuante é reconfigurado as portas de transferência tx0- tx3 são desligadas para manter os portadores de carga armazenados em seus compartimentos respectivos. Depois que o nó de difusão flutuante fd é reconfigurado a voltagem de reconfiguração pode ser amostrada por meio do desligamento do transistor rt e ligando-se o transistor rs para produzir uma voltagem de saída cb. A voltagem de reconfiguração representada pela voltagem de saída cb pode ser armazenada em um formato analógico (por exemplo, em um capacitor) ou em um formato digital (por exemplo, pela conversão A/D e armazenamento). Então, a porta de transferência tx0 pode ser ligada para permitir que a carga do bin0 flua para a difusão flutuante fd. A voltagem de sinal pode ser amostrada ligando-se o transistor rs para produzir uma voltagem de saída cb com base na carga armazenada no bin0. A voltagem de sinal representada pela voltagem de saída cb pode ser armazenada em um formato analógico (por exemplo, em um capacitor) ou em um formato digital (por exemplo, pela conversão A/D e armazenamento).
[00218] Então, o transistor rt pode ser ligado para configurar a difusão flutuante fd para uma voltagem de reconfiguração ct. Durante o período de tempo no qual a voltagem do nó de difusão flutuante fd é reconfigurada, as portas de transferência tx0-tx3 são desligadas para manter os portadores de carga armazenados em seus compartimentos respectivos. Depois que o nó de difusão flutuante fd é reconfigurado, a voltagem de reconfiguração pode ser amostrada desligando-se o transistor rt e ligando-se o transistor rs para produzir uma voltagem de saída cb. Novamente, a voltagem de reconfiguração representada pela voltagem de saída cb pode ser armazenada em um formato analógico (por exemplo, em um capacitor) ou em um formato digital (por exemplo, pela conversão A/D e armazenador). Então, a porta de transferência tx1 pode ser ligada para permitir que a carga do bin1 flua para a difusão flutuante. A voltagem de sinal pode ser amostrada ligando-se o transistor rs para produzir uma voltagem de saída cb com base na carga armazenada no bin1. Novamente, a voltagem de sinal representada pela voltagem de saída cb pode ser armazenada em um formato analógico (por exemplo, em um capacitor) ou em um formato digital (por exemplo, pela conversão A/D ou armazenador).
[00219] O mesmo processo pode então ser realizado para bin2 e bin3 pela realização de uma reconfiguração, amostragem de voltagem de reconfiguração, transferência de carga de um compartimento para o nó de difusão flutuante fd, e amostragem do sinal. De acordo, na sequência de leitura ilustrada na figura 9A, oito amostras podem ser recolhidas representando o valor reconfigurado e valores de sinal para os quatro compartimentos. O valor reconfigurado armazenado para cada compartimento pode ser subtraído do valor de sinal armazenado para obter um resultado indicador de carga armazenada em cada compartimento, completando, assim, o processo de amostragem dupla correlacionada.
[00220] Opcionalmente, como discutido acima, o nível de voltagem de reconfiguração amostrado para um compartimento pode ser armazenado em um primeiro capacitor e o sinal amostrado para o compartimento pode ser armazenado em um segundo capacitor. Opcionalmente, antes da amostragem do nível de reconfiguração e nível de sinal nos capacitores, os capacitores podem ser liberados pela configuração dos mesmos para a mesma voltagem.
[00221] A figura 9B ilustra uma sequência de leitura para a realização da amostragem dupla correlacionada que não exige medição de um valor reconfigurado para cada valor de sinal, de acordo com algumas modalidades. No exemplo da figura 9B, um único valor reconfigurado é medido para todos os compartimentos do pixel. Para se obter o sinal para o primeiro compartimento, um valor reconfigurado pode ser subtraído do valor de sinal medido, como discutido acima. Em vez da reconfiguração da difusão flutuante nesse momento, a carga pode ser transferida para a difusão flutuante a partir do segundo compartimento, agregando, assim, a carga para o primeiro e segundo compartimentos. O sinal para o segundo compartimento pode ser obtido pela subtração de sinal para o primeiro compartimento a partir do sinal agregado para o primeiro e segundo compartimentos. Visto que ambos o sinal para o primeiro compartimento e o sinal agregado para o primeiro e segundo compartimentos incluem o mesmo ruído de reconfiguração, o resultado é que o ruído de reconfiguração é subtraído. O processo pode continuar para os compartimentos restantes, com o sinal agregado para o compartimento anterior sendo subtraído do sinal agregado para o próximo compartimento. A agregação da carga armazenada para os compartimentos dessa forma pode permitir a leitura de sinais maiores que seria o caso se cada compartimento fosse lido individualmente, e pode reduzir o ruído, visto que sinais amostrados serão mais altos acima do piso de ruído do que seria o caso de cada compartimento fosse lido individualmente. No exemplo com quatro compartimentos de tempo, cinco amostras podem ser recolhidas - um valor reconfigurado e quatro amostras representando a carga cumulativa armazenada nos compartimentos de armazenamento de carga. Esse processo será descrito em maiores detalhes com referência à figura 9B.
[00222] Como ilustrado na figura 9B, inicialmente o transistor de reconfiguração rt pode ser ligado para configurar o nó de difusão flutuante fd para uma voltagem reconfigurada ct. Durante o período de tempo no qual a voltagem do nó de difusão flutuante é reconfigurada, as portas de transferência tx0-tx3 são desligadas para manter os portadores de carga armazenados em seus compartimentos respectivos. Depois que o nó de difusão flutuante fd é reconfigurado a voltagem reconfigurada pode ser amostrada desligando-se o transistor rt e ligando-se o transistor rs para produzir uma voltagem de saída cb. A voltagem reconfigurada representada pela voltagem de saída cb pode ser armazenada em um formato analógico (por exemplo, em um capacitor) ou em um formato digital (por exemplo, pela conversão A/D e armazenamento). Então, a porta de transferência tx0 pode ser ligada para permitir que a carga do bin0 flua para a difusão flutuante. A voltagem de sinal para bin0 pode ser amostrada ligando-se o transistor rs para produzir uma voltagem de saída cb com base na carga armazenada no bin0.
[00223] Então, a porta de transferência tx1 pode ser ligada para permitir que a carga do bin1 flua para a difusão flutuante. A voltagem de sinal para bin1 + bin0 pode ser amostrada ligando-se o transistor rs pra produzir uma voltagem de sida cb com base na carga armazenada no bin1 mais a carga armazenada no bin0. O valor de sinal de saída para bin0 pode ser subtraído do valor de sinal de saída para bin0 + bin1 para produzir um sinal indicativo da carga armazenada no bin1.
[00224] Um processo similar pode então ser realizado para bin2 e bin3 pela subtração do nível de sinal medido para bin n a partir do nível de sinal medido para bin n + 1. De acordo, utilizando-se tal técnica, o número de amostras que podem precisar ser recolhidas pode ser reduzido.
[00225] As fórmulas a seguir ilustram como calcular o sinal "corrigido" (utilizando amostragem dupla correlacionada) para cada compartimento utilizando apenas um único valor reconfigurado medido. bin0 de sinal corrigido = bin0 de sinal medido - nível reconfigurado bin1 de sinal corrigido = sinal medido para (bin0 + bin1) - bin0 de sinal medido bin2 de sinal corrigido = sinal medido para (bin0+bin1+bin2) - sinal medido para (bin0 + bin1) bin3 de sinal corrigido = sinal medido para (bin0 + bin1 + bin2 + bin3) - sinal medido para (bin0 + bin1 + bin2).
[00226] Em algumas modalidades, a amostragem excessiva da leitura de um pixel pode ser realizada. A amostragem excessiva envolve a leitura do mesmo sinal a partir do pixel uma pluralidade de vezes. Cada vez que um sinal é lido a partir do pixel, pode haver variações leves no sinal que e lido devido a ruído. A amostragem excessiva da leitura de um sinal e realização de média das amostras pode reduzir o ruído (por exemplo, ruído branco) nas medições. Em algumas modalidades, múltiplas amostras podem ser recolhidas (por exemplo, de 4 a 8 amostras) para ler um único valor de sinal nominal a partir do pixel (por exemplo, um nível reconfigurado singular ou nível de sinal). Em algumas modalidades, cada uma das amostras de um sinal pode ser lida através da mudança de sinal de leitura e convertida em valores digitais (por exemplo, palavras digitais). A média das amostras pode então ser calculada, e a média utilizada como sinal medido a partir do pixel. Por exemplo, se a amostragem excessiva por 8x for utilizada, oito amostras podem ser recolhidas para cada valor reconfigurado e de sinal, para um total de 64 amostras no caso de medição de 4 compartimentos de tempo e 4 níveis reconfigurados, ou 40 amostras no caso de medição de 1 nível reconfigurado e 4 níveis de sinal agregado. Conjunto de Circuito de Leitura de Conjunto de Pixel Leitura em Paralelo, Leitura Sequencial, e Leitura com uma Combinação de Leituras Paralelas e Sequências
[00227] Como discutido acima, o conjunto de pixel pode incluir uma pluralidade de pixels dispostos em fileiras e colunas. Em algumas modalidades, a leitura pode ser realizada fileira por fileira. Em algumas modalidades, uma fileira do conjunto de pixels pode ser selecionada, e um processo de leitura pode ser realizado para a fileira selecionada de pixels. O conjunto de circuitos de leitura para uma coluna de pixels pode ser comum aos pixels na coluna, de modo que a leitura possa ser realizada pelo conjunto de circuitos de leitura para pixels respectivos na coluna à medida que fileiras diferentes são selecionadas. A leitura para uma fileira selecionada pode ser realizada em paralelo (chamada de "paralelo de coluna"), sequencialmente ou em uma combinação de paralelo e sequencial (chamada de "paralelo de semicoluna").
[00228] Para realizar a leitura dos pixels de uma fileira selecionada em paralelo à coluna, o conjunto de circuitos de leitura individual pode ser fornecido para cada coluna de modo que os pixels de cada coluna na fileira selecionada possam ser lidos ao mesmo tempo, como ilustrado na figura 10A. A figura 10A ilustra um conjunto de pixels possuindo uma pluralidade de colunas C1 a Cn e uma pluralidade de fileiras, com uma fileira selecionada Ri sendo ilustrada por meio de ilustração. Na modalidade da figura 10A, cada coluna de pixels possui um circuito de leitura associado 905. Visto que cada coluna de pixels possui um circuito de leitura associado 905, os sinais de cada pixel na fileira Ri podem ser lidos ao mesmo tempo.
[00229] Para realizar a leitura dos pixels de uma fileira selecionada em sequência, o conjunto de circuitos de leitura individual não precisa ser fornecido para cada coluna. Por exemplo, em algumas modalidades um circuito de leitura comum pode ser fornecido, e cada pixel da fileira selecionada pode ser lido sequencialmente. A figura 10B ilustra uma modalidade na qual um circuito de leitura comum 905 pode ser fornecido para uma pluralidade de colunas. O circuito de leitura comum pode ser seletivamente conectado a uma coluna por uma rede de comutação 906 sob o controle de conjunto de circuitos de controle adequado. Por exemplo, em algumas modalidades, a rede de comutação 906 pode conectar sequencialmente colunas individuais de pixels para o circuito de leitura 905.
[00230] Para se realizar a leitura dos pixels em paralelo de semicoluna, uma pluralidade de circuitos de leitura 905 pode ser fornecida, menos do que o número de colunas, como ilustrado na figura 10C. Em tal arquitetura paralela de semicoluna, cada circuito de leitura 905 pode ser compartilhado por um subconjunto de colunas. Cada circuito de leitura 905 pode ser lido sequencialmente a partir de um subconjunto de colunas no conjunto. Como ilustrado na figura 10C, o circuito de leitura 905A pode ser seletivamente conectado a suas colunas respectivas por uma rede de comutação 906A. O circuito de leitura 905B pode ser conectado seletivamente a suas colunas respectivas por uma rede de comutação 906B.
[00231] Em algumas modalidades, um circuito de leitura 905 pode incluir um ou mais amplificadores para amplificar um sinal a partir de um pixel e um conversor de analógico para digital para converter o sinal amplificado em um valor digital. Exemplos de configurações de circuitos de leitura 905 de acordo com várias modalidades são descritos abaixo. Circuito e Amostragem e Retenção
[00232] Em algumas modalidades, o conjunto de circuitos de leitura para uma coluna pode incluir um ou mais circuitos de amostragem e retenção. A figura 10D ilustra um diagrama de circuito ilustrando o conjunto de circuitos de leitura de coluna 905C, que inclui o conjunto de circuitos de amostragem e retenção 907, o conjunto de circuitos de amplificador 901, e um conversor analógico para digital (A/D) 902. O circuito de amostragem e retenção 907 pode amostrar a voltagem de saída de um pixel (por exemplo, no nó cb) em um elemento capacitivo (por exemplo, um capacitor), e então reter a voltagem no capacitor enquanto é lida por um amplificador. Como discutido acima, a voltagem de saída do pixel pode representar o número de portadores de carga capturados durante um ou mais intervalos de tempo.
[00233] O circuito de amostragem e retenção pode operar em uma pluralidade de fases, chamadas de uma fase de "amostragem" e uma fase de "retenção". Na fase de "amostragem", o valor de voltagem do pixel pode ser amostrado em um elemento capacitivo. A voltagem a ser lida é, dessa forma, armazenada no elemento capacitivo. Seguindo-se a fase de "amostragem", a voltagem do capacitor é lida na fase de "retenção". Durante a fase de "retenção", a voltagem do capacitor pode ser lida a partir do elemento capacitivo e processada por um ou mais amplificadores e então convertida na forma digital por um conversor de analógico para digital (A/D). Como ilustrado na figura 10D, durante a fase de amostragem (9I), o comutador s1 é ligado (configurado em seu estado condutor) e o comutador s2 é desligado (configurado em seu estado não condutor), amostrando, assim, a voltagem a partir do terminal de leitura cb de um pixel em um elemento capacitivo, por exemplo, o capacitor C1. A fase de retenção (^2) segue a fase de amostragem. Durante a fase de retenção o comutador s1 é desligado e o comutador s2 é ligado, conectando, assim, o capacitor C1 ao conjunto de circuitos de amplificador 901. Pelo desligamento do comutador S1, a voltagem do capacitor pode ser mantida substancialmente constante enquanto a voltagem é lida, à medida que o conjunto de circuitos de amplificador 901 pode ter uma impedância de entrada alta. O sinal amplificado a partir do conjunto de circuitos de amplificador 901 pode ser fornecido para um conversor A/D 902 para converter a voltagem amplificada em um valor digital.
[00234] Em algumas modalidades, o consumo de energia e/ou o custo podem ser reduzidos pela redução ou minimização do número de circuitos (por exemplo, amplificadores, conversores de analógico para digital) utilizados. Em algumas modalidades, para se reduzir ou minimizar o número de circuitos na corrente de leitura um ou mais circuitos da corrente de leitura podem ser compartilhados por mais de uma coluna do conjunto de pixels. Multiplexação de Componentes de Conjunto de Circuitos de Leitura
[00235] Em algumas modalidades, um ou mais componentes do conjunto de circuitos de leitura podem ser compartilhados por duas ou mais colunas do conjunto de pixels. Por exemplo, como ilustrado na figura 10E, todos ou uma parte do conjunto de circuitos de amplificador 901, o conversor A/D 902 ou ambos, podem ser compartilhados por duas ou mais colunas do conjunto de pixels. A figura 10E ilustra uma modalidade do conjunto de circuitos de leitura 905D onde ambos o conjunto de circuitos de amplificador 901 e o conversor A/D 902 são compartilhados por duas colunas do conjunto de pixel. Na modalidade da figura 10E, as linhas de coluna respectivas são conectadas aos nós de pixel respectivos cb1 e cb2. Cada linha de coluna é conectada a um circuito de amostragem e retenção respectivo 907A, 907B. O conjunto de circuitos de amplificador 901 e o conversor A/D 902 podem ser compartilhados por ambas as colunas. A entrada para o conjunto de circuitos 901 pode ser multiplexada entre os circuitos de amostragem e retenção 907A e 907B de modo que suas saídas sejam conectadas ao conjunto de circuitos de amplificador 901 em momentos diferentes (por exemplo, sequencialmente). Pela utilização de componentes de circuito de leitura compartilhados tal como o conjunto de circuitos de amplificador 901 e/ou conversor AD 902, o número de componentes no conjunto de circuitos de leitura pode ser reduzido, o que pode reduzir o custo e/ou consumo de energia do conjunto de circuitos de leitura.
[00236] Em algumas modalidades, as fases de amostragem e retenção para as colunas compartilhando o conjunto de circuitos de amplificador 901 podem ser alternadas, de modo que quando uma coluna está na fase de amostragem e não conectada ao conjunto de circuitos de amplificador 901, a outra coluna está na fase de retenção e seu circuito de amostragem e retenção é conectado ao conjunto de circuitos de amplificador 901 para amplificar a voltagem que amostrou anteriormente. Na modalidade da figura 10F, as fases de amostragem e leitura são alternadas entre as duas colunas, com a coluna superior estando na fase de amostragem durante a fase 1 e na fase de retenção durante a fase 2, e a coluna inferior estando na fase de amostragem durante a fase 2 e na fase de retenção durante a fase 1. Durante a fase 1 (^1), o sinal do nó cb 1 é amostrado no capacitor C1 ligando-se o comutador s1, e o comutador s2 é desligado, o comutador s3 é desligado, e o capacitor C2 é conectado ao amplificador 901 através do comutador s4, que é ligado. Durante a fase 2 (^2), o sinal do nó cb2 é amostrado no capacitor C2 ligando-se o comutador s3, o comutador s4 é desligado, o comutador s1 é desligado, e o capacitor C1 é conectado ao amplificador 901 através do comutador s2, que é ligado. O compartilhamento do conjunto de circuitos de amplificador 901 por mais de uma coluna pode reduzir o tempo de desligamento do conjunto de circuitos do amplificador 901, visto que não precisa permanecer inativo durante uma fase de amostragem para uma coluna.
[00237] Em algumas modalidades, mais de duas colunas do conjunto de pixel podem compartilhar o conjunto de circuitos de leitura 901 e/ou conversor A/D 902. A figura 10F ilustra uma modalidade na qual n colunas do conjunto de pixels compartilham o conjunto de circuito de leitura 901 e/ou o conversor A/D 902. Os capacitores C1-Cn podem ser conectados sequencialmente ao conjunto de circuitos de leitura 901 em qualquer ordem adequada. A fase de amostragem dos circuitos de amostragem e retenção para cada coluna podem ser temporizadas para ocorrer durante um período no qual o circuito de amostragem e retenção não está sendo lido pelo conjunto de circuitos de amplificador 901. Em algumas modalidades, e como discutido acima, as fases de amostragem podem ser temporizadas para ocorrer durante um intervalo de tempo no qual o conjunto de circuitos de amplificador 901 está lendo uma fileira diferente, para limitar a quantidade de tempo que o conjunto de circuitos de amplificador 901 permanece inativo. Por exemplo, como discutido acima, a voltagem do nó cb1 pode ser amostrada no capacitor C1 durante a fase 1. Durante a fase 2, a voltagem do capacitor C1 pode ser lida pelo conjunto de circuitos de amplificador 901 e a voltagem do n'no cb2 pode ser amostrada no capacitor C2. Durante a fase 3, a voltagem do capacitor C2 pode ser lida pelo conjunto de circuitos de amplificador 901 e a voltagem de um terceiro nó cb3 pode ser amostrada em um terceiro capacitor C3, etc. O processo pode então começar novamente com a fase 1 começando durante o momento em que a última coluna (fileira n) foi lida pelo conjunto de circuitos de amplificador 901, ou depois que a última coluna foi lida pelo conjunto de circuitos de amplificador 901. Qualquer número adequado de colunas pode compartilhar o conjunto de circuitos de amplificador 901, tal como 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, etc., ou qualquer outro número adequado (que não precise ser uma potência de 2).
[00238] A figura 10G ilustra um diagrama do conjunto de circuitos de leitura incluindo o conjunto de circuitos de amplificador 901. Na modalidade da figura 10G, o conjunto de circuitos de amplificador 901 inclui uma pluralidade de amplificadores 910 e 911. Utilizando-se uma pluralidade de amplificadores em cascata 910 e 911 é possível se reduzir o consumo de energia, visto que alcançar o ganho de sinal desejado pode ser obtido com menos dissipação de energia quando uma pluralidade de amplificadores 910 e 911 é utilizada em oposição à utilização de um amplificador singular pra se alcançar o mesmo ganho.
[00239] A figura 10H ilustra um diagrama do conjunto de circuitos de leitura incluindo o conjunto de circuitos de amplificador 901 possuindo amplificadores de primeiro estágio 910A e 910B para as colunas desejadas e um amplificador de segundo estágio 911 que é compartilhado pelas duas colunas. Um multiplexador 912 conecta os amplificadores de primeiro estágio 910A e 910B ao amplificador de segundo estágio 911 em momentos diferentes. Em algumas modalidades, os amplificadores 910A, 910B e 911 podem ser amplificadores diferentes.
[00240] A figura 10I ilustra um diagrama do conjunto de circuito de leitura incluindo amplificadores de primeiro estágio 910A e 910B, um amplificador de segundo estágio 911 e um amplificador de terceiro estágio 912. Como discutido acima, a utilização de um estágio de amplificador adicional para alcançar um valor de ganho desejado pode reduzir o consumo de energia com relação à utilização de menos estágios de amplificador para alcançar o valor de ganho desejado. Em algumas modalidades, os amplificadores 910A, 910B, 911 e 912 podem ser amplificadores diferenciais.
[00241] Em algumas modalidades, o ganho pode ser aplicado à corrente de sinal em uma pluralidade de estágios. Em algumas modalidades, o amplificador de primeiro estágio (por exemplo, 910A, 910B) pode ter um ganho de 2 ou mais, o amplificador de segundo estágio (por exemplo, 911) pode ter um ganho de 1 a 8 ou mais, e o amplificador de terceiro estágio (por exemplo, 912) pode ter um ganho de 1 a 2 ou mais, para um ganho geral de três estágios de 2 a 32 ou mais.
[00242] Em algumas modalidades, os amplificadores podem ter um ganho digitalmente programável. O ganho de um ou mais estágios pode ser alterado dependendo das características da luz sendo recebida. Por exemplo, se mais de um comprimento de onda do pulso de excitação de luz (por exemplo, pulso a laser) for utilizado e produzir respostas diferentes no pixel, o ganho de um ou mais amplificadores na corrente de leitura pode ser alterado dependendo de qual comprimento de onda de luz está sendo detectado no momento. Se um comprimento de onda resultar em um número menor de portadores de carga sendo produzidos, o ganho pode ser aumentado para acomodar o nível de sinal reduzido. Se outro comprimento de onda resultar em um número maior de portadores de carga sendo produzidos, o ganho pode ser reduzido. Em algumas modalidades, os ganhos da corrente de leitura para comprimentos de onda diferentes podem ser normalizados um com o outro para produzir os mesmos níveis de saída em resposta a diferentes comprimentos de onda. Considerações de Desenho de Conjunto de Circuito de Leitura
[00243] Visto que em algumas modalidades o número de portadores de carga capturados para cada compartimento de tempo pode ser relativamente pequeno, por exemplo, da ordem de centenas de portadores de carga, o sinal a ser detectado a partir de cada pixel pode ser relativamente pequeno. De acordo, em algumas modalidades, a corrente de sinal correndo de um pixel para (e incluindo) um conversor analógico para digital pode incluir um conjunto de circuitos de leitura de baixo ruído. As técnicas e circuitos para limitação de ruído na corrente de leitura serão discutidos abaixo.
[00244] Em algumas modalidades, o processamento diferencial de sinais pode reduzir ou minimizar o ruído na corrente de leitura. O processamento diferencial de sinais pode rejeitar o ruído de modo comum que pode ser injetado na corrente de leitura. O conjunto de circuitos de leitura pode incluir um ou mais componentes diferenciais, tal como uma amostra diferencial e circuito de retenção, amplificadores diferenciais e/ou um conversor A/D diferencial. Em algumas modalidades, o processamento de sinal diferencial pode ser utilizado o mais cedo possível na corrente de leitura (por exemplo, o mais perto possível da saída de pixel), para evitar injetar o ruído de modo comum na corrente de leitura. Em algumas modalidades, toda a corrente de leitura de uma saída de pixel para uma palavra digital pode ser realizada por componentes de circuito diferencial. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto, visto que, em algumas modalidades, um ou mais componentes de conjunto de circuitos de leitura de extremidade singular podem ser utilizados.
[00245] A figura 10J ilustra o conjunto de circuitos de leitura compartilhado por duas colunas incluindo um circuito de amostragem e retenção diferencial 908 e um amplificador diferencial 909. O circuito de amostragem e retenção diferencial 908 inclui capacitores Cin1 para uma primeira coluna do conjunto de pixels e capacitores Cin2 para uma segunda coluna do conjunto de pixels. O amplificador diferencial 909 inclui capacitores Cf1 para uma primeira coluna do conjunto de pixels e capacitores Cf2 para uma segunda coluna do conjunto de pixels.
[00246] A figura 10K ilustra um diagrama do circuito de amostragem e retenção diferencial 908 e um amplificador diferencial 909 quando a primeira coluna está na fase de amostragem e a segunda coluna está na fase de retenção, com capacitores Cin2 sendo conectados à entrada do amplificador diferencial 909. A figura 10L ilustra um diagrama do circuito de amostragem e retenção diferencial 908 e um amplificador diferencial 909 quando a segunda coluna está na fase de amostragem e a primeira coluna está na fase de retenção, com capacitores Cin1 sendo conectados à entrada do amplificador diferencial 909.
[00247] A figura 10M ilustra o conjunto de circuitos de leitura compartilhado por mais de duas colunas incluindo um circuito de amostragem e retenção diferencial 908 e um amplificador diferencial 909. A figura 10M é similar à figura 10F visto que um amplificador diferencial 901 é compartilhado por mais de duas colunas, com o uso de um circuito de amostragem e retenção diferencial 908 e um amplificador diferencial 909.
[00248] Como compreendido pelos versados na técnica, "corrente escura" é a corrente que é produzida e um fotodetector quando nenhuma luz está sendo detectada pelo fotodetector. O desenho de um fotodetector para corrigir o efeito da corrente escura pode aperfeiçoar a qualidade da fotodetecção.
[00249] Em algumas modalidades do dispositivo integrado descrito aqui, um ou mais dos compartimentos de armazenamento de carga podem ser utilizados para amostrar a corrente escura. Por exemplo, um compartimento de armazenamento de carga pode amostrar a corrente escura pela agregação de portadores que chegam durante um período de tempo no qual nenhuma luz ou um nível muito baixo de luz é recebido pelo fotodetector. Em algumas modalidades, tal como as referentes às medições de vida útil de fluorescência, o último compartimento (por exemplo, bin3) pode ser utilizado para amostrar a corrente escura se a temporização for tal que ocorra uma vez que a probabilidade de emissão de luz caia para um valor irrisório. A amostragem da corrente escruta pode permitir a subtração da corrente escura de amostras em outros compartimentos, corrigindo, assim, o efeito da corrente escura. Número e Temporização dos Compartimentos de Tempo
[00250] Qualquer número adequado de compartimentos de tempo pode ser utilizado. Nas figuras 3A e 3B, um exemplo de um pixel com quatro compartimentos de tempo foi ilustrado. A figura 8C ilustra uma representação na qual oito compartimentos são utilizados. No entanto, um pixel possuindo qualquer número adequado de compartimentos de tempo pode ser produzido com base na resolução temporal desejada e outros fatores. O aumento do número de compartimentos pode aumentar a área ocupada por cada pixel, e pode ser alcançado pela redução do número total de pixels ou pela utilização de um processo de fabricação possuindo um tamanho de acessório menor. A utilização de um número pequeno de compartimentos pode permitir o aumento do número de pixels que podem encaixar em um chip. Em algumas modalidades, um compartimento único pode ser utilizado para determinar o número de fótons que chegam dentro de um período de tempo em particular. O número de compartimentos pode ser aumentado ou reduzido pelo menos em parte pelo aumento ou redução do número de extensões da região de confinamento de portador de carga fabricada no chip se estendendo da região de percurso/captura de portador 106. O número de eletrodos b0-bm-1, eletrodos de transferência, etc. pode ser aumentado ou reduzido de acordo com base no número de compartimentos que se deseja incluir em um pixel.
[00251] A temporização dos compartimentos de tempo pode ser escolhida de qualquer forma adequada. Em algumas modalidades, a temporização pode ser selecionada pela configuração dos momentos de início e fim para os compartimentos de tempo, como ilustrado na figura 6K. Por exemplo, a temporização para bin0 pode ser configurada pela seleção dos momentos nos quais t1 e t2 ocorrem, e a temporização dos compartimentos restantes pode ser configurada de forma similar.
[00252] Em algumas modalidades, a temporização para os compartimentos de tempo pode ser fixa de modo que a temporização seja igual em cada período de medição. A temporização pode ser configurada com base em um sinal de temporização global. Por exemplo, um sinal de temporização pode estabelecer o início de um período de medição, e os compartimentos de tempo podem ser controlados para iniciar e terminar com base em uma quantidade de tempo predeterminada tendo passado a partir do sinal de temporização. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, a temporização para os compartimentos de tempo pode ser configurada com relação à temporização de um pulso de excitação com base na faixa possível de vidas úteis de fluorescência que se deve detectar. No contexto de formação de imagem de tempo de voo, a temporização dos compartimentos de tempo pode ser configurada com base em uma faixa de distância esperada para a cena que deve ter sua imagem criada. No entanto, em algumas modalidades, a temporização dos compartimentos de tempo pode ser variável e programável.
[00253] Em algumas modalidades, a temporização para os compartimentos de tempo pode ser configurada com base na temporização de um evento de acionamento 702 que inicia um período de medição para uma medição 720. No contexto de medição de vida útil de fluorescência, a temporização para os compartimentos de tempo pode ser configurada em resposta à detecção da temporização de um pulso de excitação que excita um fluoróforo. Por exemplo, quando um pulso de excitação de luz alcança o pixel 100, uma onda de portadores pode percorrer da região de absorção de fóton/geração de portador 102 até o dreno 104. O acúmulo de portadores fotogerados no dreno 104 em resposta ao pulso de excitação pode causar uma mudança na voltagem do dreno 104. De acordo, em algumas modalidades do pulso de excitação pode ser detectado pela detecção da voltagem de dreno 104. Por exemplo, um comparador pode comparar a voltagem do dreno 104 com um limite, e pode produzir um pulso quando a voltagem do dreno 104 excede o limite. A temporização do pulso pode indicar a temporização do evento de acionamento 702 e a temporização de compartimentos de tempo (por exemplo, t1, t2, etc.) pode ser configurada com base nessa temporização. No entanto, as técnicas descritas aqui não são limitadas nesse aspecto, visto que qualquer técnica adequada pode ser utilizada para detectar o início de uma medição 720.
[00254] Em algumas modalidades, o dispositivo integrado pode ser programável para permitir a mudança de temporização dos compartimentos de tempo. Em algumas modalidades, a temporização dos compartimentos de tempo pode ser programada para um conjunto particular de medições a serem realizadas. Por exemplo, se o dispositivo integrado for utilizado para um primeiro tipo de teste utilizando um primeiro conjunto de marcadores possuindo vidas úteis dentro de uma primeira faixa, os compartimentos de tempo podem ser programados para valores adequados para discriminação das vidas úteis dos marcadores dentro dessa faixa. No entanto, se o dispositivo integrado for utilizado para outro tipo de teste que utilize marcadores diferentes possuindo vidas úteis diferentes, os compartimentos de tempo podem ser alterados pela programação dos mesmos de modo que correspondam aos intervalos de tempo diferentes adequados para os marcadores utilizados no segundo tipo de teste.
[00255] Em algumas modalidades, a temporização dos compartimentos de tempo pode ser controlada de forma adaptativa entre as medições com base nos resultados de um conjunto de medições. Por exemplo, como ilustrado na figura 11, um primeiro conjunto de medições (Conjunto de Medição A) pode ser realizado utilizando-se um primeiro conjunto de compartimentos de tempo que abrangem um intervalo de tempo relativamente grande. A quantidade de fótons que chega a cada compartimento pode ser analisada para determinar se uma mudança deve ser feita à temporização selecionada para os compartimentos de tempo para aperfeiçoar ou otimizar a informação temporal obtida. Em algumas modalidades, a quantidade de fótons que chega a cada compartimento pode ser analisada para determinar um intervalo de tempo de interesse mais estreito. Por exemplo, depois de realizar um conjunto de medições com compartimentos de tempo como ilustrado no Conjunto de Medição A da figura 11, pode ser determinado que um número significativo de fótons chegou no período de tempo correspondente a bin2 e nenhum fóton chegou nos períodos de tempo correspondentes a outros compartimentos. Um segundo conjunto de compartimentos de tempo pode então ser selecionado para um segundo conjunto de medições (Conjunto de Medição B) que foca no período de tempo mais estreito correspondendo ao bin2 do Conjunto de Medição A. Como ilustrado na figura 11, o Conjunto de Medição B possui quatro compartimentos de tempo dentro do período de tempo correspondente ao bin2 do Conjunto de Medição A. Pela realização de medições com compartimentos de tempo de acordo com o Conjunto de Medição B, detalhes adicionais sobre a temporização de chegada de fótons podem ser obtidos. Por exemplo, como ilustrado na figura 11, uma resolução temporal mais alta sobre a temporização de chegada de fótons incidentes pode ser obtida dentro de um intervalo de tempo selecionado. Tal processo de determinação de compartimento de tempo adaptativo pode permitir a obtenção de um nível de resolução de tempo utilizando um número relativamente pequeno de compartimentos (por exemplo, 4 compartimentos) que, do contrário podem precisar de um grande número de compartimentos (por exemplo, 16 compartimentos).
[00256] Em algumas modalidades, a temporização para os compartimentos de tempo pode ser igual em todos os pixels do conjunto. Em algumas modalidades, a temporização pode ser diferente em pixels diferentes de modo que os pixels diferentes capturem os portadores em compartimentos de tempo diferentes. Por exemplo, um primeiro conjunto de pixels pode capturar portadores em um primeiro conjunto de compartimentos de tempo, e um segundo conjunto de pixels pode capturar os portadores em um segundo conjunto de compartimentos de tempo que são pelo menos parcialmente diferentes do primeiro conjunto de compartimentos de tempo. Por exemplo, uma fileira de pixels pode ter a temporização de tempo para seus compartimentos de tempo e outra fileira de pixels pode ter uma temporização diferente para seus compartimentos de tempo. Em algumas modalidades, um primeiro conjunto de fileiras de pixels (por exemplo, quatro fileiras) pode ter a mesma temporização para seus compartimentos de tempo, e outro conjunto de fileiras de pixels (por exemplo, outras quatro fileiras) pode ter uma temporização diferente para seus compartimentos de tempo. Os pixels podem ser configurados e/ou programados individualmente e/ou como um grupo.
[00257] Em algumas modalidades, um pixel de um conjunto de pixels pode incluir uma pluralidade de subpixels que são, cada um, capazes de realizar diferentes tipos de medições. Qualquer número de subpixels pode ser incluído em um pixel.
[00258] A figura 12 ilustra um exemplo de um pixel 1100 que inclui quatro subpixels 100A. Em algumas modalidades, cada subpixel 100A no pixel 1100 pode ser configurado para receber luz de um comprimento de onda diferente. Por exemplo, filtros podem ser formados acima dos subpixels 100A que permitem que os fótons de comprimentos de onda diferentes sejam transmitidos para os subpixels 100A. Por exemplo, um primeiro comprimento de onda pode ser transmitido para um primeiro subpixel 100A, um segundo comprimento de onda pode ser transmitido para um segundo subpixel 100A, um terceiro comprimento de onda pode ser transmitido para um terceiro subpixel 100A, e um quarto comprimento de onda pode ser transmitido para um quarto subpixel 100A. Um pixel 1100 possuindo subpixels configurados para receber luz de comprimentos de onda diferentes pode permitir ambas a discriminação temporal e espectral da luz incidente. No contexto de medição de vida útil fluorescente, o fornecimento da capacidade de discriminação temporal ou espectral pode permitir a discriminação de marcadores possuindo vidas úteis diferentes, características espectrais diferentes, ou marcadores possuindo vidas úteis diferentes e características espectrais diferentes.
[00259] Em algumas modalidades, diferentes subpixels 100A podem ser controlados para amostrar compartimentos de tempo para diferentes intervalos de tempo. Por exemplo, um primeiro subpixel 100A pode ser configurado para amostrar um primeiro conjunto de compartimentos de tempo e um segundo subpixel pode ser configurado para amostrar um segundo conjunto de compartimentos de tempo. Estruturas similares em subpixels diferentes 100A podem amostrar compartimentos de tempo para intervalos de tempo diferentes pelo controle da temporização da estrutura de segregação de portador de carga para que seja diferente em subpixels diferentes.
[00260] A figura 13 ilustra um diagrama da arquitetura de chip, de acordo com algumas modalidades. Como ilustrado na figura 13, um circuito integrado ou chip 1300 pode incluir um conjunto de pixel 1302 incluindo uma pluralidade de pixel 100, um circuito de controle 1304 que inclui um circuito de temporização 1306, circuitos de geração de orientação de voltagem/corrente 1305 e uma interface 1308.
[00261] O conjunto de pixels 1302 inclui um conjunto de pixels 101 apresentados em qualquer padrão adequado, tal como um padrão retangular, por exemplo. O conjunto de pixel 1302 pode ter qualquer número adequado de pixels. Em algumas modalidades, o conjunto de pixels pode ter um conjunto de 64 x 64 de 4096 pixels 101, cada um incluindo quatro subpixels 101A. No entanto, as técnicas descritas aqui não são limitadas ao número ou disposição de pixels e subpixels incluídos no conjunto de pixel 1302. O conjunto de pixel pode ter condutores de fileira e/ou coluna para leitura de fileiras ou colunas do conjunto de pixels 1302. Os pixels podem ser lidos em paralelo, em série, ou em uma combinação de ambos. Por exemplo, em algumas modalidades, uma fileira de pixels pode ser lida em paralelo, e cada fileira do conjunto de pixels pode ser lida sequencialmente. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto, visto que os pixels podem ser lidos de qualquer forma adequada.
[00262] O conjunto de pixels 1302 é controlado por um circuito de controle 1304. O circuito de controle 1304 pode ser qualquer tipo adequado de circuito de controle para controlar as operações no chip 1300, incluindo as operações do conjunto de pixel 1302. Em algumas modalidades, o circuito de controle 1304 pode incluir um microprocessador programado para controlar as operações do conjunto de pixels 1032 e qualquer outra operação no chip 1300. O circuito de controle pode incluir um meio legível por computador (por exemplo, memória) armazenando as instruções legíveis por computador (por exemplo, código) para fazer com que o microprocessador realize tais operações. Por exemplo, o circuito de controle 1304 pode controlar as voltagens de produção a serem aplicadas aos eletrodos da estrutura de segregação de portador de carga em cada pixel. O circuito de controle 1304 pode mudar as voltagens de um ou mais eletrodos, como discutido acima, para capturar os portadores, transferir portadores e realizar a leitura dos pixels no conjunto. O circuito de controle pode configurar a temporização das operações da estrutura de segregação de portador de carga com base em um esquema de temporização armazenado. O esquema de temporização armazenado pode ser fixo, programável e/ou adaptativo, como discutido acima.
[00263] O circuito de controle 1304 pode incluir um circuito de temporização 1306 para operações de temporização das estruturas de segregação de portador de carga dos pixels ou outras operações do chip. Em algumas modalidades, o circuito de temporização 1306 pode permitir a produção de sinais para controlar com precisão a temporização das mudanças de voltagem nas estruturas de segregação de portador de carga para temporizar com precisão os portadores de carga de compartimento. Em algumas modalidades, o circuito de temporização 1306 pode incluir um relógio de referência externo e/ou um circuito travado em retardo (DLL) para a configuração precisa da temporização dos sinais fornecidos para as estruturas de segregação de portador de carga. Em algumas modalidades, duas linhas de retardo de extremidade singular podem ser utilizadas, cada uma com metade do número de estágios alinhados em 180 graus fora de fase. No entanto, qualquer técnica adequada pode ser utilizada para controlar a temporização dos sinais no chip.
[00264] O chip 1300 pode incluir uma interface 1308 para enviar sinais do chip 1300, receber sinais no chip 1300, ou ambos. A interface 1308 pode permitir a leitura dos sinais percebidos pelo conjunto de pixels 1302. A leitura a partir do chip 1300 pode ser realizada utilizando uma interface analógica e/ou uma interface digital. Se a leitura a partir do chip 1300 for realizada utilizando uma interface digital, o chip 1300 pode ter um ou mais conversores de analógico para digital para converter os sinais lidos a partir do conjunto de pixels 1302 em sinais digitais. Em algumas modalidades, o circuito de leitura pode incluir um Amplificador de Ganho Programável. Um ou mais sinais decontrole podem ser fornecidos para o chip 1300 a partir de uma fonte externa através da interface 1308. Por exemplo, tais sinais de controle podem controlar o tipo de medições a serem realizadas, que pode incluir a configuração da temporização dos compartimentos de tempo.
[00265] A análise dos sinais lidos a partir do conjunto de pixels 1302 pode ser realizada pelo conjunto de circuitos em chip ou fora de chip. Por exemplo, no contexto de medição de vida útil de fluorescência, a análise da temporização da chegada de fóton pode incluir a aproximação de uma vida útil de fluorescência de um fluoróforo. Qualquer tipo de análise pode ser realizado. Se a análise dos sinais lidos a partir do conjunto de pixels 1302 for realizada no chip, o chip 1300 pode ter qualquer conjunto de circuito de processamento adequado para realizar a análise. Por exemplo, o chip 1300 pode ter um microprocessador para realizar a análise que é parte de ou separada do circuito de controle 1304. Se a análise for realizada no chip, em algumas modalidades o resultado da análise pode ser enviado para um dispositivo externo ou fornecido de outra forma fora de chip através da interface 1308. Em algumas modalidades, toda ou uma parte da análise pode ser realizada fora do chip. Se a análise for realizada fora do chip, os sinais lidos a partir do conjunto de pixels 1302 e/ou resultado de qualquer análise realizada pelo chip 1300, podem ser fornecidos para um dispositivo externo através da interface 1308.
[00266] Em algumas modalidades, o chip 1300 pode incluir um ou mais dos seguintes: 1) geradores de orientação de pixel, controlados digitalmente, em chip (DACs). 2) amplificadores de ganho digitalmente programáveis em chip que convertem o sinal de voltagem de saída de pixel de extremidade singular em um sinal diferencial e aplica o ganho ao sinal 3) geradores de orientação de amplificador controlado digitalmente que permitem o escalonamento da dissipação de energia com a taxa de saída.
[00267] A figura 14A ilustra um diagrama de uma modalidade de um chip 1300A, que é um exemplo do chip 1300 possuindo um conjunto de 64 x 64 pixels quad, de acordo com algumas modalidades. Na modalidade da figura 14A, metade dos sinais de saída de pixel é fornecida através do lado superior do chip e a outra metade dos sinais de saída de pixel é fornecida através do lado inferior do chip. Circuitos de orientação são incluídos para configuração da voltagem dos eletrodos das estruturas de segregação de portador de carga.
[00268] A figura 14B ilustra um diagrama de uma modalidade de um chip 1300B, que é um exemplo de chip 1300 e inclui conjuntos de 2 x 2, com cada conjunto possuindo um conjunto de 256 x 64 pixels octais de pixels quad, de acordo com algumas modalidades. O espaço de banda e os circuitos de orientação são incluídos. Conversores de digital para analógico (DACs), incluindo DACs Vhigh e DACs Vlow são incluídos para a configuração de voltagens alta e baixa dos eletrodos do conjunto de pixels. A figura 14B também ilustra os sensores de monitoramento de luz 1320. Cada sensor de monitoramento de luz pode incluir um fotodetector, tal como um fotodiodo. Em algumas modalidades, cada sensor de monitoramento de luz pode incluir um conjunto quad de fotodetectores (por exemplo, fotodiodos) para alinhar o chip 1300B com uma fonte de luz. Em uma modalidade na qual o chip 1300B é configurado para detecção de moléculas, os sensores de monitoramento de luz podem permitir o alinhamento do chip 1300B com um guia de onda que recebe luz a partir de um ou mais locais nos quais as moléculas são posicionadas. Os circuitos de leitura de diodo e um registro de seleção de diodo também são ilustrados na figura 14B.
[00269] Exemplos de tamanhos de conjunto, dimensões, números de compartimentos e tamanhos de acessório são descritos acima e ilustrados nas figuras meramente por meio de ilustração, visto que qualquer tamanho de conjunto, dimensões, números de compartimentos e tamanhos de acessório adequados podem ser utilizados. Realização de Circuito Integrado Ilustrativo e Método de Formação de Fotodetector Integrado
[00270] Em algumas modalidades, o chip 1300 pode ser formado em um substrato de silício utilizando um processo CMOS (Semicondutor de Óxido de Metal Complementar) padrão. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto, visto que qualquer substrato ou processo de fabricação adequado possa ser utilizado.
[00271] As figuras de 15 a 22 ilustram um processo de formação de um chip 1300, de acordo com algumas modalidades.
[00272] A figura 15A ilustra uma vista em perspectiva de regiões de confinamento de carga 103 que podem ser formadas em um substrato semicondutor. A figura 15B ilustra uma vista plana correspondendo à figura 15A. Em algumas modalidades, as regiões de confinamento de carga 103 podem ser formadas em um substrato semicondutor de volume 1500. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas ao uso de um substrato semicondutor de volume, visto que qualquer tipo adequado de substrato semicondutor pode ser utilizado. Em algumas modalidades, o substrato 1500 e as regiões de confinamento de carga 103 podem ser formadas a partir de silício monocristalino. No entanto, as técnicas descritas aqui podem não ser limitadas nesse aspecto, visto que qualquer tipo adequado de material semicondutor pode ser utilizado. Em algumas modalidades, a utilização de um substrato de silício pode permitir a utilização de um processo CMOS padrão da indústria econômico. No entanto, qualquer processo de fabricação adequado pode ser utilizado. Em algumas modalidades, um substrato de silício de volume possuindo um tipo de revestimento tipo p pode ser utilizado. No entanto, qualquer tipo de revestimento adequado pode ser utilizado, incluindo um revestimento tipo n ou um revestimento tipo p. [00273] Como ilustrado na figura 15A, as regiões de confinamento de carga 103 podem ser uma parte elevada do substrato 1500. As regiões de confinamento de carga 103 podem ser formadas pela gravação de regiões do substrato 1500 no padrão ilustrado nas figuras 15A e 15B, deixando, assim, regiões de confinamento de carga elevadas 103 se estendendo acima do substrato. Uma camada isolante pode então ser formada sobre e para o lado das regiões de confinamento de carga 103. Por exemplo, em algumas modalidades, uma camada isolante de óxido de silício pode ser formada nas regiões de confinamento de carga 103 por crescimento térmico. No entanto, qualquer técnica adequada pode ser utilizada para formar a camada isolante, e a camada isolante pode incluir qualquer material isolante adequado.
[00274] Como ilustrado na figura 16, eletrodos como ilustrados na figura 3B podem ser formados através da camada isolante pela formação de uma camada de polissilício padronizada 1601. Os eletrodos podem ser espaçados um do outro para permitir que diferentes eletrodos estejam em voltagens diferentes. Os eletrodos podem ser formados a partir de qualquer material condutor adequado. Em algumas modalidades, os eletrodos podem ser formados de polissilício revestido. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas à formação de eletrodos de polissilício, visto que qualquer material condutor adequado pode ser utilizado para formar os eletrodos (por exemplo, um metal). As vias condutoras 1701 podem ser formadas através da camada de polissilício padronizada 1601 para contatar a camada de polissilício 1601 através de uma camada isolante (não ilustrada) sobreposta à camada de polissilício padronizada 1601. As vias condutoras 1701 podem ser formadas de qualquer condutor adequado.
[00275] Em algumas modalidades, um ou mais eletrodos (por exemplo, da camada de polissilício 1601) podem ser eletrodos revestidos e divididos possuindo ambos os revestimentos tipo p e n. Um eletrodo revestido e dividido pode permitir a formação de um poço de potencial para capturar um portador, como ilustrado na figura 17. A figura 17 ilustra um eletrodo revestido e dividido 2302 possuindo uma região p+ e uma região n+. A região n+ e a região p+ produzem níveis de potencial diferentes no semicondutor subjacente. Como ilustrado na figura 17, a região n+ do eletrodo revestido e dividido 2302 pode produzir um poço de potencial sob a região n+ que pode confinar os portadores de carga (por exemplo, elétrons). A figura 17 ilustra que a manutenção da voltagem do eletrodo revestido e dividido 2302 alto pode produzir um gradiente de potencial como ilustrado por linhas tracejadas, que pode confinar os portadores de carga (por exemplo, elétrons) em um poço de potencial 2304. A redução da voltagem do elemento revestido e dividido 2302 pode elevar o potencial elétrico sob o eletrodo revestido e dividido 2302 para permitir a transferência de carga aprisionada no poço de potencial 2304 para um compartimento de armazenamento de carga, por exemplo.
[00276] Os revestimentos podem ser formados no material semicondutor para permitir a formação de transistores do conjunto de circuitos de leitura 110. Em algumas modalidades, uma máscara pode ser disposta sobre a região de confinamento de carga 103 para evitar o revestimento da região de confinamento de carga 103 durante a formação dos transistores do conjunto de circuitos de leitura 110, visto que a região de confinamento de carga 103 pode formar poços de potencial indesejados nas regiões de confinamento de carga 103.
[00277] A figura 18 ilustra a formação de uma camada metálica 1801 (por exemplo, metal 1) através da camada de polissilício padronizado 1601 para conectar às vias 1701. A figura 19 ilustra a camada metálica 1801 sobreposta à camada de polissilício 1601 e regiões de confinamento de carga 103.
[00278] A figura 20 ilustra a formação de vias 1901 para contatar a camada metálica 1801. As vias condutoras 1901 podem ser formadas através da camada metálica 1801 para contatar a camada metálica 1801 através de uma camada isolante (não ilustrada) sobrepondo a camada metálica 1801. A figura 20 também ilustra a formação de uma segunda camada metálica 2001 (por exemplo, metal 2) através da camada metálica 1801 e vias 1901.
[00279] A figura 21 ilustra a segunda camada metálica 2001 além da formação de vias 2101 através da camada metálica 2001 para contatar a camada metálica 2001 através de uma camada isolante (não ilustrada) sobrepondo a camada metálica 2001.
[00280] A figura 22 ilustra a formação de uma terceira camada metálica 2201 (por exemplo, metal 3) através da camada metálica 2001 e vias 2101 para contatar as vias 2101.
[00281] O processo cima é descrito por meio de ilustração, visto que técnicas descritas aqui não estão limitadas a qualquer processo de fabricação em particular. Adicionalmente, as técnicas descritas aqui não estão limitadas à apresentação particular ilustrada. Conjunto de Circuitos de Acionamento para Estrutura de Segregação de Portador de Carga
[00282] Os eletrodos da estrutura de segregação de portador de carga que se sobrepõem ao substrato podem ter uma capacitância parasítica substancial. A mudança das voltagens nos eletrodos necessita carregar ou descarregar a capacitância parasítica. A velocidade com a qual a corrente pode ser fornecida para carregar ou descarregar a capacitância parasítica limita a velocidade na qual a voltagem de um eletrodo pode ser alterada. Como discutido acima, em algumas modalidades, os portadores de carga podem ser capturados e transferidos para dentro de compartimentos de tempo com resolução de nanossegundos ou picossegundos. Os inventores reconheceram e apreciaram que a temporização com a qual os portadores de carga podem ser capturados podem ter uma precisão maior se a voltagem dos eletrodos b0-bm-1 mudar muito rapidamente, elevando, assim, as proteções de potencial em momentos precisos. No entanto, a taxa de mudança da voltagem nos eletrodos b0-bm-1 é limitada devido à indutância parasítica e resistência em série equivalente (ESR) da conexão entre o suprimento de voltagem e os eletrodos b0-bm-1.
[00283] Adicionalmente, o carregamento e descarga das capacitâncias parasíticas dos eletrodos podem consumir uma quantidade significativa de energia. A energia dissipada pelo carregamento e descarga de um eletrodo é Pdiss = (1/2)√*C»V2, onde C é a capacitância entre o eletrodo e o substrato, V é a diferença de voltagem entre o eletrodo e o substrato, e f é a frequência com a qual a voltagem é comutada.
[00284] A figura 23 ilustra um exemplo de um circuito de acionamento 2300 para acionar um eletrodo 2301 da estrutura de segregação de portador de carga, de acordo com algumas modalidades. O eletrodo 2301 é ilustrado como um capacitor na figura 23. Como discutido acima, o eletrodo 2301 pode ser acionado para uma voltagem relativamente baixa Vlow e uma voltagem relativamente alta Vhigh em momentos selecionados. O circuito acionador 2300 inclui um gerador VdacH 2302 que produz a voltagem alta Vhigh e um gerador VdacL 2304 que produz a voltagem baixa Vlow. Em algumas modalidades, a diferença entre Vlow e Vhigh pode ser tornada a menor possível para o eletrodo influenciar os portadores de carga da forma projetada, reduzindo ou minimizando, assim, a dissipação de energia. Em algumas modalidades, o gerador VdacH 2302 e/ou gerador VdacL 2304 podem ser geradores de voltagem programáveis que podem produzir as voltagens desejadas Vlow e/ou Vhigh, e podem permitir a mudança de Vlow e/ou Vhigh.
[00285] O circuito de acionamento 2300 também inclui o gerador Bclk 2306, que pode produzir um sinal de temporização para temporizar as transições de voltagem do eletrodo 2301. O gerador Bclk 2306 pode ser programável, e pode permitir a seleção digital os momentos nos quais as bordas do sinal de temporização ocorrem, com base em uma palavra digital registrada. Em algumas modalidades, o gerador Bclk 2306 pode ser implementado utilizando-se um circuito travado em retardo (DLL), como discutido acima. O sinal de temporização a partir do gerador Bclk 2306 é fornecido para a entrada do acionador Bclk 2312 que aciona o eletrodo 2301.
[00286] O circuito de acionamento 2300 também inclui um amplificador VdacH 2308 e um amplificador VdacL 2310. O amplificador VdacH 2308 recebe um sinal do gerador VdacH e controla o transistor 2314 utilizando o retorno para fornecer a voltagem VdacH para o terminal de suprimento de alta energia do acionador Bclk 2312. O amplificador VdacH 2308 também carrega o capacitor 1312A para a voltagem VdacH. O amplificador VdacL 2310 recebe um sinal do gerador VdacL e controla o transistor 2316 utilizando o retorno para fornecer a voltagem VdacL para o terminal de suprimento de baixa energia do acionador Bclk 2312. O amplificador VdacL 2310 também carrega o capacitor 1312B para a voltagem VdacL.
[00287] Como discutido acima, o eletrodo 2301 pode ter capacitância substancial. Para suprir corrente suficiente para carregar o eletrodo 2301 com alta velocidade, capacitores de desacoplamento 1312A e 1312B podem ser fornecidos para suprir corrente para o terminal de suprimento de energia baixa do acionador Bclk 2312 ou terminal de suprimento de alta energia do acionador Bclk 2312 durante as transições.
[00288] Os capacitores de desacoplamento podem ser posicionados em proximidade com o eletrodo para limitar a indutância parasítica e resistência de série equivalente (ESR) entre o eletrodo e o capacitor de desacoplamento. Quando a voltagem de um eletrodo é alterada para uma nova voltagem, o eletrodo é conectado ao capacitor de desacoplamento na nova voltagem para suprir corrente para o eletrodo através de um percurso de corrente possuindo indutância parasítica baixa e/ou resistência de série equivalente (ESR), de modo que a voltagem do eletrodo possa ser alterada rapidamente. Em algumas modalidades, o capacitor de desacoplamento pode ser posicionado perto o suficiente do eletrodo de modo que a indutância parasítica entre o capacitor de desacoplamento e o eletrodo seja inferior a 3nH, inferior a 2 nH, ou inferior a 1nH. Em algumas modalidades, a resistência de série equivalente (ESR) do percurso de corrente entre o capacitor de desacoplamento e o eletrodo é inferior a 70 ohms, inferior a 35 ohms, ou inferior a 5 ohms. No entanto, esses valores são fornecidos meramente por meio de exemplo, visto que as técnicas descritas aqui não estão limitadas a valores específicos de indutância e resistência.
[00289] Em algumas modalidades, os eletrodos b0-bm-1 podem ser conectáveis a um ou mais capacitores de desacoplamento. Em algumas modalidades, cada eletrodo b0-bm-1 pode ter seu próprio capacitor de desacoplamento. Por exemplo, em algumas modalidades, um eletrodo pode ter um único capacitor de desacoplamento acoplado entre os suprimentos de alta e baixa voltagens do eletrodo, ou dois capacitores de desacoplamento acoplados respectivamente ao suprimento de alta voltagem e suprimento de baixa voltagem. No entanto, as técnicas descritas aqui não são limitadas nesse aspecto. Qualquer um ou todos os eletrodos da estrutura de segregação de portador de carga podem ser conectados aos capacitores de desacoplamento.
[00290] Os capacitores de desacoplamento podem ter qualquer valor de capacitância adequado. Em algumas modalidades, o valor de capacitância de um capacitor de desacoplamento é dez a cem vezes a capacitância do eletrodo ao qual é conectado. Em algumas modalidades, a capacitância de um capacitor de desacoplamento pode ser de pelo menos 150 pF, pelo menos 300 pF, ou pelo menos 3 nF ou mais. No entanto, esses valores são fornecidos meramente por meio de exemplo, visto que as técnicas descritas aqui não estão limitadas a valores específicos de capacitância.
[00291] Um capacitor de desacoplamento pode ser em chip ou fora de chip. A figura 24 ilustra uma modalidade na qual o chip 1300 é afixado a um painel de circuito impresso 1310, que pode ser chamado de implementação de "chip em painel" ou "matriz em painel". Ligações com fio podem conectar o chip 1300 a um ou mais capacitores de desacoplamento 1312 no painel de circuito impresso 1310, fornecendo, assim, um percurso de corrente possuindo baixa indutância parasítica e/ou resistência de série equivalente (ESR) entre um eletrodo do chip 1300 e um capacitor de desacoplamento 1312. Em algumas modalidades, os capacitores de desacoplamento fora de chip podem ser posicionados a 1 cm, ou a 5 mm do chip 1300 ou menos. No entanto, as técnicas descritas aqui não estão limitadas nesse aspecto. Como mencionado acima, os capacitores de desacoplamento podem ser formados no chip 1300.
[00292] Como discutido acima, a carga e descarga de eletrodos da estrutura de segregação de portador de carga podem dissipar energia significativa. Em algumas modalidades, uma ou mais fileiras de pixels do chip 1300 e seus eletrodos correspondentes podem ser desativados, o que pode limitar o consumo de energia do chip 1300. O chip 1300 pode ser programável nesse aspecto, e pode permitir a seleção de quais fileiras serão ativadas ou desativadas. As fileiras que serão ativadas e desativadas podem ser mudadas com o tempo.
[00293] A figura 25 ilustra a ativação de 32 fileiras em uma região central do chip e a desativação de 48 fileiras nas bordas do chip. A desativação de uma ou mais fileiras de chips pode permitir a redução do consumo de energia em situações ou aplicações onde nem todas as fileiras do chip são necessárias.
[00294] Em algumas modalidades, as técnicas descritas podem ser realizadas utilizando-se um ou mais dispositivos. As modalidades não estão limitadas à operação com qualquer tipo particular de dispositivo de computação.
[00295] A figura 26 é um diagrama em bloco de um dispositivo de computação ilustrativo 1000 que pode ser utilizado para implementar um circuito de controle para controlar o conjunto de pixels ou para realizar a análise dos dados a partir dos pixels. O dispositivo de computação 1000 pode incluir um ou mais processadores 1001 e um ou mais meios de armazenamento legíveis por computador não transitórios e tangíveis (por exemplo, memória 1003). A memória 1003 pode armazenar, em um meio gravável em computador, não transitório e tangível, instruções de programa de computador que, quando executadas, implementam qualquer funcionalidade descrita acima. Os processadores 1001 podem ser acoplados à memória 1003 e podem executar tais instruções de programa de computador para fazer com que a funcionalidade seja realizada.
[00296] O dispositivo de computação 1000 também pode incluir uma interface de entrada/saída de rede (I/O) 1005 através da qual o dispositivo de computação pode se comunicar com outros dispositivos de computação (por exemplo, através de uma rede), e também pode incluir uma ou mais interfaces I/O 1007, através das quais o dispositivo de computação pode fornecer a saída para e receber a entrada de um usuário. As interfaces I/O de usuário podem incluir dispositivos tal como teclado, mouse, microfone, um dispositivo de exibição (por exemplo, um monitor ou tela de toque), alto falantes, uma câmera, e/ou vários outros tipos de dispositivos I/O.
[00297] As modalidades descritas acima podem ser implementadas em qualquer uma dentre várias formas. Por exemplo, as modalidades podem ser implementadas utilizando-se hardware, software, ou uma combinação dos mesmos. Quando implementado em software, o código de software pode ser executado em qualquer processador adequado (por exemplo, um microprocessador) ou coleção de processadores, sejam fornecidos em um único dispositivo de computação ou distribuídos entre vários dispositivos de computação. Deve-se apreciar que qualquer componente ou coleção de componentes que realize as funções descritas acima podem ser geralmente considerados como um ou mais controladores que controlam as funções discutidas acima. O um ou mais controladores podem ser implementados de várias formas, tal como hardware dedicado, ou com hardware de finalidade geral (por exemplo, um ou mais processadores) que é programado utilizando o microcódigo ou software para realizar as funções mencionadas acima.
[00298] Nesse aspecto, deve-se apreciar que uma implementação das modalidades descritas aqui compreende pelo menos um meio de armazenamento legível por computador (por exemplo, RAM, ROM, EEPROM, memória flash ou outra tecnologia de memória, CD-ROM, discos versáteis digitais (DVD) ou outro armazenamento em disco ótico, fitas magnéticas, armazenamento em disco magnético ou outros dispositivos de armazenamento magnético, ou outro meio de armazenamento legível por computador, não transitório, tangível) codificado com um programa de computador (isso é, uma pluralidade de instruções executáveis) que, quando executadas em um ou mais processadores, realizam as funções discutidas acima de uma ou mais modalidades. O meio legível por computador pode ser transportável de modo que o programa armazenado no mesmo possa ser carregado em qualquer dispositivo de computação para implementar aspectos das técnicas discutidas aqui. Adicionalmente, deve-se apreciar que a referência a um programa de computador que, quando executado, realiza qualquer uma das funções discutidas acima, não está limitado a um programa de aplicativo rodando em um computador hospedeiro. Em vez disso, os termos programa de computador e software são utilizados aqui em um sentido genérico para fazer referência a qualquer tipo de código de computador (por exemplo, software de aplicativo, firmware, microcódigo ou qualquer outra forma de instrução de computador) que possa ser empregado para programar um ou mais processadores para implementar aspectos das técnicas discutidas aqui.
[00299] Vários aspectos da presente invenção podem ser utilizados sozinhos, em combinação, ou em uma variedade de disposições não especificamente discutidas nas modalidades descritas acima e é, portanto, não limitado nesse pedido aos detalhes e disposições dos componentes apresentados na descrição acima ou ilustrados nos desenhos. Por exemplo, aspectos descritos em uma modalidade podem ser combinados de qualquer forma com aspectos descritos em outras modalidades.
[00300] Além disso, a invenção pode ser consubstanciada como um método, do qual um exemplo foi fornecido. Os atos realizados como parte do método podem ser ordenados de qualquer forma adequada. De acordo, as modalidades podem ser construídas nas quais os atos são realizados em uma ordem diferente da ilustrada, que pode incluir a realização de alguns atos simultaneamente, apesar de ilustrados como atos sequenciais nas modalidades ilustrativas.
[00301] O uso de termos ordinais tal como "primeiro", "segundo", "terceiro", etc., nas reivindicações para modificar um elemento de reivindicação não conotam sozinhos qualquer propriedade, precedência, ou ordem de um elemento de reivindicação sobre outro ou ordem temporal na qual os atos de um método são realizados, mas são utilizados meramente como rótulos para distinguir um elemento de reivindicação possuindo um determinado nome de outro elemento possuindo um mesmo nome (mas, para uso do termo ordinal) para distinguir os elementos de reivindicação.
[00302] Além disso, a fraseologia e terminologia utilizadas aqui servem à finalidade de descrição e não devem ser consideradas limitadoras. O uso de "incluindo", "compreendendo", ou "possuindo", "contendo", "envolvendo" e suas variações, deve englobar os itens listados posteriormente e seus equivalentes também como itens adicionais.
Claims (24)
1. Circuito integrado (1300) caracterizado pelo fato de que compreende: uma região de fotodetecção (102A) configurada para receber fótons incidentes, a região de fotodetecção (102A) sendo configurada para produzir uma pluralidade de portadores de carga em resposta aos fótons incidentes; pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108); uma estrutura de segregação de portador de carga configurada para direcionar seletivamente os portadores de carga dentre a pluralidade de portadores de carga para pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) com base nos momentos nas quais os portadores de carga são produzidos; um circuito de controle (1304) configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga para realizar uma medição, a medição compreendendo: - uma fase de captura de portador de carga na qual a estrutura de segregação de portador de carga forma pelo menos uma proteção de potencial; e - após a fase de captura de portador de carga, uma fase de transferência de portador de carga na qual um portador de carga, se capturado durante a fase de captura de portador de carga, é transferido para pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108).
2. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga para realizar a medição de uma pluralidade de momentos para agregar portador de cargas na pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108).
3. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a pluralidade de momentos ser de pelo menos mil momentos.
4. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a pluralidade de momentos ser de pelo menos um milhão de momentos.
5. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a pluralidade de medições ser realizada em menos de 50 milissegundos.
6. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a pluralidade de medições ser realizada em mais de um milissegundo.
7. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para realizar a medição com base em uma temporização de um pulso de luz de excitação.
8. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga para descartar os portadores de carga produzidos em resposta aos fótons do pulso de luz de excitação.
9. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o pulso de luz de excitação ser um primeiro pulso de luz de excitação, em que a pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) compreende uma pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, e em que a estrutura de segregação de portador de carga é configurada para direcionar os portadores de carga para regiões de armazenamento de portador de carga respectivas da pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga são produzidos, em que a medição é uma primeira medição, a fase de captura de portador de carga é uma primeira fase de captura de portador de carga, e a fase de transferência de portador de carga é uma primeira fase de transferência de portador de carga, em que a primeira fase de transferência de portador de carga transfere um portador capturado na primeira fase de captura de portador de carga para uma primeira região de armazenamento correspondente dentre a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, em que o circuito de controle (1304) é configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga para realizar uma segunda medição, a segunda medição compreendendo: uma segunda fase de captura de portador de carga na qual a estrutura de segregação de portador de carga forma pelo menos uma segunda proteção em potencial; e depois da segunda fase de captura de portador de carga, uma segunda fase de transferência de portador de carga na qual um portador de carga é transferido para pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108); em que a segunda fase de transferência de portador de carga transfere um portador capturado na segunda fase de captura de portador de carga para uma segunda região de armazenamento correspondente dentre a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, em que o circuito de controle (1304) é configurado para realizar a segunda medição com base em uma temporização de um segundo pulso de luz de excitação.
10. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga para realizar cada uma dentre as primeira e segunda medições uma pluralidade de momentos para agregar os portadores de carga à pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga.
11. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para alternar entre o controle da estrutura de segregação de portador de carga para realizar a primeira medição e o controle da estrutura de segregação de portador de carga para realizar a segunda medição.
12. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a pluralidade de momentos ser de pelo menos mil momentos.
13. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender: um circuito de leitura configurado para ler um sinal a partir da pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108), em que o circuito de controle (1304) é configurado para controlar o circuito de leitura para ler um sinal a partir da pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) depois de realizar a medição uma pluralidade de momentos.
14. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) compreender uma pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, e em que a estrutura de segregação de portador de carga é configurada para direcionar os portadores de carga para as regiões de armazenamento de portador de carga respectivas dentre a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga são produzidos, e o circuito de controle (1304) é configurado para controlar o circuito de leitura para ler sinais a partir da pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga depois da realização da medição uma pluralidade de momentos.
15. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga para mudar uma temporização, duração e/ou número de compartimentos de tempo correspondentes a pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108).
16. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) compreender uma pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, e em que a estrutura de segregação de portador de carga é configurada para direcionar os portadores de carga para regiões de armazenamento de portador de carga respectivas dentre a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga com base nos momentos nos quais os portadores de carga são produzidos, em que o circuito de controle (1304) é configurado para controlar a estrutura de segregação de portador de carga de modo que a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga corresponda a uma primeira pluralidade de compartimentos de tempo durante uma primeira pluralidade de medições e a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga correspondente a uma segunda pluralidade de compartimentos de tempo durante uma segunda pluralidade de medições.
17. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de a segunda pluralidade de medições ocorrer após a primeira pluralidade de medições e a segunda pluralidade de compartimentos de tempo possuir uma resolução de tempo maior do que a da primeira pluralidade de compartimentos de tempo.
18. Circuito integrado (1300), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o circuito de controle (1304) ser configurado para analisar uma quantidade de portadores de carga coletados durante a primeira pluralidade de medições e configurar uma temporização da segunda pluralidade de compartimentos de tempo com base na quantidade de portadores de carga coletados.
19. Método de fotodetecção, caracterizado pelo fato de compreender: (A) o recebimento de fótons incidentes; e (B) o direcionamento seletivo dos portadores de carga dentre uma pluralidade de portadores de carga produzidos em resposta aos fótons incidentes para pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) com base nos momentos nos quais os portadores de carga são produzidos; em que a pelo menos uma região de armazenamento de portador de carga (108) compreende uma pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, e o direcionamento seletivo dos portadores de carga compreende direcionar seletivamente os portadores de carga para as regiões de armazenamento de portador de carga respectivas dentre a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, em que (B) compreende capturar os portadores de carga em uma região de percurso de portador de carga, e em que a captura dos portadores de cargas compreende a alteração de uma voltagem de pelo menos um eletrodo se sobrepondo à região de percurso de portador de carga.
20. Método de fotodetecção, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de (B) compreender ainda a alteração da voltagem de pelo menos um eletrodo de transferência de carga para transferir um portador de carga capturado para regiões de armazenamento de portador de carga.
21. Método de fotodetecção, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de compreender ainda a leitura de sinais a partir da pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga.
22. Método de fotodetecção, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de (B) ser realizado através de uma pluralidade de medições, as medições individuais dentre a pluralidade de medições compreendendo: a alteração das voltagens dos eletrodos sobrepostos à região de percurso de portador de carga; e a alteração da voltagem de pelo menos um eletrodo de transferência de carga para transferir qualquer portador de carga capturado para uma região de armazenamento de portador de carga (108) dentre a pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga, em que o método compreende ainda a leitura de sinais a partir da pluralidade de regiões de armazenamento de portador de carga depois da pluralidade de medições.
23. Método de fotodetecção, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de a pluralidade de medições compreender pelo menos mil medições.
24. Método de fotodetecção, de acordo com a reivindicação 23 caracterizado pelo fato de a pluralidade de medições compreender pelo menos um milhão de medições.
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