（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器的测试与分析.pdf

摘要 本论文是天滓市重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像传感器设 计”研究工作的一部分，主要讲述了测试的原理、过程与结果。科学的发展突破 是以测试技术的水平为基础的，同时科学技术的发展又促进测试技术的发展。测 试技术已经渗透到人类的科学研究、工程实践和r 常生活的各个方面。c m o s 图 像传感器是利用成熟的c m o s 工艺将感光电路和信号处理电路集成在同一芯片 上，具有高集成度、随机读取、低电压、低功耗和单片实现的优点。该项目包括 像素、信号可编程增益放大、模数转换和时序控制电路的设计，属于超大规模数 模混合电路设计。这就使得对图像传感器的测试工作从对整机的测试转变为对椎 片系统的测试，增大了测试的难度。 文中共分为 t 章，主要记述了c o m s 图像传感器的发展；分析了其楚体结构 与工作原理：重点研究了几个重要参数和测试的指标；详细列出了测试的方案和 最终的测试结果；对测试中遇到的问题进行了仔细的分析，提出解决的办法。论 文主要工作如下： 1 ) 叙述了通用的图像传感器的工作原理，在此基础上对我们所设计并进行流片 的c o m s 图像传感器的结构、原理进行了详细的描述。 2 ) 针对设计好的芯片系统设计出了测试方案，制定了测试指标，选择合适的测 试设备。 3 ) 根据版图选择合理的封装形式，设计打线图，编写测试管脚说明，、发计并制 作用于测试的p c b 板，实施测试。 4 ) i i ：l 录测试数据，并加以分析，找出设计上需要改进的地方。 目前测试的工作基本上接近完成，成功的完成了比较器、二级放大器和时钟 模块的测试工作，并得到了比较好的数据结果，验证了设计的正确性。而且在测 试过程中还解决了几个测试上的困难，为今后的测试工作积累了经验。 关键词：c m o s 图像传感器，测试， 数模混合电路，封装， 打线 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tap a r to fr e s e a r c hw o r ko nap a r a m o u n tp r o j e c tt o t a c k l ei nt i a n j i n s c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m i t t e e “h i g hp e r f o r m a n c eh i g h d y n a m i cc m o si m a g es e n s o rd e s i g n ，i tc o n t a i n st h e o r y , p r o c e s sa n dr e s u l to f t e s t d e v e l o pa n db r e a k t h r o u g ho fs c i e n c ed e p e n do nt h el e v e lo ft e s tt e c h n o l o g y , a tt h e s a m et i m et h e d e v e l o p m e n t a n d b r e a k t h r o u g h o fs c i e n c ea l s o p r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft e s tt e c h n o l o g y t e s tt e c h n o l o g yh a sp e n e t r a t e di n t os c i e n c er e s e a r c h , e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n de v e r ya s p e c to fd a i l yl i f e c m o si m a g es e n s o ri n t e g r a t e s i m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c e sa n dp r o c e s s i n gc i r c u i t so nac h i pw i t hc m o sp l a n ep r o c e s s w h i c hh a sa d v a n t a g eo fh i g hi n t e g r a t i o n ，r a n d o ma c c e s s ，l o wv o l t a g ea n dl o wp o w e r d i s s i p a t i o n t h i sp r o j e c ti n c l u d e sd e s i g no fp i x e l ，d i g i t a lp r o g r a m m e rg a i na m p l i f i e r , a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e ra n dt i m i n gc o n t r o lc i r c u i t s ，w h i c hi sav l s im i x e ds i g n a l c i r c u i td e s i g n s oi tm a k e st h et e s tt oi m a g es e n s o rb e c o m et h et e s tt os o cf r o mt h e t e s tt os o ba n dt h ed i f f i c u l t yb e c o m eb i g g e r t h e r ea r ef i v ec h a p t e r si nt h i sp a p e r ，m a i n l yr e c o r da n dn a r r a t et h ed e v e l o p m e n t o fc o m si m a g es e n s o r ：a n a i y z et h ec o n s t r u c t i o na n dt h ef u n c t i o np r i n c i p l e s ；s e l e c t s e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n ds o m et e s tt a r g e t st os t u d yi nd e t a i l ；l i s tt h et e s t s c h e m ea n dt h el a s td a t ar e s u l t ；a n a l y z et h ed i f f i c u l t yw em e e ti nt h et e s tp r o c e s sa n d b r i n go u tt h ew a yt os o l v et h e m t h et a s k so f t h i st h e s i sa r es h o w n a sf o l l o w s 1 e x p l a i nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft y p i c a li m a g es e n s o r b a s e do nt h i si n d i c a t e t h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ei m a g es e n s o rw ed e s i g n e d 2 m a k et h et e s tp l a n ，s e td o w nt h es p e c i f i c a t i o na n ds e l e c tf e l i c i t o u se q u i p m e n t 3 m a k es n r et h ep a c k a g e ；p l a nt h ew i r eb o n dd i a g r a m ；c o m p i l et h et e s t s p e c i f i c a t i o n ；d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h ep c b f o rt e s t ；t e s tt h ec h i p 4 r e c o r dt h ed a t aa n da n a l y z et h e m ，f i n do u tw h a ts h o u l dt ob ei m p r o v e di n d e s i g nc o u r s e t i l ln o wt h et e s th a sb e e nf i n i s h e dm o s t lv w eh a v ef i n i s h e dt h et e s tf o r c o m p a m t o r , s e c o n d a r ya m p l i f i e ra n dc l o c km o d u l e s t h ed a t aw ed e r i v e di ss e e m e d w e l lm a dw i t ht h e s ed a t aw ev a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h ec i r c u i td e s i g n i nt h ec o u r s e o ft e s tw ea l s os o v l e ds o m ed i f f i c u l t i e s ，p i l e du pe x p e r i e n c ef o rt h en e x tt e s t o p e r a t i o n k e yw o r d s ：c m o si m a g es e n s o r , t e s t ，m i x e ds i g n a lc i r c u i t ，p a c k a g e ，w i r e b o n d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：石鸽专 签字日期：一! 年厂月如闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘茔有关保留、使用学位论文豹规定。 特授权丕壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：名鹤专 签字日期：知嗒年月弘f t 导师签名 维料 签字日期：z 别耷月夕c ) 日 第一章概述 第一章概述 1 1 c m o s 像素传感器的发展 集成电路技术是现代信息技术的基础，是衡量一个国家科学技术水平的重要 标志之一。我国将i c ( 微电子) 产业和软件产业作为国家“十五”期间重点发展 的两大产业，将这两大产业视为人的“心脏”和“大脑”，并在政策上给予相当 大的优惠。为适应国家的这一发展规划，满足微电子发展的需要，今后集成电路 发展的重点将是提高电路设计水平，加快研制具有自主知识产权的芯片，集成电 路的设计技术迅速成为当前的发展热点。国家已决定在“十五”中设“超大规模 集成电路重大专项”，重点支持大规模集成电路设计和相关材料研制，争取到 2 0 1 0 年使我国成为集成电路设计大国，并以超大规模集成电路设汁为龙头带动相 关产业的发展。 图像传感器是传感技术中的一个重要分支，是p c 机多媒体世界今后不可缺少 的外设，也是保安监控产业中的核心器件。在知识经济和信息社会已经到来的今 天，它在我们的社会生活中会有越来越多的应用。目前，成像系统一般采用的是 c c d 像素传感器技术。然而c c d 像素传感器有如下缺点：驱动电路和信号处理电路 难与c c d 成像阵列单片集成；像元间电荷转移要求严格准确，时钟脉冲复杂；需 要相对高的工作电压；不能与亚微米深亚微米的v l s i i 艺兼容；成品率低；成本 高；蓝光响应差，有光晕，图像信息不能随机读取等。为克服这些缺点八十年代 国外开展了c m o s 像素传感器的研制。 所谓c 6 j i o ss e n s o r 就是利用成熟的酬o s 工 艺，把光电接收器和放大、读出、a d 转换等电路集成进单个芯片。随着c m o s 工 艺技术的发展，采用标准的c m o s 工艺生产高质量、低成本的c m o s 像素传感器已显 示出强劲的发展势头。 c m o s 像素传感器在1 9 6 7 年被提出来，当时由于光蚀刻( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 技 术尚未成熟，并未开发出有实用价值的感光器件，直到1 9 9 0 年代初期次微米半导 体制程技术成熟，才使得c m o s 像素传感器成为注目的焦点。随着v l s i $ i j 程技术的 进步，以往的假像( a r t i f a c t s ) 、污迹( s m e a r ) 及晕散( b l o o m i n g ) 等一些缺陷逐渐 被克服，再加上c m o s 制程高整合密度以及低功率消耗的优点，c m o s 像素传感器的 应用已逐渐被重视，特别是在整合系统的用途上。未来将与c c d 可相互匹敌，在 像素传感爨市场扮演重要角色。 1 2c m 0 8 像素传感器制程技术与原理概述1 1 第一章概述 以0 5 m 的c m o s 技术为例，可做到8 x 8 m x 小的像素，填充率为3 0 ，这样 的规格跟i n t e r 一1 i n e 的c c d 已经很接近了。加上固定模式噪声修正电路( 或特殊的 半导体电路设计) 的开发，解决了固定模式噪声的问题，a c t i v ep i x e l 的c m o s 像 素传感器的性能如噪声、动态范围、均匀度等，都能与c c d * h 比拟。 c m o s 图像传感器由数组式的感光像素构成，像素结构可为m o s 电容或是p n j u n c t i o n 的感光二极管，有p h o t o g a t e ( 光栅) 及p h o t o d i o d e ( 光电二极管) 两 种，其结构如图卜1 所示，由于p h o t o g a t e 型会吸收蓝光，因此目前的c m o s 发展以 p h o t o d i o d e 型为主流m j 。 ( a )( b ) 图l l ( a ) p h o t o g a t e 的结构示意图( b ) p h o t o d i o d e 的结构示意图 p h o t o d i o d e 型又分无源式及有源式，它们的原理都是利用一个反偏的二极管 当成感光区域，由于反偏的二极管会产生耗尽区，当光照在此区域时，产生的电 子空穴对会被耗尽区的电场分开，使电子往n + 区移动，而空穴往p s u b 漂移( 以n + p 接触为例，如图1 2 所示) ，n + 区的电子会降低该点的电位。若此时以一个晶体 管把i i + 区的电子传到输出端( b u s1 i n e ) 的话，就是所谓的无源式二极管像素传感 器( 如图3 所示) ，因为它只把光照产生的电荷直接传到输出端去读取，而没有放 大的功能；若n + 区连接到一个源极跟随器的话，就是所谓的有源像素传感器( 如 图4 所示) ，因为它可以驱动一个大电流，快速的对输出端充放电，使输出端的电 压稳定，因此它的噪声也比较小。 无源像素传感器【列每个像素只有一个晶体管，因此它的像素面积小，填充系 数高，但因为它的输出电容包含其它像素的开关晶体管的p n 接触电容，所以此 输出电容相当大，导致较远且具有较少电荷的像素不容易对此分布式 ( d i s t r i b u t e d ) 电容充电，使不同位置的像素在相同照度下有不同的输出电压， 所以它的噪声很大。因此它虽然很早被发明，却无法被大量应用。 而有源像素传感烈邮加了一个源极跟随器来快速对输出电容充放电，以达到 低噪声的功用，而且电荷信号在像素所在的地方，即被晶体管放大器转换成电压 信号，同时被放大后输出至传感器外部。但它的缺点是每个像素里有更多的晶体 第一章概述 管，占掉像素的感光面积，使传感器的灵敏度降低，另外，像素上的放大器特性 不容易做到每个都一致，这就是产生固定模式噪声( f i x e dp a t t e r nn o i s e ) 的原 因。因此需加上固定模式噪声修正电路( 或特殊的半导体电路设计) 的开发，就可 解决固定模式噪声的问题 i 、涔z a 影 ，?一 图1 2 光电二极管光照示意图 t x v d dv d d l j l - o u t 图1 3 无源电路示意图图1 - 4 有源电路示意图 1 3c c d 与c m o s 像素传感器比较 c c d ( c h a n g ec o u p l e dd e v i c e ，光电荷耦合组件) 及c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补金属氧化半导体) 两种像素传感器，c c d 由于发展时 间早，自1 9 6 9 年贝尔实验室成功开发出来后，即由日本s o n y 、p a n a s o n i c 、s h a r p 等厂商开始研发量产；c c d 的量产至今已有二十余年的历史，制程极为成熟，良 品率稳定性高。 一 c c d 年i c m o s 像素传感器二者都是借着传感器本身所释放的电子数与所接收到 的光线强度成正比的原理所制成，不同的是它们的信号读取方式及所使用的制程 及设备。c c d 由于电路架构简单而且适用于高密度设计，且具有高分辨率、较高 的敏感度、较低的暗电流，但由于它的制程特殊，无法为c m o s 标准制程，因此在 开发及制造的成本上较昂贵。 c m o s 像素传感器的制程与一般逻辑产品的制程相比，c m o s 像素传感器仅最 后6 7 道的光罩设计与逻辑产品不同，整体制程约有七成是与逻辑产品相似的。 因此，利用一般的c m o s 生产线即可从事c m o s 像素传感器的生产。与一般逻辑产 第一章概述 品相比，由于c m o s 像素传感器的生产仍有漏电流控制、封装、测试标准等问题 需要克服，因此目前c m o s 像素传感器的良率仍然极不稳定，有很大的改善空间。 c c d 的生产线必须独立建置，生产线无法转作其它用途，因此c c d 生产线的成本 极高；对于c c d 的生产厂商而苦，c c d 的扩产必须经过极为谨慎且小心的评估， 生产成本相对提高。 c m o s 像素传感器的发展伴随半导体产业的精进，短短不过十年的光景，虽然 在图像质量及感光度 ：仍然无法与c c d 媲美，但是以其省电、体积小的优势，在 着重成本、画质要求较低的产品应用市场，如p cc a m e r a 、t vc a m e r a 、t o yd s c 等领域，c c d 已经陆续被c m o s 所取代。 对于在某个分辨率可接受范围时，c m o s 像素传感器除了价格上较便宜外，还 有以下儿个优点 5 】：( 参考表一) a 系统整合性 c m o s 图像传感器采用标准的半导体制程制作，因此可将感测组件所需的外围 电路( 女n t i m i n g 、c o n t r o l 、m u l t i p l e x e r 、a d 转换、影像压缩、计算机接口等) ， 一起制作在一片硅芯片上，甚至可将相机所有的电路，整合在单一个芯片上，制 成所谓的单芯片相机( c a m e r ao nac h i p ) ，刁；但可降低系统的成本及组装所需 的时间，亦可缩小系统的体积及复杂度。 b 低功耗 c c d 像素由m 0 s 电容构成，读取电荷信号时需要使用电压相当大( 5 - 1 5 v ) 的时 序( c l o c k ) 信号，才能有效地达到电荷传递的功能，因此使用c c d 的取像系统，除 了多个电源外，c c d 的外围电路也会消耗相当大的功率。c m o s 像素传感器则只需 要单一个5 v ( 或3 3 v ) 电源，能大幅提高电源的效率。 c 随机区域读取 c m o s 像素传感器各像素感光所产生电荷后，经放大器转换成电压信号，此信 号可用行、列式的电极读出，因此可以选择随机读取传感器上任何区域的信号， 可增加取像的灵活性。c c d 像素传感器则无此功能。 d a n t i b l o o m i n g c c d 的b l o o m i n g 是指某个像素受到强光照射时，因电位井内积存的电荷饱和 而扩散到邻近像素的现象。c f f o s 像素之间各自独立，不会发生b l o o m i n g 的现象。 e 智能型像素 a c t i v ep i x e lc m o s 像素传感器像素上的电路除了基本的信号转换及放大功能外， 还可以将一些简单的影像处理功能如边缘辨识( e d g ed e t e c t i o n ) 、移动侦测 ( m o t i o nd e t e c t i o n ) 等做在电路罩，构成所谓的智能型像素，可简化系统结构 及增加信号处理的速度。 4 第一章概述 表卜1c c d 与c _ i o s 像素传感器的比较 ： f o sc c d 耗电量低高 单芯片整合易 难 生产成本氐高 制程良率仍有很大的改善空间成熟 影像质量佳可接受 优 感光度佳可接受 优 c m o s 像素传感器与c c d 最大的不同，在于所使用的制程及设备。由于c c d 的信 号须一行一行的读出，离输出放大器较远的像素，电荷必须经过多次的传递才能 被读出，因此在制作c c d 时，必须使每个像素都读出；另外，每次电荷传递必须 非常的干净，即电荷传递效率要非常的高，否则会因电荷的屯积造成图像的 s m e a r 。因此c c d 虽然是以硅芯片为材料，但必须发展特殊的制程技术，以确保 较高的像素良品率及较高的电荷传输效率。所以c c d 的制造需累积相当的经验， 制造商也必须各自发展其特有的制程技术，因而形成市场由少数厂商垄断的局 面。c m o s 像素传感器使用一般的半导体制程技术与设备即可，开发c m o s 像素传感 器的厂商，不必自备昂贵的半导体制造设备，只须将c m o s 像素传感器的线路设计 好，请半导体厂代工即可。 跟c c d 比起来，c m o s 像素传感器的主要缺点为噪声高及灵敏度低。噪声的问 题可用a c t i v ep j x e l 设计及噪声补偿电路加以降低，已有厂商声称所开发出来的 技术，影像质量已不l e c c d 差；灵敏度低是因为像素部份面积，须被用来制作放 大器的线路，在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制程技术，否则为了维持 相当水平的灵敏度，传感器分辨率不能做得太高( 反过来说，固定分辨率的传感 器，芯片尺寸无法做得太小) ，因此在超高分辨率( 数百万像素以上) 及高灵敏度 方面的应用，目前c c d 仍将是较佳的选择。 1 4g m o s 图像传感器产品现况 c m o s 像传感器是图像处理技术中的关键设备，是p c 机、多媒体产品今后不 可缺少的外设，也是保安监控产业中最核心的器件。c m o s 图像传感器比c c d 图像 传感器功耗更低，而且体积也可以进一步缩小，能大批量生产、低噪声，宽动态 范围，宽光谱灵敏度，体积小，价格便宜，容易实现商品化，适用于超微型数码相 机、便携式可视电话、p c 机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽 车防盗、机器视觉、车载电话、指纹识别等领域。同时c m o s 图像传感器由于体积 小功耗低，可靠性高等特点还可用于军事侦察、末制导、卫星等方面。 第一章概述 表卜lc c d 与c g o 。q 像素传感器的比较 ：m o s c d 耗电量低高 单芯片整合易 难 生产成本 低高 制程良率仍有很大的改善空日j成熟 影像质量仕可接受优 感光度佳可接受 优 c m o s 像素传感器与c c d 撮大的不同，在于所使用的制程及设备。由于c c d 的信 号须一行一行的读出，离输出放大器较远的像素，电荷必须经过多次的传递j 能 被读出，因此在制作c c d 刚，必须使每个像素都读出；另外，每次电荷传递必须 非常的干净，即电荷传递效率要非常的高，否则会因电荷的屯积造成图像的 s m e a r 。因l c c d 虽然是以硅芯片为材料。但必须发展特殊的制程技术，以确保 较高的像素良品率及较高的电荷传输效率。所以c c d 的制造需累积相当的经验， 制造商也必须各自发展其特有的制程技术，因而形成市场南少数厂商垄断的局 面。c m o s 像素传感器使用一般的半导体制程技术与设备即可，开发c m o s 像素传感 器的j 商，不必自备昂贵的半导体制造设备，只须将c m o s 像素传感器的线路设计 好，请半导体厂代r 即可。 e r c c d 比起来，c m o s 像素传感器的主要缺点为噪声高及灵敏度低。噪声的问 题可用a c t i v ep i x e l 设计及噪声补偿电路加以降低，已有厂商声称所开发出束的 技术，影像质量已不比c c d 差；灵敏度低是因为像素部份面积，须被用来制作放 大器的线路，在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制程技术，否则为了维持 相当水平的灵敏度，传感器分辨率不能做得太高( 反过来说，固定分辨率的传感 器，芯片尺寸无法做得太小) ，因此在超高分辨率( 数百万像素以上) 及高灵敏度 方面的应= j ，日前c c d 仍将是较佳的选择。 1 4c m o s 图像传感器产品现况 c m o s 像传感器是图像处理技术中的关键设备，是p c 机、多媒体产品今后不 可缺少的外设，也是保安蛉控产业中最核心的器件。c o s 图像传感a t 七c c o 图像 传感器功耗更低，而且体积也可咀进一步缩小，能大批量生产、低噪声宽动态 范围宽光谱灵敏度，体积小，价格便宜，容易实现商品化，适用于超微型数码相 机、便携式可视电话、p c 机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽 车胁盗、机器视觉、车载电话、指纹识别等领域。同时c m 0 s 图像传感器由丁体积 小功耗低，可靠性高等特点还可用于军事侦察、末制导、卫星等方面。 小功耗低，司靠性高等特点还可用于军事侦察、末制导、卫星等方面。 目前c m o s 图像传感器的主力产品多集中于c i f ( 视频采集设备的标准采集分 辨率，解析度为3 5 5 2 8 8 ，即1 0 万像素) 与v g a ( 视频图形阵列，解析度为6 4 0 4 8 0 ， 即3 0 万像素) 规格的产品。目前已开发的c m o s 虱像传感器如表卜2 所示。c i f 规格 的c m o s 图像传感器大小，由2 0 0 0 年的1 3 英寸至1 4 英寸渐渐转至l 4 英寸n 1 7 英寸。c i f 规格c m o s 图像传感器多应用于手机上，且出货多集中于s h a r p 与t o s h i b a 两家厂商。1 7 英寸的c i f 规格c m o s 图像传感器的功耗已降至3 0 m w 以下，符合手机 等可携式产品低耗电的要求。v g a 规格的c m o s 图像传感器大小，由2 0 0 0 年的1 3 英i j ”至1 4 英寸逐渐转至1 4 英寸。c o n e x a n t 采用0 1 8 um 制程做出业界最小的1 5 英寸。c m o s 图像传感器的主要应用之一p cc a m e r a ( 个人电脑摄像头) ，过去c i f 和v g a 都具一定的比例，现在v g a 规格占了绝大部分，主要是因为v g a 价格颇具竞 争力。v g a 规格c m o s 图像传感器的功耗由过去的3 0 0 m w 降至1 0 0 m w 左右。2 0 0 2 年初 l = ：1 商以v g a 规格的c m o s 图像传感器，取代c i f 规格的c m o s 图像传感器。 表1 2 各大公司生产的c m o s 图像传感器性能指标【2 l 公司 像素大小分辨率响应度功耗帧频 暗电流输出 ( u i s )( m w )( f p s )( a c m 2 )( b i t ) h v u n d a i 8 u r n8 0 0 x 6 0 03 56 33 0 2 0 p 1 0 c o n e x t i n t5 6 u m1 0 8 0 1 0 2 43 5 02 71 0 p h o t o b i t7 9 u r n6 4 0 4 8 01 63 0 04 08 p h o t o b i t1 0 u m1 0 2 4 1 0 2 41 54 0 05 0 08 t o s h i b a 5 6 u r a 6 4 0 x 4 8 0 1 0 03 0 5 0 p m o t o r o l a7 8 m n6 4 0 x 4 8 03 04 0 02 52 n1 0 o n m i v i s i o7 6 t u n6 4 0 x 4 8 01 2 06 08 a g i l e n t 9 u m6 4 0 4 8 022 0 03 03 n9 f i l l f a c t y 7 u m1 2 8 0 x1 0 2 4l3 0 08o _ 2 5 n c i f 规格以下的c m o s 图像传感器的应用市场较小，例如像手表型数字相机之 类的市场。c i f 规格以下的c m o s 图像传感器，所依赖的就是较c i f 规格更小的体积 与耗电；q c i f 规格c m o s 图像传感器的功耗目前在2 5 m w 左右。随着c i f 和v g a 规格在 体积与耗电愈来愈小的趋势下，c i f 规格以下的产品将会随时间淡出市场，除非 另找出特殊用途才有生机。 1 5 国内g m o s 图像传感器的发展 近几年来，c m o s 图像传感器的研制和开发已进入热门时期。在国际上，c m o s 图像传感器已由研制阶段进入批量生产阶段，其器件和整机已进入市场。为了 缩短与国际上发达国家在这一领域的差距，国内的西安交通大学开元微电子科 技有限公司、北京安泰电子厂，深圳雅创宝星元器件有限公司、北京千帆之家 6 第一章概述 科技集团公司、北京泰恩特电子科技公司、北京奥威电子技术有限公司、文哗 科技香港有限公司、上海复旦大学等企业和部分大学都开展了c m o s 图像传感器 的研制和开发工作，并且取得了较大的进展。其中西安交通大学开元微电子科 技有限公司已研制出3 6 9 2 8 7 、7 6 8 x5 7 4 、6 4 0 4 8 0 和5 1 2 5 1 2 像元的c m o s 图像传感器，并且利用这些器件组装了m x 型系列c m o s 微型摄像机。上海复 旦大学与美国斯坦福大学研制出了6 4x6 4 像元c m o s 图像传感器。北京千帆之 家科技集团公司也用0 i i l n iv i s i o n 公司的c m o s 图像传感器开发了不少产品，而 且还在继续开发新产品。已开发成功的产品有：( 1 ) 超微型c m o s 黑白摄像机( 尺 寸1 6 1 6 x1 2 m m ) ；( 2 ) 微型c m o s 彩色摄像机；( 3 ) 无线发射婴儿活动监视器； ( 4 ) 汽车尾视装置( 5 ) 汽车货柜监视器正在开发的产品存( 1 ) 超微型彩色c m o s 摄像机( 尺寸为2 2 2 2 x 1 4 n 1 i n ) ；( 2 ) 汽车防盗图像发射和接收装置；( 3 ) 水下摄 像机( 带无线发射) 。另外，台湾材料研究实验室生产的黑白、彩色c m o s 图像传 感器己用于p c 摄像机、夜视会议、可视电话、玩具、数字静止摄像机和设备图 像装置中。该公司已开发出新的基于面阵图像传感器的彩色c m o s 数字摄像机模 块。此模块可用于数字式图像系统中。另外国内目前有许多厂家和科研单位在 c m o s 图像传感器的应用方面作了大量工作，但目前中国还没有低于0 3 5um 线 宽的大规模集成电路生产基地，像素数在3 0 万以上的c m o s 图像传感器芯片必 须进口。但中国拥有足够优秀的微电子、微机械结构、光学设计、机电加工人 才，因此对进口的c m o s 图像传感器芯片有足够的消化能力。可以开发以c m o s 图像传感器芯片为核心元件的各种应用产品，寻觅c c d 技术难以达到的新的应 用领域。中国有4 千万个中产阶层家庭，利用c m o s 图像传感器可以设计出可视 电话、p c 摄像机、p c 机电脑眼、p d a 及其手持设备，电视机顶盒、可视门铃、 汽车尾视、汽车防盗、机器视觉、安防监控以及其它数不清的消费水平在1 0 0 0 元人民币以下的家用电子产品。再考虑到工矿企业、政府机构、金融、商业部 门以及各企业来料加工和出口的需要，因此市场空间极大。以可视门铃为例， 目前仅在南方上市，北方还未普及。 1 6 测试与可测性设计嘲 c m o s 图像传感器也是一种大规模集成电路，它的测试与其他s o c 基本相同， 但是它同时还是光电器件，所以还有它自己的测试特点。 集成电路的测试技术、设计技术与制造技术一起并称为集成电路的三大关键 技术。随着集成电路规模的增大，复杂度的提高，测试生成的费用成指数增长。 目前深亚微米设计已成为主流，纳米技术也取得了很大进展。现在s o c 产品 的开发出现了两个特点：一是产品复杂度越来越高，在一个芯片上集成了数百万 7 第一章概述 个门电路，测试生成所需要的时间增长惊人。二是市场竞争日趋白热化，产品上 市时问紧迫。 而且随着系统级设计的内部频率提高，简单的使用外围设备已经无法达到要 求，单纯的研究新的测试方法和开发新的测试设备已很难满足j 一家的生产的需 求。所以根本的解决办法就是在进行系统设计的时候就充分考虑到测试的要求， 即要用故障诊断的理论去指导系统的设计，这就是可测性设计( d f t ，d e s i g nf o r t e s t a b i l i t y ) 技术。 1 7 本课题的选题目的和意义 图像采集和处理系统在当今社会有着广泛的应用，而图像传感器是该系统的 核心。由于目前占据主流的c c d 技术有着一系列固有的缺点，而c m o s 技术日趋成 熟，使设计c m o s 图像传感器成为可能。根据i n s t a t 统计资料显示，c m o s 传感器 的全球销售额至1 1 2 0 0 4 年可望突破1 8 亿美元，c m o s 将以6 2 的年复合成长率快速成 长，逐步侵n c c d 器件的应用领域。随着多媒体、数字电视，可视通信等领域的 对图像传感器需求的剧增，c m o s 图像传感器应用前景将更加广阔。c m o s 图像传感 器的高度集成化减小了系统的复杂性，降低了制造成本，使采集到的图像信息的 读出及处理变得简单而快捷，有利于设计出更灵巧的小型摄像系统，它还具有单 一工作电压、低功耗、与c m o s 电路兼容、对局部图像随机访问等优点。 天津大学专用集成电路设计中心在成立之初就在李斌桥教授的帮助下展开 t c m o s 图像传感器的研究工作。我们的研究主要分为两个方向，一个是针对汽车 安全气囊的应用，该图像传感器要求大动态范围、高速度( 2 0 0 帧秒) 。另一个 是普通视频应用，该应用对c m o s 图形传感器要求是高分辨、低成本、视频( 3 0 帧秒) 应用。随着研究工作的进展，该项目得到了天津大学9 8 5 1 程和天津市科 委自勺支持，成为天津市重点科技攻关项目。 翌三童! 塑! 里堡堡壁矍堕堕垄丝塑 第二章c m o s 图像传感器的原理结构 2 1c m o s 图像传感器的组成 c m o s 图像传感器的原理框图如图2 - - 1 所示，它的主要组成部分是像素单 元阵列和m o s 场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一芯片上的。像素 单元阵列实际上是光电二极管阵列，它有线阵和面阵之分。 口口口口口口口口 j 同步控制电路 口口像素单元行时序脉冲电路 y 口 口像 地 吕凳 接口电路 址 口列 厂 li 预处理电路 专列放大器 i 输出 夕阳偎似丌大7 i ，u 干伏硒 i x 地址 一一一。一一。l 一一一- ，一一一一 图2 1c m o s 图像传感器原理图 图中所示的像素单元阵列按x 和y 方向排列成方阵，方阵中的每一个像素 单元都有它在x ，y 各方向上的地址，并可以分别由两个方向的地址译码器进行 选揖；每一列像素单元都对应于一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由 x 方向地址译码器进行选择的模拟多路开关，并输出至输出放大器；输出放大器 的输出信号送a d 转换器进行模数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输 出。图中的时序信号发生器为整个c m o s 图像传感器提供各种工作脉冲，这些 脉种均可受控于接口电流发来的同步控制信号。图像信号的输出过程可由图像传 感器阵列原理图更清楚的说明。如图2 2 所示，在y 方向地址译码器( 可以采 用移位寄存器) 的控制下，依次序接通每行像素单元上的模拟开关( 图中标志的 第二章c m o s 图像传感器的原理结构 s i j ) ，信号将通过行开关传送到列线上，再通过x 方向地址译码器( 可以采用移 位寄存器) 的控制，传送到放大器。当然，由于设置了行与列开关，而它们的选 通是由两个方向的地址译码器上所加的数码控制的，因此，可以采用x ，y 两个 方向以移位寄存器的形式工作，实现逐行扫描的输出方式。也可以只输出某- - ? f 或者某一列的信号，使其按着与线阵c c d 相类似的方式工作。还可以选中你所 希望观测的某些点的信号，如图2 - - 2 中所示的第i 行、第i 列的信号。 图2 - 2c m o s 图像传感器原理示意图 在c m o s 图像传感器的同一芯片中：还可以设置其他数字处理电路。例如， 可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、自平衡处理、，校正、黑电平控制等处 理。甚至于将具有运算和可编程功能的d s p 器件制作在一起，形成具有多种功 能的器件。为了改善c m o s 图像传感器的性能，在许多实际的器件结构中，光 敏单元常与放大器构成一个像素单元的复合结构。 我们设计的图像传感器稍微在模拟信号处理上复杂一些，但是缺少接口电 路。如图2 3 传感器由以下几个模块组成： 1 、像素单元阵列 第二章c m o s 图像传感器的原理结构 像素单元采用双存储节点像素单元。 2 、模拟信号处理模块 1 ) 、第一级放大器 像素阵列的每- - n 有一个一级放大器，它的增益可选为1 x 或叙。 2 ) 、第二级放大器 一个单一增益差分放大器。3 2 列共用一个第二级放大器。 3 ) 、比较器阵列( f l a s h a d c ) 由1 6 个比较器组成的4 位并行a d 4 ) 、偏置产生模块 用来产生比较器阵列所需的偏置电压。 5 ) 、列选择器 在本设计中，3 2 列一级放大器同接一组二级放大器，所以需要有一个列选 择器来控制对一级放大信号进行处理的顺序。 3 、数字控制模块 它包括像素单元图像信息采集的控制、各级放大器的放大控制、模拟数字转 换器以及数据的输出控制。 图2 3c m o s 图像传感器的系统结构 2 2 各模块单元的结构与工作原理 2 2 ，1 像素单元 第二章c m o s 图像传感器的原理结构 像素单元结构实际上是指每个成像单元的电路结构，它是c m o s 图像传感 器的核心组件。我们设计的像素单元结构使用了有源像素传感器( a c t i v ep i x e i s e n s o r ) 结构，光探测器使用的是光电二极管，并且在输出后接了相关双采样电 n ( c d s ) 8j 【9 j ，以减小固定模式噪声( f i x e dp a t t e r nn o i s e ) 1 0 1 1 ”，其电路结构如 图2 3 所示。 r e s v d dv d d v d d 网2 - 4 具有像素级处理电路的像素结构 该像素结构由于采用了c d s ，虽然使电路结构增大，填充率降低，但是可 以有效的消除f p n ，并且增大动态范围。相关双采样( c d s ) 的读取电路，可以 在信号处理中非常巧妙的利用两次采样对f p n 信号采样，然后从总信号中减去 f p n 信号而获取有效信号。它可以非常有效的减少f p n ，尤其是失调f p n ，虽 然会引入额外的f p n 和k t c 噪声”2 】，但整个系统的噪声可以得到优化。在c d s 工作时，积分后输出电压是复位值和信号输出之和，输出信号既包括原始的复位 信号，也包括f p n 和k 1 c 噪声。我们可以将像素复位，然后再减去这个值。两 次相减的信号中包含的固定模式噪声相问，所以能有效的消除固定模式噪声。其 过程如下：t 、采样保持信号值，电荷= 新信号+ i h 复位信号。2 、复位像素。3 、 采样保持复位值，电荷= 新的复位信号。4 、( 新信号+ i b 复位信号) 一新复位信号。 图2 4 中光电二极管是一个面积占整个像素单元面积2 0 左右的光电二极 管，它用来收集光信号。光电二极管的面积很大是为了最大化有效量子效应，同 时要求它的电容尽可能的小以最大化充电电压转换效应。v l d 是一个偏置管， 可以控制像素单元的功耗。r r 信号是调整输出电压的负载能力的，一般情况f r r 置为o