CMOS图像传感器

1、 微纳检测与成像课题组 黄林波 2014年4月14日u概述uCMOS结构与工作原理uCMOS图像传感器特征参数u影响CMOS传感器性能的主要问题uCMOS和CCD的比较u主流的CMOS图像传感器厂商及其产品展示u最新CMOS图像传感器技术 现代人类生活中, 人们迫切需要获取各类信息, 其中以视觉器官为渠道获取的图像信息居多。 随着半导体技术水平的不断提高, 图像传感器( Image Sensor) 作为目前视觉信息获取的一种基础器件, 因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展, 给出直观、多层次、内容丰富的可视图像信息, 而在现代社会生活中得到越来越广泛的应用。 目前, 图像传感器主要分2

2、类, 电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD) 和互补金属氧化物场效应管(Complementary Metal Oxid Semiconductor,CMOS) 图像传感器。CCD图像传感器CMOS图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器 CMOSComplementary Metal Oxide SemiconductorCMOS图像传感器,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。 CMOS 图像传感器图像质量差、分辨 率低、噪声大、光照灵敏低制约CMOS发展的原因 C

3、CD有效面积大、均匀收集和转移电 荷、噪声小但是最近10 年, 由于集成电路设计技术和工艺水平的提高, CMOS 图像传感器过去存在的缺点现在都可以找到办法克服, 而且它固有的诸如像元内放大、列并行结构, 以及深亚微米CMOS 处理等独特的优点更是CCD 器件所无法比拟的, 而且与CCD 技术相比, CMOS 技术集成度高、采用单电源和低电压供电、成本低、采用单芯片、功耗低和设计简单，这些优点使CMOS 图像传感器用途广泛，成为研究的热点。 70 年代初,CMOS 传感器在美国航空航天局(NASA) 的Jet Propulsion Laboratory( JPL) 制造成功。 80 年代末,

4、英国爱丁堡大学成功试制出了世界第1 块单片CMOS 型图像传感器件。 1995 年, 像元数为128128 的高性能CMOS 有源像素图像传感器由JPL首先研制成功。 1997 年, 英国爱丁堡VLSI Version 公司首次实现了CMOS 图像传感器的商品化。就在这一年, 实用CMOS 技术的特征尺寸达到了0.35 m,东芝研制成功了光电二极管型APS (Active Pixel Sensor), 其像元尺寸为5.6 m5.6 m, 具有彩色滤色膜和微透镜阵列。 2000 年, 日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35 m 技术开发的CMOS- APS 已成为开发超微型CMOS 摄像机的主

5、流产品。 2008年6月豪威科技领先业界宣布投产背照式（BSI）CMOS传感器。 CMOS 无源像素传感器(CMOS- PPS,Passive Pixel Sensor) CMOS 有源像素传感器（CMOS- APS, Active Pixel Sensor） CMOS 数字像素传感器（CMOS- DPS, Digital Pixel Sensor）光敏元件，是CMOS的重要感光器件，常用的是光电二极管。光电二极管利用的是半导体的光生伏特效应。当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结内的原子吸收光子能量，并产生本征吸收，激发出电子空穴对，在耗尽区内建电场的作用下，空穴被拉到P区，电子被拉到N

6、区，形成反向电流即光电流。简而言之，CMOS图像传感器和CCD图像传感器在光检测方面都是基于硅的光电效应。1、CMOS 无源像素传感器主要是由光电二极管和开关管组成量子效率较高，但读出噪声大2、CMOS 有源像素传感器 A、光敏二极管型有源像素结构（PD-APS）主要由光电二极管、若干放大器和开关管组成灵敏度高、功耗低，但是像素单元尺寸大、填充系数小B、光栅型有源像素结构（PG-APS）主要由光栅PG、若干放大器和开关管组成灵敏度高、功耗低，但是像素单元尺寸大、填充系数小3、 CMOS 数字像素传感器 a、芯片级ADC 的数字图像传感器芯片上集成一个A/D 转换器,每个像素的输出都要经过该AD

7、C转换后输出b、列级ADC 的数字图像传感器图像传感器阵列的一列共用一个ADC，从而构成一个ADC 线阵列. ADC在并行方式下，对逐列信号进行AD 转换c、像素级ADC 的数字图像传感器图像传感器的每一个像元或者邻近的一个像元组（如2 2、2 3 等）对应一个ADC，而ADC 在并行方式下工作。 1、传感器传感器尺寸尺寸 CMOS图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。格式格式长度（长度（mm） 宽度（宽度（mm） 对角线对角线面积面积全画幅全画幅362

8、443.27 864.00 佳能佳能APS-H27.918.633.53 518.94 尼康尼康DX23.615.828.40 372.88 佳能佳能APS-C22.314.926.82 332.27 佳能佳能1.5英寸英寸 18.71423.36 261.80 4/34/3英寸17.31321.64 224.90 尼康尼康 1系列系列13.28.815.86 116.16 富士富士2/3英寸英寸 8.86.611.00 58.08 1/1.71/1.7英寸7.765.829.70 45.16 1/2.31/2.3英寸6.164.627.70 28.46 1/3.21/3.2英寸4.133.0

9、55.13 12.60 2、像素总数和有效像素像素总数和有效像素数数 像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。3、动态范围动态范围 动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。4、灵敏度灵敏度 图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于C

10、MOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。5、分辨分辨率率 分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。6、光电响应不光电响应不均匀性均匀性 CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。7、光谱响应光谱响应特性特性 CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化关系,

11、它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。1、暗电流暗电流暗电流是 CMOS 图像传感器的难题之一。CMOS 成像器件均有较大的像素尺寸，因此，在正常范围内也会产生一定的暗电流。暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围。通过改进 CMOS 工艺，降低温度，压缩结面积，可降低暗电流的发生率，也可通过提高帧速率来缩短暗电流的汇集时间，从而减弱暗电流的影响。2、噪声噪声 噪声的大小直接影响 CMOS 图像传感器对信号的采集和处理，因此,如何提高信噪比是 CMOS 图像传感器的关键技术之一。 CMOS的噪声主要有：热噪声复位噪声散粒噪声低频噪声固定模式噪声热噪声热噪声热噪声是导体中被热激发的载流子进行不规则布朗

12、运动所产生的随机电流，通过欧姆定律就产生了随机电压。采用较小尺寸器件有利于减少热噪声。热噪声常与实际电路带宽有关，因而放大器输入级尤为重要。复位噪声复位噪声复位噪声是像素中复位晶体管导通时沟道电阻引入的。一般，复位噪声的抑制方法是先测量复位噪声，然后从信号中减去。散粒噪声散粒噪声散粒噪声起因于带电粒子的量子性，分为暗电流散粒噪声、光电子散粒噪声。暗电流散粒噪声起源于耗尽层热生电子-空穴对随机产生，光电子散粒噪声源于光生电子-空穴对随机产生。低频噪声低频噪声 低频噪声又称1/f噪声，也叫闪烁噪声（flicker noise），它产生于像素级源跟随器以及列放大电路中，是有源器件中载波密度的随机波动

13、而产生的，它会对中心频率信号进行调制，并在中心频率上形成两个边带，降低了振荡器的Q值。由于1/f噪声是在中心频率附近的主要噪声，因此在设计器件模型时必须考虑到它的影响。可以通过减小器件面积的方法来有效抑制，应用前级电路也可使噪声最小化。固定固定模式噪声模式噪声该噪声是空间噪声，是不随时间变化的，主要归因于各种偏差，如光探测器尺寸，掺杂浓度，MOS特性的偏差等。这部分噪声一般只能通过提高工艺水平来消除。采取以下措施可抑制噪声和提高采取以下措施可抑制噪声和提高灵敏度灵敏度a.采用减少失调的独特电路，使用制造更加稳定的晶体管专用工艺b.每个像元内含一个对各种变化灵敏度相对较低的放大器c.借鉴 CCD

14、 图像传感器的制备技术，采用相关双取样电路技术和微透镜阵列技术d.光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。e.提高CMOS图像传感器的制作工艺3、填充填充系数系数 C CMOS 图像传感器的填充系数一般在 20%30%之间，而 CCD 图像传感器则高达 80%以上，这主要是由于 CMOS 图像传感器的像素中集成了读出电路。采用微透镜阵列结构，在整个 CMOS 有源像素传感器的像元上放置一个微透镜将光集中到有效面积上，可以大幅度提高灵敏度和填充系数。电荷读取方式电荷读取方式CCD:光通过光敏器件转化为电荷，然后电荷通过传感器芯片传递到转换器，最终信号被放大。电路较为复杂，速度较慢。CMOS:光经光

15、电二极管的光电转换后直接产生电压信号，信号电荷不需要转移。MOS器件的集成度高，体积小。生产工艺生产工艺CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本较高。CMOS传感器使用与制造半导体器件90%的相同基本技术和工艺，且成品率高，制造成本低。集成度集成度CMOS图像传感器能在同一个芯片上集成各种信号和图像处理模块，形成单片高集成度数字成像系统。CCD还需外部的地址译码器，模数转换器，图像信号处理器处理等。功耗功耗 CCD需要外部控制信号和时钟信号来控制电荷转移，另外还需要多个电源和电压调节器，需要较高的电压，功耗较大。CMOS图像传感器使用单一工作电压，芯片采用集成电路，电路几乎没有静态电量

16、消耗，只有在电路接通的时候才有电量的消耗，因此功耗低。速度速度高速性是CMOS电路的固有特性，CMOS图像传感器可以极快地驱动成像阵列的列总线，并且ADC在片内工作具有极快的速率。CCD采用串行连续扫描的工作方式，必须一次性读出整行或整列的像素值，读出速度很慢，能局部进行随机访问。响应范围响应范围CMOS图像传感芯片除了可见光外，对红外等非可见光波也有反应。灵敏度和动态范围灵敏度和动态范围CCD有高的灵敏度，只要很少的积分时间就能读出信号电荷。CMOS因为像素内集成了有源晶体管降低了感光灵敏度。CCD具有较低的暗电流和成熟的读出噪声抑制技术，目前CCD的动态范围比CMOS的动态范围宽。抗辐射性

17、抗辐射性CCD的光电转换，电荷的激发的量子效应易受辐射线的影响。CMOS光电转换只由光电二极管或光栅构成，抗辐射能力较强。Micron(Aptina Imaging)Micron(Aptina Imaging) Aptina成像公司是CMOS成像解决方案的全球性提供商，其不断扩大的产品组合被用于所有领先的移动电话和笔记本电脑品牌。Aptina还提供范围广泛的产品，用于数码摄像头和摄像机、监控、医疗、汽车和工业应用、视频会议、条码扫描仪、玩具和游戏。Aptina致力于为各种应用场合提供成像支持（Imaging Everywhere），不断推动市场创新，如推出用于傻瓜混合式摄像头的首款14MP C

18、MOS图像传感器（MT9F001） ，以及业界首款英寸格式的5MP SOC（MT9P111）。公司网址 http:/OmnivisionOmnivisionOmnivision简称OV，美商半导体公司，中文名豪威科技，成立于1995，专业开发高度集成CMOS影像技术。总部位于美国加利福尼亚州桑尼威尔-硅谷的中心。2000年7月在纳斯达上市。公司的创始人是经验丰富的工业专家，该公司主要创始人多半出身于摩托罗拉。精通微处理器、微控制器、特殊功能逻辑、具有丰富的模拟电路、数/模混和电路设计经验。长期致力于为微电子影像应用设计和提供基于CMOS影像芯片（CameraChip）的解决方案，是领导市场的独

19、立供应商。SonySony日本索尼公司（Sony Corporation）是一家全球知名的大型综合性跨国企业集团。索尼是世界视听、电子游戏、通讯产品和信息技术等领域的先导者，是世界最早便携式数码产品的开创者，是世界最大的电子产品制造商之一、世界电子游戏业三大巨头之一。索尼公司2013年在其Xperia Xperia Z Z系列旗舰手机搭载Exmor R CMOS图像传感器为核心的摄像头而大放光彩。背照式CMOS传感器最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件调转方向，让光能从背面直射进去，避免了传统CMOS传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果。背照式背照式CMOSCMOS图像传感器的优势图像传