CMOS图像传感器的发展与现状
一. 引言
自上世纪 60 年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念以 来，固体图像传感器得到了迅速的发展。在早期的 70 年代时期，电 荷耦合器件(CCD)电荷注入器件(CID)光敏二极管阵列(PDA得到了 发展。而这其中，CCD发展尤为迅速，到90年代时，CCD技术已经 比较成熟。然而，随着CCD的应用开始广泛起来，其缺点也开始逐 一显露。例如：CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片 集成,不易处理一些模拟和数字功能 ,这些功能包括模 /数转换器、精密 放大器、存贮器、运算单元等元件的功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需 要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成(VLSI技术兼 容。因此，人们又开发了另外几种固体图像传感器技术,CMOS图像传 感器便是其中的一种。早期的CMOS图像传感器，受制于当时的工艺 水平，其图像质量差、分辨率、低噪声高、光照灵敏度不够。相比之 下，CCD在这些方面有着出色的性能。因而早期的图像传感器市场一 直是CCD器件的天下。而近年来，随着集成电路设计与制造工艺的 发展，CMOS传感器的上述缺陷得到了克服或改进，而其固有的优势 开始体现出来，这使得CMOS传感器开始迅速占领市场，其研究也再 次成为了热点。 二. CMOS传感器发展历史
CMOS 图像传感器的研发大致经历了 3 个阶段: CMOS 无源像素 传感器(CMOS- PPS,Passive Pixel SensOfi)段、CMOS 有源像素传感 器(CMOS- APS, Active Pixel Senso阶段和 CMOS数字像素传感器
(CMOS- DPS, Digital Pixel Sen so 阶段。 1. CMOS无源像素传感器
自从1967年Weckler首次提出光敏二极管型无源像素结构以来。 其结构基本没有发生变化。无源像素结构如图2,它由一个反向偏置的 光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启，光敏二极管与垂直的 列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为 一常数，并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时，其 电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷 积分放大器转换为电压输出。
图2光敏二极管型无源像素结构图
单管的光敏二极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有最高的 设计填充系数；或者在给定的设计填充系数下，可以设计出最小的像元 尺寸。此外，无源像素传感器的量子效率也很高。但是，无源像素传 感器的读出噪声较高，这是其主要缺陷 2. 有源像素传感器
有源像素传感器在象元内引入了缓冲器或者放大器，以此改善象 元的性能。与无源像素结构相比 ,有源像素结构的填充系数小 ,其设计 填充系数典型值为 20%~30%。
由于增加了有源放大管 , 于是减小了读出噪声并且它的读出速度 也较快。由于有源像素传感器驱动能力较强， 列线分布参数的影响相 对较小 , 因而有利于制作像元阵列较大的器件 ; 另外, 由于有源放大 管仅在读出状态下才工作 , 所以 CMOS 有源像素传感器的功耗比 CCD 图像传感器的还小。
3. 数字像素传感器 无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号 ,它 们通称为模拟像素传感器。近年来 , 美国斯坦福大学提出了一种新 的 CMOS 图 像 传 感 器 结 构 —数 字 像 素 传 感 器 (DPS), 在像素单元里集成了 ADC(Analog- to- DigitalConvertor) 和存储单元。 由于这种结构的像素单元读出为数字信号 , 其它电路都为数字逻辑 电路 , 因此数字像素传感器的读出速度极快 ,具有电子快门的效果 , 非常适合高速应用 , 而且它不像读出模拟信号的过程 , 不存在器件噪 声对其产生干扰。另外, 由于 DPS 充分利用了数字电路的优点 , 因此 易于随着 CMOS 工艺的进步而提高解析度 ,性能也将很快达到并超 过 CCD 图像传感器 , 并且实现系统的单片集成。 三. CMOS传感器发展现状
1. 国内发展现状 国内的西安交通大学、华北工学院、中国科学院微电子研究中心、北
京思比科微电子公司、 文哗科技香港有限公司、 联想企业集团等单位
较早展开了 CMOS图像传感器的设计，研究，也取得了一定的成果。 其中，西安交通大学开元微电子科技有限公司于 1998 年 3 月研制 成功我国第一块 CMOS 彩色微型摄像芯片，近年来致力于高集成度 草色摄像芯片 M60 等专用摄像芯片的研究和开发。北京思比科于 2011年推出1200万像素CMOS图像传感器SP8AC08该芯片为中国 首款突破千万像素级的国产高端芯片， 打破了国外厂家在该领域的长 期技术垄断。 2012年年底，中芯国际宣布，该公司在背照式 CMOS 图像传感器的开发中取得突破， 第一款测试芯片即使是在弱光环境下 也能取得不错的图像效果。中芯国际将于 20 1 3年与合作伙伴一起生 产这款芯片。中芯国际在背照式处理技术方面的成功将扩大该公司的 CMOS图像传感器产品线，包括500万或更高像素的手机摄像头，以 及高性能视频摄像头。然而，国内目前CMOS图像传感器与国际水平 依然有所差距。 2. 国外发展现状
豪威科技于 2008年 6 月领先业界宣布投产背照式（ BSI）CMOS 传感器，所谓背照式CMOS传感器就是将它掉转方向，让光线首先进 入感光二极管， 从而增大感光量， 从而显著提高低光照条件下的拍摄 效果。其最新推出的OV974O采用了 1.75微米的OmniBSI背面照度技 术，能够在提供更出色影像质量的同时将其像素尺寸降低， 这是数字 影像技术不断小型化的关键。 传感器配备的高性能信号处理器可以达 到1300mV/lux-sec的低光照敏感度。还拥有电键自动增益控制
，自
动曝光控制，自动黑平衡，伽马校正，像素缺陷校正， 图像边缘增强，
校正透镜等多种功能。OmniVision的微型800万像素CMOS传感器 OV8850,像素元尺寸达到1.1微米。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得 专利授权的一项技术， 可以大幅度地提高填充因子， 这种技术可以把 一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。
2010
年赛普拉斯半导体公司推出230万像素的VITA2000和530万像素的 VITA500两款图像传感器。新的传感器具有一系列精密功能，包括流 水线式和触发式全局快门(global shutter)模式以及传统的行曝光模 式，VITA2000的速度最快可达92帧/每秒(FPS，而VITA5000则可 达到75FPS Aptina公司在近期公布了两款新型CMOS图像传感器， 具体型号为 AR1011HS和AR1820HS AR1011HS是一枚1英寸CX格 式的图像传感器。总体像素输出值达到了 1000万像素，而单位像素 尺寸3.4微米。该产品支持特有的DR-Pix技术，可以支持60fps连拍， 120帧/秒的1080p高清视频录制及慢动作回放等功能。 AR1820HS也 是一款支持背照射技术的1800万像素CMOS传感器，物理尺寸为1/2.3 英寸。它可以支持A-PixHS技术，支持连拍速度达到了约 24张/秒， 还可以支持高质量的高清视频录制功能。 四．结语
CMOS的发展十分迅速，从当初CCD传感器独占市场到如今 CMOS 传感器与CCD传感器各有千秋。如今CMOS传感器噪声逐渐减小， 成像质量逐渐提高， 加上它所固有的低功耗， 高集成度，高速的特点。 使得它逐渐成为图像传感器的主流。随着多媒体、数字电视、可视通 讯产品的增加， CMOS 图像传感器的应用前景一定会更加广阔
CMOS发展与现状
