CMOS圖像傳感器的最新進(jìn)展及應(yīng)用

關(guān)鍵詞： CMOS , 進(jìn)展 , 圖像傳感器

隨著多媒體、數(shù)字電視，可視通信等領(lǐng)域的熱點(diǎn)增加，CMOS圖像傳感器應(yīng)用前景更加廣闊，在實(shí)現(xiàn)小像素尺寸方面，CMOS圖像傳感器取得了快速的進(jìn)步，已有3.3 m 3.3 m像素尺寸的報(bào)道。采用0.25 m CMOS工藝技術(shù)，將生產(chǎn)出高性能的CMOS圖像傳感器，高性能CMOS攝像機(jī)有希望短期內(nèi)大量出現(xiàn)，彩色CMOS攝像機(jī)在近兩年內(nèi)有望普及。目前已批量生產(chǎn)出了用于成像的CMOS圖像傳感器。該器件已成為攝像機(jī)（黑白、彩色）、微型（或超微型）攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的心臟。Foven公司還研制出了具有世界上最高分辨率（1600萬(wàn)像素）的CMOS圖像傳感器，這種圖像傳感器在分辨率和圖像質(zhì)量方面取得了重大突破。  

Foven研制的1600萬(wàn)像素圖像傳感器標(biāo)志著CCD和CMOS圖像傳感器在分辨率和質(zhì)量?jī)煞矫娴娘w躍。Foven的1600萬(wàn)像素圖像傳感器的分辨率是以前發(fā)表的照相機(jī)CMOS圖像傳感器的3倍，是當(dāng)今低檔消費(fèi)數(shù)碼相機(jī)中普遍使用的CMOS圖像傳感器的50倍。  

最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)  

1、低壓驅(qū)動(dòng)掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感器  

CMOS圖像傳感器在低照度下成像質(zhì)量一直不如CCD，因而提高圖像質(zhì)量是CMOS圖像傳感器開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。東芝采用掩埋光電二極管新型結(jié)構(gòu)，降低了漏泄電流，在低壓下也能確保無(wú)電荷殘余地完全讀出，實(shí)現(xiàn)了與CCD攝像器件同等的高質(zhì)量圖像。  

2、低噪聲高畫(huà)質(zhì)CMOS圖像傳感器  

索尼采用獨(dú)特的"DRSCAN"噪聲消除技術(shù)和抑制暗電流的"HAD"結(jié)構(gòu)，成功地試制出低噪聲高畫(huà)質(zhì)1/3英寸33萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器，并計(jì)劃盡快實(shí)現(xiàn)商品化。  

獨(dú)特的"DRSCAN"（Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal Output Noise Reduction Circuit）技術(shù)即是在逐點(diǎn)順次讀出每像素信號(hào)和噪聲成分的同時(shí)，在同一電路中消除晶體管特性不均引起的固定圖形噪聲，這是以前逐行消除難以做到的。為了消除暗電流引起的固定圖形噪聲，還借鑒CCD的"HAD"（Hole accumulation diode）結(jié)構(gòu)。在傳感器表面形成空穴積累層，從而抑制非入射光引起的暗電流。這兩種固定圖形噪聲的降低，使S/N比提高了25倍，實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的高畫(huà)質(zhì)。而且HAD結(jié)構(gòu)中采用L形門(mén)的像素結(jié)構(gòu)，使幾乎所有的電子完全轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了無(wú)拖影圖像信號(hào)輸出。  

3、高靈敏度CMOS圖像傳感器  

日本NEC公司采用0.35 m CMOS工藝技術(shù)研制成功了具有雙金屬光電屏蔽和氮化硅（Si3N4）抗反射膜的深P阱光電二極管結(jié)構(gòu)的CMOS-APS。為了改善器件的靈敏度，NEC公司在研制中采用了深P阱，磷摻雜P型硅襯底，Si3N4、抗反射膜、耗盡晶體管、雙金屬光電屏蔽等新技術(shù)。光入射到常規(guī)光電二極管和新型光電二極管的反射率，前者為20% 30%，后者小于10%。由于入射光反射率的降低，提高了器件的靈敏度。其性能參數(shù)為：光學(xué)尺寸為1/3英寸，像素?cái)?shù)為658(H) 493(V)，像素尺寸為7.4 m(H) 7.4 m(V)，芯片尺寸為7.4mm 7.4mm，填充系數(shù)為20%，飽和信號(hào)為770mV。靈敏度為1090mV/Lx.s-1（無(wú)微透鏡），轉(zhuǎn)換增益為30 V/e，動(dòng)態(tài)范圍為51dB，暗電流為1.5fA/像素（25℃時(shí)），功耗為69mW，電源電壓為3.3V。  

4、軌對(duì)軌CMOS-APS  

美國(guó)Photo Vision Systems公司2002年4月開(kāi)發(fā)出一種高分辨率CMOS圖像傳感器，它具有830萬(wàn)像素的分辨率（3840 2160），比高清晰度電視（HDTV）的分辨率高4倍，比標(biāo)準(zhǔn)電視的分辨率高32倍。該器件適用于數(shù)字電視，演播室廣播，安全/生物測(cè)定學(xué)、科學(xué)分析和工業(yè)監(jiān)視等應(yīng)用場(chǎng)合。這種超高清晰度電視彩色攝像機(jī)可以最大30幀每秒的速度拍攝2500萬(wàn)像素的圖像（漸進(jìn)或隔行掃描）。同樣，IBM公司也將這種傳感器集成到一種具有9.2兆像素22.2英寸大小的液晶顯示器中。該傳感器使用了Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素圖像傳感器技術(shù)，從而使該傳感器的分辨率指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)CCD圖像傳感器。  

5、單斜率模式CMOS-APS  

美國(guó)Photon Vision Systems公司采用常規(guī)SOI（silicon-on-insulator）CMOS工藝研制成功了單斜率模式CMOS-APS。像素?cái)?shù)為64 64；像素尺寸為20 m(H) 15 m(V)；填充系數(shù)為50%；芯片尺寸為2mm 2mm；幀速為60幀/秒。該器件的單個(gè)像素由源跟隨器、行選擇晶體管n+-P二極管和復(fù)位晶體管等組成。另外我國(guó)香港科技大學(xué)采用2 mSOI CMOS工藝開(kāi)發(fā)出了低壓混合體/SOI CMOS有源像素傳感器，在1.2V VDD工作時(shí)，暗電流小于50nA/cm2；二極管響應(yīng)率為500mA/W；轉(zhuǎn)換增益為1 V/e-；輸出擺幅大于0.5V；動(dòng)態(tài)范圍為74dB。采用常規(guī)SOI CMOS工藝制備CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS），是CMOS-APS制備工藝的發(fā)展方向。因?yàn)椴捎迷摴に嚾菀撰@得低電壓、微功耗的CMOS-APS。因此，混合體（hybrid bulk）/SOI CMOS-APS技術(shù)是很有吸引力的。使用SOI CMOS工藝是未來(lái)制作CMOS圖像傳感器的理想工藝。  

6、CMOS數(shù)字像素傳感器  

CMOS圖像傳感器的發(fā)展至今有三大類(lèi)，即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS（Digital Pixel sensor），而CMOS-DPS是最近兩年才開(kāi)發(fā)出來(lái)的。2001年12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent Technolgies和Stanford大學(xué)和California大學(xué)等采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式0.18 m CMOS工藝開(kāi)發(fā)成功了高幀速(10000幀/秒)CMOS數(shù)字像素傳感器。其性能參數(shù)為：像素?cái)?shù)為352 288；芯片尺寸為5mm 5mm；晶體管數(shù)為380萬(wàn)個(gè)；讀出結(jié)構(gòu)為64bit（167MHz）；最大輸出數(shù)據(jù)速率大于1.33GB/s；最大連續(xù)幀速大于10000幀/秒；最大連續(xù)像素速率大于1Gpixels/s；像素尺寸為9.4 m(H) 9.4 m(V)；光電探測(cè)器類(lèi)型為n MOS光電柵；每個(gè)像素的晶體管數(shù)為37；該器件的單個(gè)像素由光電二極管，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)字存儲(chǔ)器和相關(guān)雙取樣（CDS）電路等組成。  

CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換是在像素外進(jìn)行，而是將模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換集成在每一個(gè)像素單元里，每一像素單元輸出的是數(shù)字信號(hào)，該器件的優(yōu)點(diǎn)是高速數(shù)字讀出，無(wú)列讀出噪聲或固定圖形噪聲，工作速度更快，功耗更低。  

7、寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器  

繼CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS發(fā)展之后，德國(guó)西根大學(xué)半導(dǎo)體電子學(xué)研究所采用0.7 m CMOS工藝、PECVD超高真空系統(tǒng)以及專(zhuān)用集成電路（ASIC）薄膜技術(shù)；設(shè)計(jì)和制造了寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。該器件由兩部分組成：即PECVD氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜是在超高真空中制成的，而ASIC使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備。這是繼CMOS圖像傳感器問(wèn)世之后，同CMOS圖像傳感器一樣已經(jīng)引起人們的重視。薄膜專(zhuān)用集成電路（TFA）圖像傳感器由正面電極、a-Si:H、背面電極、絕緣層和專(zhuān)用集成電路等組成。像素?cái)?shù)為368 256、495 128、1024 108像元，像元尺寸分別為30 m 38 m、10 m 10 m、芯片尺寸分別為16.5mm 14.9mm，16.6mm 12.6mm，動(dòng)態(tài)范圍為60dB 125dB。  

8、APD圖像傳感器  

2001年，瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Alice Biber和Peter Seitz等人，采用1.2 m標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS工藝研制成功了雪崩光電二極管圖像傳感器（APDIS），每個(gè)像素由雪崩光電二極管（APD）、高壓穩(wěn)定電路和圖像讀出電子部件組成。與常規(guī)CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS）比較，集成APD像素現(xiàn)存的反饋電阻將由反饋電容代替，放大器的熱噪聲為Vn,amp=30nV/Hz1/2，源跟隨器熱噪聲為Vn,sf=17nV/Hz1/2，C=200fF時(shí)（1fF=10-15F），復(fù)位（KT/C）噪聲的計(jì)算值為144 V；增益為1和15時(shí)，APD的噪聲（i n,APD）分別為3.2 10-33A2/Hz和14.4 10-27A2/Hz。每個(gè)球形結(jié)構(gòu)的APD的外部直徑為48 m，像素?cái)?shù)為12 24，芯片尺寸為2.4mm 2.4mm，總的像素尺寸為154 m 71.5 m。用該器件已組裝成了首臺(tái)APDIS攝像機(jī)，拍攝出了清晰的黑白圖像。  

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀  

為了在CMOS圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地，目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作的單位主要有、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)紡織大學(xué)機(jī)械系、中國(guó)科學(xué)院微電子研究中心等院所廠商均開(kāi)展了CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)等工作。北京大學(xué)和武漢喜瑪拉雅數(shù)字成像有限公司共同研制成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的30萬(wàn)像素CMOS數(shù)碼機(jī)相，并且已產(chǎn)品化。西安交通大學(xué)開(kāi)元微電子科技有限公司已研制成功了369 287、768 574、640 480、512 512像素CMOS圖像傳感器，像素尺寸均為10.8 10.8 m，功耗為150 200mW。并且用該器件開(kāi)發(fā)出了M-N型系列CMOS微型攝像機(jī)和可視電話。中國(guó)科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所用CMOS-APS開(kāi)發(fā)成功了微型星載敏感器成像系統(tǒng)。北京中星科技有限公司在推出30 130萬(wàn)像素CMOS數(shù)碼相機(jī)的基礎(chǔ)上，2001年3月開(kāi)發(fā)出具有國(guó)際一流水準(zhǔn)的百萬(wàn)門(mén)級(jí)超大規(guī)模CMOS數(shù)碼圖像處理芯片"星光一號(hào)"，這是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬(wàn)門(mén)級(jí)大規(guī)模數(shù)碼攝像芯片。2001年5月該芯片實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并投入國(guó)際市場(chǎng)。為三星、飛利浦和富士通等國(guó)際知名品牌視頻攝像頭所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型數(shù)碼相機(jī)單芯片CMOS圖像處理芯片列為北京市重大高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。2002年9月5日該公司又研制成功了我國(guó)第一枚具有世界領(lǐng)先水平的發(fā)聲圖像處理芯片"星光二號(hào)"。該芯片首次將音頻和視頻固化一體并同步工作。   

應(yīng)用及市場(chǎng)前景  

1、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用  

在醫(yī)療領(lǐng)域，可將CMOS圖像傳感器應(yīng)用于一種醫(yī)療X射線機(jī)，該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是病人所承受X射線的劑量較小，比傳統(tǒng)方式的1%還要低，同時(shí)其形成的數(shù)字圖像不僅比X射線膠片更易保存，而且由于它可以進(jìn)行進(jìn)一步的修改、比較等操作，所以可以為醫(yī)生提供診斷和治療幫助。1998年IEEE國(guó)際固體電路會(huì)議上，Photobit的一篇文章是關(guān)于一種CMOS牙齒X射線芯片，這個(gè)芯片是放在病人的口中來(lái)檢測(cè)X射線輻射，并合成圖像。2000年還提出用CMOS圖像傳感器和一個(gè)微電子激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)一種視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)用電子激勵(lì)為有感光惡化的病人提供視覺(jué)感受。美光公司曾經(jīng)為許多客戶(hù)定制設(shè)?quot;藥丸式攝像機(jī)（Cameral-in-a-Pilly）"并成功地將一個(gè)超低功耗的微型CMOS圖像傳感器放在一個(gè)特制藥丸內(nèi)，病人服下此藥丸以后可以讓醫(yī)生清楚地看到胃里的情況，從而更好地實(shí)現(xiàn)治療。  

CMOS圖像傳感器除用于醫(yī)用X射線產(chǎn)品外，還可用CMOS圖像傳感器組裝成超微型攝像機(jī)，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個(gè)微型CMOS攝像機(jī)（俗稱(chēng)"電子眼"），以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD圖像傳感器就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。  

除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用外。CMOS圖像傳感器將廣泛用于保安監(jiān)控、可視門(mén)鈴、視頻電子郵件、汽車(chē)尾視、數(shù)碼相機(jī)、可視電話、視頻會(huì)議、指紋識(shí)別，視覺(jué)玩具、星載、制導(dǎo)、醫(yī)療等等。   

2、CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)  

據(jù)美國(guó)國(guó)際市場(chǎng)調(diào)查公司的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，1997年，全球CMOS圖像傳感器的銷(xiāo)售總額為0.54億美元，1998年增至2.18億美元；1999年增至10.03億美元，2000年增至20.58億美元；2001年增至36.78億美元；2005年突破100億美元。iSuppli公司市場(chǎng)情報(bào)服務(wù)部門(mén)日前預(yù)測(cè)，2005年CMOS圖像傳感器單位出貨量將由2001年的1800萬(wàn)個(gè)增長(zhǎng)至7200萬(wàn)個(gè)。其中，2005年CMOS圖像傳感器出貨量占所有圖像傳感器的比例將由2001年的23%提高至47%。In-Stat預(yù)測(cè)CMOS圖像傳感器的價(jià)格將從1999年的10美元下跌至2004年的5美元以下。到2004年，預(yù)計(jì)置入移動(dòng)設(shè)備的CMOS相機(jī)全球市場(chǎng)將達(dá)到6000萬(wàn)部，銷(xiāo)售額達(dá)到3億美元。專(zhuān)家們認(rèn)為，21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將在PC攝像機(jī)，移動(dòng)通信市場(chǎng)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)市場(chǎng)、游戲機(jī)市場(chǎng)等領(lǐng)域獲得大幅度增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出一派紅紅火火的興旺景象。