cmos圖像傳感器

1、碩5103趙光美CMOS 是 ComplementaryMetal- OxideSemiconductor 的簡稱，譯為“互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體”。所謂互補(bǔ)型，就是講 PMOS晶體管與 NMOS晶體管這兩種特性不同的場效應(yīng)晶體管連接起來是特性相互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)形式。這兩個互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像，隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展， CMOS也逐漸應(yīng)用到數(shù)碼攝像系統(tǒng)，也就是 CMOS 圖像傳感器。由于 CMOS 成像器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的 CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路集成到傳感器芯片中，從而繼承CMOS低功耗，小型化的特點，非常適用于小型的手持式攝像機(jī)、小型安防監(jiān)視攝像機(jī)、

2、平板電腦、手機(jī)、筆記本電腦、某些車用攝像系統(tǒng)等領(lǐng)域。CMOS 圖像傳感器簡介CMOS傳感器發(fā)展歷史70年代初CMOS傳感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英國愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片CMOS型 圖像傳感器件，1995年像元數(shù)為（128128）的高性能CMOS有源像素圖像傳感器由噴氣推進(jìn)實驗室首先研制成功，1997年英國愛丁堡VLSI Version公司首次實現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的商品化，就在這一年，實用CMOS技術(shù)的特征尺寸已達(dá)到0.35mm，東芝研制成功了光敏二極管型APS，其像元尺寸為5.6mm5.6mm，具有彩色

3、濾色膜和微透鏡陣列，2000年日本東芝公司和美國斯坦福大學(xué)采用0.35mm技術(shù)開發(fā)的CMOS-APS已成為開發(fā)超微型CMOS攝像機(jī)的主流產(chǎn)品。 CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)CMOS型固態(tài)圖像傳感器在光檢測方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理。 CMOS圖像傳感器芯片的結(jié)構(gòu) 如圖所示。CMOS圖像傳感器基本工作原理 工作過程 外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。 其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏

4、輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。工作原理圖像傳感器一個直觀的性能指標(biāo)就是對圖像的復(fù)現(xiàn)的能力。而象素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵的功能模塊。CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有無源像素圖像傳感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源

5、像素圖像傳感器（Active Pixel Sensor，APS）兩種，如下圖所示。由于PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是APS結(jié)構(gòu)。APS結(jié)構(gòu)的像素內(nèi)部包含一個有源器件放大器。每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號在像素內(nèi)放大，然后用XY地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APSAPS像素單元有放大器，它不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量較PPSPPS得到了明顯地改善。有源像素單元APS又可分為光敏二極管型APS、光柵型APS.光敏二極管型APS它的工作過程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，M1打開，對光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)

6、”，M1關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨器M2放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時行選通管M M3 3打開，信號通過列總線輸出。它是由光敏二極管，復(fù)位管M4，源跟隨器M1和行選通開關(guān)管M2組成，此外還有電荷溢出門管M3，M3的作用是增加電路的靈敏度，用一個較小的電容就能夠檢測到整個光敏二極管的n+擴(kuò)散區(qū)所產(chǎn)生的全部光生電荷，它的柵極接約1V的恒定電壓，在分析器件工作原理時可以忽略將其看成短路。電荷敏感擴(kuò)散電容用做收集光生電荷。復(fù)位管M4對光敏二極管和電容復(fù)位，同時作為橫向溢出門控制光生電荷的積累和轉(zhuǎn)移。源跟隨器M1的作用是實現(xiàn)對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。源跟

7、隨器還可加快總線電容的充放電，因而允許總線長度增加和像素規(guī)模增大。光柵型APS其中感光結(jié)構(gòu)由光柵PG 和傳輸門TX構(gòu)成。光柵輸出端為漂移擴(kuò)散端FD，它與光柵PG被傳輸門TX隔開。像素單元還包括一個復(fù)位晶體管M1，一個源跟隨器M2和一個行選通晶體管M3。當(dāng)光照射在像素單元時，在光柵PG處產(chǎn)生電荷；與此同時，復(fù)位管M1打開，對勢阱復(fù)位；然后復(fù)位管關(guān)閉，行選通管M3打開，復(fù)位后的電信號由此通路被讀出并暫存起來，之后傳輸門TX打開，光照產(chǎn)生的電信號通過勢阱并被讀出，前后兩次的信號差就是真正的圖像信號。噪聲噪聲這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixed patter

8、n noise)、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號，暫存然后對象素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。影響CMOS傳感器性能的主要問題暗電流暗電流物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，

9、它會導(dǎo)致固定圖形噪聲。為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服。采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。象素的飽和與溢出模糊象素的飽和與溢出模糊類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。溢出模糊可通過在像素單元內(nèi)加入自動泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實還原出圖像了。CMOS圖像傳感器的特性1）隨機(jī)窗口讀取能力。隨

10、機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實現(xiàn)同時開多個跟蹤窗口的功能。2）抗輻射能力?？偟膩碚f，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強(qiáng)。3）系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4）非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5）優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點，主要是噪聲和填充率兩個指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CMOS圖像傳感

11、器件的應(yīng)用1.1.數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)2.CMOS2.CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)3.3.應(yīng)用于應(yīng)用于X X光機(jī)市場光機(jī)市場4.4.數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)CMOS圖像傳感器件的發(fā)展趨勢盡管智能手機(jī)應(yīng)用仍然占據(jù)大部分市場份額，但是許多不同應(yīng)用也逐漸成為CIS （CMOS圖像傳感器件產(chǎn)業(yè)）增長的動力，例如汽車、醫(yī)療和監(jiān)控也都浮現(xiàn)出巨大的市場機(jī)遇，相關(guān)廠商正在推動技術(shù)發(fā)展。在手機(jī)中在手機(jī)中，前置攝像頭是非常普遍的，因為所有高端手機(jī)和智能手機(jī)都有兩個攝像頭。事實上，中國制造商正推動更高分辨率的前置攝像頭的發(fā)展。這將顯著影響微型相機(jī)模塊的平均銷售價格（ ASP），從而導(dǎo)致低端廠商放棄亞百萬像素（ sub mega pixel）產(chǎn)品，開發(fā) 500 萬像素以上的 CIS 產(chǎn)品。汽車市場汽車市場特斯拉（ Tesla）、日產(chǎn)（ Nissan）與福特（ Ford）等汽車制造商開始在汽車中部署更多攝影機(jī)功能，如倒車錄影等。由于 CMOS 圖像傳