CMOS图像传感器

1、一、 CMOS图像传感器的发展历史图像传感器的发展历史二、 CMOS图像传感器的原理图像传感器的原理 三、 典型典型CMOS图像传感器图像传感器四、四、CMOSCMOS图像传感器的性能参数图像传感器的性能参数五、五、CMOS与与CCD图像传感器性能比较图像传感器性能比较l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：l互补金属氧化物半导体图像传感器lCMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CIS CMOS Image Sensorl电荷耦合器件图像传感器 （CCD） CMOS与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，固体图像传感器得到了

2、迅速发展。lCMOS图像传感 器：l由于受当时工艺水平的限制，由于受当时工艺水平的限制， 图像质量差、分辨率图像质量差、分辨率低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。lCCD图像传感图像传感 器：器：l 光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点l 一直主宰着图像传感器市场。一直主宰着图像传感器市场。l由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，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，而且它固有的优点更是克服，而且它固有的优点更是C

3、CD器件所无法比拟器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。的，因而它再次成为研究的热点。 1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片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喷气推进实验室首先研制成功，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，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS，成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采

4、用0.18mm CMOS工艺开发出1600万像素（40964096）CMOS图像传感器 到目前为止到目前为止, , 在开发在开发CMOSCMOS图象传感器中所采用图象传感器中所采用的先进的关键技术可归纳如下：的先进的关键技术可归纳如下：(1) (1) 相关双取样相关双取样 (CD ) (CD ) 电路技术；电路技术； (2) (2) 微透镜阵列制备技术；微透镜阵列制备技术；(3) (3) 彩色滤波器阵列技术；彩色滤波器阵列技术；(4) (4) 数字信号处理数字信号处理 (DSP) (DSP) 技术；技术；(5) (5) 抑制噪声电路技术；抑制噪声电路技术；(6) (6) 模拟数字转换模拟数字转

5、换 (A/D ) (A/D ) 技术；技术；l(7) 亚微米和深亚微米光刻技术。亚微米和深亚微米光刻技术。 1. CMOS的组成 主要组成部分：像敏单元阵列和主要组成部分：像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路场效应管集成电路像敏单元阵列：像敏单元阵列：光电二极管阵列。光电二极管阵列。两部分是集成在两部分是集成在同一硅片上。同一硅片上。有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。被动像敏单元结构被动像敏单元结构:只包含光电二极管和地址选通开关两部分，只包含光电二极管和地址选通开关两部分， 公共的放大器公共的放大器主动式像敏单元结构：主动式像敏单

6、元结构：复位脉冲消失后，复位脉冲消失后，V V1 1截止，光电二极管开始积分光信号。截止，光电二极管开始积分光信号。场效应管场效应管V V2 2：源极跟随放大器，进行电流放大，：源极跟随放大器，进行电流放大，场效应管场效应管V V3 3构成模拟开关，积分结束后，构成模拟开关，积分结束后，V3管导通，信号管导通，信号输出。输出。 场效应管场效应管V V1 1构成光电构成光电二极管的负载，它的二极管的负载，它的栅极接在复位信号线栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现上，当复位脉冲出现时，时，V V1 1导通，光电二导通，光电二极管被瞬时复位；极管被瞬时复位；图像信号的输出过程：图像信号的输出过程：

7、1、光谱响应特性、量子效率2、填充因子填充因子3、输出特性和动态范围随着输出模式不同，有四种动态范围：（1）线性输出：适合连续测量、动态范围小、 S/N高（2）双斜率模式:扩大动态范围（3）对数模式：动态范围大（4）校正模式：U=KeE光敏面积像敏面积4、噪声（1）光敏元噪声： 热噪声、散粒噪声、g-r噪声、电流噪声（2）MOS噪声（3）工作噪声：复位噪声、空间噪声5、空间传递函数性能指性能指标标 CMOS CMOS图图像像传传感器感器 CCD图图像像传传感器感器暗电流（暗电流（PA/MPA/M2 2）电子电子- -电压转换率电压转换率动态范围动态范围响应均匀性响应均匀性读出速度读出速度( (

8、Mpixels/sMpixels/s) )偏置、功耗偏置、功耗工艺难度工艺难度信号输出方式信号输出方式集成度集成度应用范围应用范围性价比性价比1010100100大大略小略小较较差差1000 1000 小小小小x xy y寻寻址可址可随随机采机采样样高高低端、民用低端、民用高高1010略小略小大大好好7070大大大大顺顺序逐序逐个个像元像元输输出出低低高端、高端、军军用、用、研研究究略低略低l CCD图像传感器工作原理框图lCCD与 CMOS图象传感器出货量预估（单位：百万颗） lCMOS 图象传感器的应用领域十分广泛，图象传感器的应用领域十分广泛，l已经渗透到了人们日常生活的方方面面。已经渗透到了人们日常生活的方方面面。国外芯片厂商国外芯片厂商：l生产生产CMOS图像传感器，比较著名的有：图像传感器，比较著名的有： Micron（美光）（美光）lOmni Vision（豪威）（豪威）lMitsubishi（三菱）（三菱） lKodak（ 柯达）等。柯达）等。l国内的CIS企业l上海派视尔、上海格科微电子、北京思比科l1.3MegaPixel与2MegaPixel产品。l格科微电子采用的仍然是传统的图形架构，每个像素前面采用单色滤色片，但采用了该公司专利的架构技术，传统Bayer图形架构会造成的色彩干扰问题得以解决；并且这种架