CMOS图像传感器的工作原理及研究

CMOS图像传感器的工作原理及研究摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。1引言自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。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，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。70年代初CMOS传感器在NASA的JetPropulsionLaboratory(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（128×128）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[1]，1997年英国爱丁堡VLSIVersion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技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，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0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。2技术原理CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器芯片的结构如图1所示。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上（图2），位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digitalpixelsensor)概念。PPS[4,5]出现得最早，结构也最简单，使得CMOS图像传感器走向实用化，其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替光敏二极管像素单元[6]如图4所示。它是由光敏二极管，复位管M4，源跟随器M1和行选通开关管M2组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，M1打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，M1关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器M2放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管M3打开，信号通过列总线输出。光栅型APS[7,8]是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的，其像素单元和读出电路如图5所示。其中感光结构由光栅PG和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端FD，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管M1，一个源跟随器M2和一个行选通晶体管M3。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管M1打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管M3打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。对数响应型CMOS-APS[9]拥有很高的动态范围，其像素单元结构如图6所示。它由光敏二极管、负载管M1、源跟随器M2和行选通管M3组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。PPS和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS[3]将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。这种传感器还处于研究阶段。3主要特点表1给出CCD与CMOS图像传感器的性能比较，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明显的优势。CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂，速度较慢。CMOS光电传感器[10,11]经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的[12]。CCD器件的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个电荷存储区组成；CCD仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需提供三相不同电压的电源和同步时钟控制电路。CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻，它最大的优势是具有高度系统整合的条件，因为采用数字——模拟信号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动与控制系统（CDS）、模数转换器（ADC）接口电路等完全可以集成在一起，实现单芯片成像，避免使用外部芯片和设备，极大地减小了器件的体积和重量。安捷伦科技[13]采用一种新型的业内标准——32针CLCC（陶瓷无引线芯片载体）研制出应用CMOS图像传感器的数码相机原型产品，只有30mm×30mm×2.5mm大小，非常适合工程监控和工厂自动化等领域。从功耗和兼容性来看[14]，CCD需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多个电源和电压调节器，因此功耗大；而CMOS-APS使用单一工作电压，功耗低，仅相当于CCD的1/10-1/100，还可以与其他电路兼容，具有功耗低、兼容性好的特点。CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；而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，目前用于摄像的50万像素的CMOS传感器不到10美元。CCD使用电荷移位寄存器，当寄存器溢出时就会向相邻的像素泄漏电荷，导致亮光弥散，在图像上产生不需要的条纹。而CMOS-APS中光探测部件和输出放大器都是每个像素的一部分，积分电荷在像素内就被转为电压信号，通过X-Y输出线输出，这种行列编址方式使窗口操作成为可能，可以进行在片平移、旋转和缩放，没有拖影、光晕等假信号，图像质量高。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，对输出信号和外部接口干扰具有低敏感性，有利于与下一级处理器连接。CMOS图像传感器具有很强的灵活性，可以对局部像素图像进行随机访问，增加了工作灵活性。4问题及其解决途径暗电流[15]是CMOS图像传感器的难题之一。迄今为止，CMOS成像器件均具有较大的像素尺寸，因此，在正常范围内也会产生一定的暗电流。通过改进CMOS工艺，压缩结面积可降低暗电流的发生率，也可通过提高帧速率（framerate）来缩短暗电流的汇集时间，从而减弱暗电流的影响。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[16-19]。噪声主要包括散粒噪声、热噪声、1/f噪声、非均匀噪声和固定图像噪声。其中散粒噪声和热噪声是由载流子引起的，1/f噪声和非均匀噪声是由材料的缺陷和不均匀性引起的，固定图像噪声是因为工艺的误差使相邻输出信号的源跟随器不匹配引起的。采取以下措施可抑制噪声和提高灵敏度：（1）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；（2）每个像元内含一个对各种变化灵敏度相对较低的放大器；（3）借鉴CCD图像传感器的制备技术，采用相关双取样电路（CDS）技术和微透镜阵列技术；（4）光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。为了提高CMOS-APS的填充系数，近几年国外开发的CMOS-APS均具有微透镜阵列结构，在整个CMOS-APS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。动态范围是反映图像传感器性能的主要指标之一[6]，目前CMOS图像传感器的动态范围还稍逊于CCD，虽然对数响应型CMOS图像传感器的动态范围可达120dB，但同时也增加了图像噪声，影响了图像质量。提高动态范围的方法之一就是利用PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术，改进光电二极管的材料组合，提高低灰度部位的感光度，同时在像素电路的结构及驱动方法上下功夫，实现低灰度时自动转换到线形输出，高灰度时自动转换到对数压缩输出。5研究进展视频便携式摄像机、掌上电脑、PDA和保安设备的巨大需求推动了CMOS图像传感器的广泛应用。其中以APS发展最为迅速，过去工艺中各种不易解决的技术问题现在都能找到相应的解决办法，图像质量得到大大改善，像素规模已由最初的几万像素发展到现在的几百万上千万像素。CDS电路，技术彩色滤波器阵列技术，数字信号处理（DSP）技术，噪声抑制技术不断有新突破，目前CMOS传感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工艺，CMOS单元面积上的像素数已与CCD相当，因此可基本达到CCD器件的高分辨率。为了适应技术发展和市场的需要，业界近年主要致力于深亚微米（主要是0.25mm和0.18mm）技术的开发。2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采用0.18mmCMOS工艺开发出1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器，是目前最大的数字-模拟混合芯片。其像素是以前发表的照相机CMOS图像传感器的3倍，是当今低档消费数码相机中普遍使用CMOS图像传感器的50倍，其芯片内的晶体管数为7000万个，芯片尺寸为22mm×22mm，这是迄今为止全球集成度最高的器件，这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破，标志着CMOS图像传感器在分辨率和质量两方面的飞跃。CMOS传感器芯片已广泛用于数码相机、保安监控和医疗设备等诸多领域。在低分辨率应用领域中，Pinkhill[21]公司用于娱乐和玩具行业的成像系统，Marshall公司推出的单片照相机，VLSIVision公司生产的用于儿童娱乐即时拍照新概念相机，韩国汉城国立大学电子工程学院集成系统实验室利用64×256阵列传感器开发的指纹识别系统等；在中、高分辨率应用领域[22]，CMOS图像传感器也得到广泛的发展和应用，如VLSIVision生产的单色384×287像素和320×243像素的CMOS摄像机及阵列达1000×800的用于数字相机的彩色图像传感器，美国Omnivision公司开发的CMOS图像传感器系列产品有640×480，1024×768(黑白、彩色)图像传感器及正在开发的高分辨率1280×1024图像传感器，Rockwell半导体系统所研制的用于数字和视频领域的640×480，800×600，960×720阵列高分辨率CMOS图像传感器，美国宇航局喷气实验室设计制造的含有1024×1024阵列CMOS图像传感器的彩色相机，Sunni公司正在开发用于指纹识别和二维条形码识别的高集成度CMOS图像传感器。目前CMOS图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向发展[22]。随着CMOS图像传感器技术的完善和发展，它的应用范围也会不断拓宽，全球CMOS图像传感器销售量将逐年大幅度增长。据In-Stat[11,12]的统计和预测，1997年全球CMOS图像传感器销售