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1、CMOS图像传感器微纳检测与成像课题组黄林波2014年4月14日概述CMOS结构与工作原理CMOS图像传感器特征参数影响CMOS传感器性能的主要问题CMOS和CCD的比较主流的CMOS图像传感器厂商及其产品展示最新CMOS图像传感器技术主要内容概述现代人类生活中,人们迫切需要获取各类信息,其中以视觉器官为渠道获取的图像信息居多。随着半导体技术水平的不断提高,图像传感器(ImageSensor)作为目前视觉信息获取的一种基础器件,因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展,给出直观、多层次、内容丰富的可视图像信息,而在现代社会生活中得到越来越广泛的应用。目前,图像
2、传感器主要分2类,电荷耦合器件(Charge-CoupledDevice,CCD)和互补金属氧化物场效应管(ComplementaryMetalOxidSemiconductor,CMOS)图像传感器。CCD图像传感器CMOS图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS—ComplementaryMetalOxideSemiconductorCMOS图像传感器,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。CMOS图像传感器定义CMOS发展历程CMOS图像传感器图像质量差
3、、分辨率低、噪声大、光照灵敏低制约CMOS发展的原因CCD有效面积大、均匀收集和转移电荷、噪声小但是最近10年,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,而且它固有的诸如像元内放大、列并行结构,以及深亚微米CMOS处理等独特的优点更是CCD器件所无法比拟的,而且与CCD技术相比,CMOS技术集成度高、采用单电源和低电压供电、成本低、采用单芯片、功耗低和设计简单,这些优点使CMOS图像传感器用途广泛,成为研究的热点。70年代初,CMOS传感器在美国航空航天局(NASA)的JetPropulsionLaborato
4、ry(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1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JPL首先研制成功。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技术的特征尺寸达到了0.35μm,东芝研制成功了光电二极管型APS(ActivePixelSensor),其像元尺寸为5.6μm×5.6μm,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0.35μm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型
5、CMOS摄像机的主流产品。2008年6月豪威科技领先业界宣布投产背照式(BSI)CMOS传感器。CMOS发展的三个阶段CMOS无源像素传感器(CMOS-PPS,PassivePixelSensor)CMOS有源像素传感器(CMOS-APS,ActivePixelSensor)CMOS数字像素传感器(CMOS-DPS,DigitalPixelSensor)光敏元件,是CMOS的重要感光器件,常用的是光电二极管。光电二极管利用的是半导体的光生伏特效应。当光子入射到PN结形成的耗尽层内时,PN结内的原子吸收光子能量,并产生本征吸收,激发出电子—空穴对,在耗尽区内建电场
6、的作用下,空穴被拉到P区,电子被拉到N区,形成反向电流即光电流。简而言之,CMOS图像传感器和CCD图像传感器在光检测方面都是基于硅的光电效应。CMOS图像传感器基本原理像元的结构剖面Cmos型一维图像传感器典型CMOS图像传感器原理框图1、CMOS无源像素传感器主要是由光电二极管和开关管组成量子效率较高,但读出噪声大CMOS结构与工作原理2、CMOS有源像素传感器A、光敏二极管型有源像素结构(PD-APS)主要由光电二极管、若干放大器和开关管组成灵敏度高、功耗低,但是像素单元尺寸大、填充系数小B、光栅型有源像素结构(PG-APS)主要由光栅PG、若干放大器和开
7、关管组成灵敏度高、功耗低,但是像素单元尺寸大、填充系数小3、CMOS数字像素传感器a、芯片级ADC的数字图像传感器芯片上集成一个A/D转换器,每个像素的输出都要经过该ADC转换后输出b、列级ADC的数字图像传感器图像传感器阵列的一列共用一个ADC,从而构成一个ADC线阵列.ADC在并行方式下,对逐列信号进行AD转换c、像素级ADC的数字图像传感器图像传感器的每一个像元或者邻近的一个像元组(如2×2、2×3等)对应一个ADC,而ADC在并行方式下工作。1、传感器尺寸CMOS图像传感器的尺寸越大,则成像系统的尺寸越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。目前,
8、CMOS图像传感器的常见