CMOS图像传感器的研究

分辨率 CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平， 因此，当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS 传感器的水平。例如，市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平 （OmniVision的 OV2610，2002年6月推出），其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为 4.25μ m，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多（1/1.8 英寸），但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78μ m的水平。 噪声 由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路， 很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 功耗 CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放 大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此 外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难 度更高之外（需外加 power IC），高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水 平。举例来说，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA），在 30 fps的速度下运 行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等 级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上。因此CCD发热量比CMOS大，不能长时间在 阳光器芯片的结构 如右图所示。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(digital pixel sensor)概念。 PPS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
市场份额
2011年CMOS传感器出货量约为21亿个，比2010年的16亿个增长31%，占总体面型 图像传感器的92%。剩下的8%市场属于CCD传感器，其2011年出货量下降2%，从 2010年的1.845亿个减少到1.803亿个。2010年，CMOS的市场份额是90%，CCD占 10%。 CCD传感器的衰退之势难以挽回，CMOS将在未来几年保持优势地位。到 2015年，CMOS出货量将达到36亿个，份额达97%；而CCD出货量将下降到只有 9520万个，占3%份额。
CMOS图像传感器的发展趋势
目前，CMOS是高速成像所青睐的技术。在当前市场中，我们可以发现高 速图像传感器有三大发展趋势，一是向极高速方向发展，二是向片上特性集成方 向发展，三是向通用高速图像传感器方向发展。
CMOS图像传感器与CCD图像传感器的区别
灵敏度 由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成（含放大器与 A/D转换电路），使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素 尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。 成本 由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电 路（如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等）集成到传感器芯片中，因此可 以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要 其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器 的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内 突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
光栅型APS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CMOSAPS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。
优点
低成本、低功耗、以及高整合度
缺点
噪声 、暗电流 、象素的饱和与溢出模糊
应用领域
视频便携式摄像机、掌上电脑、PDA、保安设备、数码相机、和医疗设备
光敏二极管像素单元如图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 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 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 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 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 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PP 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 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。
CMOS图像传感器的研究
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发展历史
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Jet Propulsion Laboratory(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， 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，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。