智能传感技术大作业

西安电子科技大学

智能传感技术大作业

——CMOS传感器技术简介

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班级：021151

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2022年4月28日

摘要:本文简要介绍了 CMOS 图像传感器的发展历程及工作原理, 对CCD 图像传感器与 CMOS 图像传感器的优缺点进行了比较, 指出了CMOS 图像传感器的技术优势, 并讨论了 CMOS 图像传感

器的发展趋势。

关键词：互补金属氧化物半导体 CCD 图像传感器 CMOS 图像传感器

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙探索到海洋开发;从生产过程的控制到现代文明生活,几乎每一项现代科学技术都离不开传感器,因此,传感器技术发展速度十分惊人,半导体压阻式力传感器亦不例外。

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将

图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。

一、CMOS图像传感器的发展历史

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：互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS —Complementary Metal Oxide Semiconductor

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迅速发展。

CMOS图像传感器：

由于受当时工艺水平的限制，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。

CCD图像传感器：

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。

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（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，

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用0.18mm CMOS 工艺开发出1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器

到目前为止, 在开发CMOS图象传感器中所采用的先进的关键技术可归纳如下：

(1) 相关双取样 (CD ) 电路技术；

(2) 微透镜阵列制备技术；

(3) 彩色滤波器阵列技术；

(4) 数字信号处理 (DSP) 技术；

(5) 抑制噪声电路技术；

(6) 模拟数字转换 (A/D ) 技术；

(7) 亚微米和深亚微米光刻技术。

二、CMOS图像传感器的工作原理

右图为CMOS图像传感器的功能框图。

首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须

使用多个时序控制信号。为

了便于摄像头的应用，还要

求该芯片能输出一些时序

信号，如同步信号、行起始

信号、场起始信号等。

象素阵列工作原理

图像传感器一个直观的

性能指标就是对图像的复

现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将像素单元分为无源像素单元

PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元APS(active pixel schematic)和对数式像素单元，有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型APS。

以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。以下先介绍它们基本的工作原理，再介绍各种象素单

元的特点。下图是单个象素的示意图。

(1) 首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电

至V，二极管处于反向状态；

(2) 然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极

管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了；

(3) 最后进入“读出状态”。这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。

无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。一是，它的读出噪声比较大，其典型值为20个电子，而商业用的CCD级技术芯片其读出噪声典型值为20个电子。二，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出噪声变大。

光敏二极管型APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为75～100个电子,此种结构的C3&适合于中低档的应用场合。