互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管圖像傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

1圖像傳感器的發(fā)展在現(xiàn)代生活中，人們需要獲取各種信息，其中大多數(shù)信息是從視覺(jué)器官傳播的。據(jù)統(tǒng)計(jì),人們所獲取的信息,80%以上是通過(guò)視覺(jué)器官得到的。隨著半導(dǎo)體技術(shù)水平的不斷提高,圖像傳感器(ImageSensor)作為目前視覺(jué)信息獲取的一種基礎(chǔ)器件,因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展,給出直觀、多層次、內(nèi)容豐富的可視圖像信息,而在現(xiàn)代社會(huì)生活中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前,圖像傳感器主要分2類(lèi),電荷耦合器件(Charge-CoupledDevice,CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)圖像傳感器。自從上世紀(jì)60年代末期,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出固態(tài)成像器件概念后,固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展,成為傳感技術(shù)中的一個(gè)重要分支,它是PC機(jī)多媒體不可缺少的外設(shè),也是監(jiān)控設(shè)備中的核心器件?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器與電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器的研究幾乎是同時(shí)起步,但由于受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制,CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來(lái)和光照靈敏度不夠,因而沒(méi)有得到重視和發(fā)展。而由于CCD可以在較大面積上有效、均勻地收集和轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的電荷并低噪聲地測(cè)量,因此在過(guò)去20年,CCD器件一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。但是最近10年,由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高,CMOS圖像傳感器過(guò)去存在的缺點(diǎn)現(xiàn)在都可以找到辦法克服,而且它固有的諸如像元內(nèi)放大、列并行結(jié)構(gòu),以及深亞微米CMOS處理等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無(wú)法比擬的,而且與CCD技術(shù)相比,CMOS技術(shù)集成度高、采用單電源和低電壓供電、成本低和技術(shù)門(mén)檻低。低成本、單芯片、功耗低和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)使CMOS圖像傳感器在保安監(jiān)視系統(tǒng)、可視電話、可拍照手機(jī)、玩具、汽車(chē)和醫(yī)療電子等低端像素產(chǎn)品領(lǐng)域中大出風(fēng)頭。這些方面的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)了CMOS圖像傳感器市場(chǎng)的快速增長(zhǎng),使它再次成為研究的熱點(diǎn)。70年代初,CMOS傳感器在美國(guó)航空航天局(NASA)的JetPropulsionLaboratory(JPL)制造成功。80年代末,英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)成功試制出了世界第1塊單片CMOS型圖像傳感器件。1995年,像元數(shù)為128×128的高性能CMOS有源像素圖像傳感器由JPL首先研制成功。1997年,英國(guó)愛(ài)丁堡VLSIVersion公司首次實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的商品化。就在這一年,實(shí)用CMOS技術(shù)的特征尺寸達(dá)到了0.35!m,東芝研制成功了光電二極管型APS(ActivePixelSensor),其像元尺寸為5.6!m×5.6!m,具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年,日本東芝公司和美國(guó)斯坦福大學(xué)采用0.35!m技術(shù)開(kāi)發(fā)的CMOS-APS已成為開(kāi)發(fā)超微型CMOS攝像機(jī)的主流產(chǎn)品。目前在國(guó)內(nèi),中芯國(guó)際也已經(jīng)量產(chǎn)了應(yīng)用0.18!m技術(shù)的CMOS圖像傳感器。制造工藝的進(jìn)步和新產(chǎn)品的不斷推出預(yù)示著CMOS圖像傳感器的時(shí)代即將到來(lái)。2從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品化MOS圖像傳感器的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代,但當(dāng)時(shí)由于大規(guī)模集成電路工藝的限制未能進(jìn)行研究。普遍意義上的CMOS圖像傳感器的研究是從80年代早期開(kāi)始,而從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品化則是在90年代早期。CMOS圖像傳感器的研發(fā)大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:CMOS無(wú)源像素傳感器(CMOS-PPS,PassivePixelSensor)階段、CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS,ActivePixelSensor)階段和CMOS數(shù)字像素傳感器(CMOS-DPS,DigitalPixelSensor)階段。2.1基于光單元的創(chuàng)新在上世紀(jì)60年代后期,G.Weckler就提出了無(wú)源像素傳感器結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器。這種結(jié)構(gòu)至今幾乎沒(méi)有發(fā)生較大變化,它的無(wú)源像素結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示:它包括1個(gè)光電二極管和1個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管。光電二極管用于將入射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);MOS開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與否取決于器件像元陣列的控制電路。在每一曝光周期開(kāi)始時(shí),MOS開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài),直至光敏單元完成預(yù)定時(shí)間的光電積分過(guò)程,MOS開(kāi)關(guān)管才轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài);此時(shí),光電二極管與垂直的列線連通,光敏單元中積累的與光信號(hào)成正比的光生電荷被送往列線,由位于列線末端的電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量輸出(電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù),并減小像元復(fù)位噪聲);當(dāng)光電二極管中存儲(chǔ)的信號(hào)電荷被讀出時(shí),再由控制電路往列線加上一定的復(fù)位電壓使光敏電源恢復(fù)初始狀態(tài),隨即再將MOS開(kāi)關(guān)管關(guān)斷以備進(jìn)入下一個(gè)曝光周期。在此結(jié)構(gòu)下,還可以采用另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管以實(shí)現(xiàn)二維的X-Y尋址。由于PPS像元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積很小,所以在給定的單元尺寸下,可設(shè)計(jì)出最高的填充系數(shù)(FillFactor,FF,又稱(chēng)“孔徑系數(shù)”,即像元中有效光敏單元面積與像元總面積之比);在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下,單元尺寸可設(shè)計(jì)的最小。并且,由于填充系數(shù)高和沒(méi)有類(lèi)似許多CCD中的多晶硅層疊,無(wú)源像素結(jié)構(gòu)可獲得較高的“量子效率”(即光生電子與入射光子數(shù)量之比),從而有利于提高器件的靈敏度。但是這種結(jié)構(gòu)存在著2個(gè)方面的不足:其一,各像元中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通閾值難以完全匹配,所以即使器件所接受的入射光線完全均勻一致,其輸出信號(hào)仍會(huì)形成某種相對(duì)固定的特定圖形,也就是所謂的“固有模式噪聲”(FixedPatternNoise,FPN),致使PPS的讀出噪聲很大,典型值為250個(gè)均方根電子,較大的固有模式噪聲的存在是其致命的弱點(diǎn);其二,光敏單元的驅(qū)動(dòng)能量相對(duì)較弱,當(dāng)圖像傳感器規(guī)模不斷增大后,總線上電容相應(yīng)增加傳感器讀出速度大幅降低,故而列線不宜過(guò)長(zhǎng)以期減小其分布參數(shù)的影響。受多路傳輸線寄生電容及讀出速率的限制,PPS難以向大型陣列發(fā)展。2.2fpga圖像傳感器在memsc有源像素單元APS幾乎與無(wú)源像素單元一起出現(xiàn)。圖1(b)所示的是有源像素傳感器結(jié)構(gòu):它包括光電二極管、復(fù)位管、源跟隨器有源放大管和行選讀出晶體管。在此結(jié)構(gòu)中,輸出信號(hào)由源跟隨器予以緩沖以增強(qiáng)像元的驅(qū)動(dòng)能力,其讀出功能受與它相串聯(lián)的行選晶體管(RS)控制。因源跟隨器不再具備雙向?qū)芰?故需另行配備獨(dú)立的復(fù)位晶體管(RST)。光照射到光電二極管產(chǎn)生電荷,這些電荷通過(guò)源極跟隨器緩沖輸出;當(dāng)讀出管選通時(shí),電荷通過(guò)列總線輸出。讀出管關(guān)閉,復(fù)位管打開(kāi)對(duì)光電二極管復(fù)位。上述只是一個(gè)簡(jiǎn)單的原理性過(guò)程,在實(shí)際工作時(shí),其讀出、復(fù)位是有不少講究的。例如,為了抑制固定圖形噪聲需采用相關(guān)雙采樣,不但要讀取信號(hào)電壓,還要讀取復(fù)位后光電二極管的電壓。由于這種結(jié)構(gòu)相對(duì)無(wú)源像素傳感器結(jié)構(gòu)在像素單元里增加了有源放大管,于是減小了讀出噪聲并且它的讀出速度也較快;由于有源像元的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng),列線分布參數(shù)的影響相對(duì)較小,因而有利于制作像元陣列較大的器件;另外,由于有源放大管僅在讀出狀態(tài)下才工作,所以CMOS有源像素傳感器的功耗比CCD圖像傳感器的還小。這種結(jié)構(gòu)的APS量子效率比較高,由于采用了新的消噪技術(shù),輸出圖形信號(hào)質(zhì)量比以前有許多提高,讀出噪聲一般為75~100個(gè)電子。而像元本身具備的行選功能,對(duì)二維圖像輸出控制電路的簡(jiǎn)化頗有益處。但是,有源像素傳感器在提高性能的同時(shí)也付出了增加像素單元面積和減小“填充系數(shù)(FillFactor)”的代價(jià)。APS像元結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與PPS像元結(jié)構(gòu)相比(無(wú)源像元的孔徑效率多在60%~80%之間),其填充系數(shù)較小,設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%~30%,與行間轉(zhuǎn)移CCD接近,因而需要一個(gè)較大的單元尺寸。為了補(bǔ)償有源像素填充系數(shù)不高引起的不足,CMOS器件往往借用CCD制造工藝中現(xiàn)有的“微透鏡”技術(shù),就是在器件芯片的常規(guī)制作工序完成后,再利用光刻技術(shù)在每個(gè)像元的表面直接制作一個(gè)微型光學(xué)透鏡,借以對(duì)入射光進(jìn)行會(huì)聚,使之集中投射于像元的光敏單元,從而可將有源像元的有效填充系數(shù)提高2~3倍,提高信號(hào)質(zhì)量。深亞微米技術(shù)的采用將會(huì)大幅提高填充率。2.3數(shù)字像素圖像傳感器上面提到的無(wú)源像素傳感器和有源像素傳感器的像素讀出均為模擬信號(hào),于是它們又通稱(chēng)為模擬像素傳感器。近年來(lái),美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)—數(shù)字像素傳感器(DPS),在像素單元里集成了ADC(Analog-to-DigitalConvertor)和存儲(chǔ)單元,如圖2(c)所示。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號(hào),其它電路都為數(shù)字邏輯電路,因此數(shù)字像素傳感器的讀出速度極快,具有電子快門(mén)的效果,非常適合高速應(yīng)用,而且它不像讀出模擬信號(hào)的過(guò)程,不存在器件噪聲對(duì)其產(chǎn)生干擾。另外,由于DPS充分利用了數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn),因此易于隨著CMOS工藝的進(jìn)步而提高解析度,性能也將很快達(dá)到并超過(guò)CCD圖像傳感器,并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單片集成。數(shù)字像素圖像傳感器的主要缺點(diǎn)在于因?yàn)樵黾恿讼袼貑卧獌?nèi)的晶體管數(shù)目而需要較大的像素單元面積,而且隨著芯片加工工藝的不斷發(fā)展,接口電壓在不斷降低,漏電流也在不斷增加,DPS的設(shè)計(jì)和制造也面臨著較大的挑戰(zhàn)。目前,這種傳感器還處于研究階段。以上介紹了3種不同類(lèi)型的圖像傳感器結(jié)構(gòu),其中發(fā)展最快的是CMOS-APS。這種類(lèi)型的圖像傳感器器件已經(jīng)進(jìn)入商品化和實(shí)用化階段,但是對(duì)全面改善CMOS-APS性能的研究工作還在深入進(jìn)行。CMOS圖像傳感器能夠快速發(fā)展,一是基于固體圖像傳感器技術(shù)的研究成果,二是得益于CMOS集成電路工藝技術(shù)的成熟。在CMOS取代CCD的進(jìn)程中,生產(chǎn)工藝將是彌補(bǔ)CMOS圖像質(zhì)量和亮度不足的關(guān)鍵。3cd圖像傳感器的特點(diǎn)CMOS圖像傳感器和CCD在光檢測(cè)方面都是利用了硅的光電效應(yīng)原理,不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。CCD是通過(guò)垂直和水平CCD轉(zhuǎn)移輸出電荷,而在CMOS圖像傳感器中,電壓通過(guò)與DRAM存儲(chǔ)器類(lèi)似的行列解碼讀出。CMOS與CCD圖像傳感器在結(jié)構(gòu)、工作方式和制造工藝兼容程度上的差別,使得CMOS圖像傳感器具有CCD所不具有的一些優(yōu)點(diǎn):(1)CMOS圖像傳感器能將光電檢測(cè)器、電荷/電壓轉(zhuǎn)化單元、復(fù)位和選擇晶體管、電壓放大器以及數(shù)/模(ADC)轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片里,整個(gè)陣列使用簡(jiǎn)單的X-Y排位技術(shù),輸出信號(hào)由列和行讀取電路構(gòu)成,這些外圍電路也可以集成在芯片內(nèi),因此CMOS圖像傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)可以直接進(jìn)行處理。(2)CMOS電路的基本特性是靜態(tài)功耗幾乎為零,只有在電路接通時(shí)才有電能的消耗。另外CMOS電路只需單一電壓供電,而CCD是大電容器件,驅(qū)動(dòng)電路的功耗大,且需多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),因此CMOS圖像傳感器的耗電量只有普通的由二極管組成的CCD圖像傳感器的1/10左右。(3)隨著CMOS工藝的發(fā)展,CMOS晶體管變得越來(lái)越小,CMOS象素尺寸也隨之變小,可以將放大器、ADC甚至影像數(shù)字信號(hào)處理電路集成在芯片上,故CMOS集成度高。(4)CMOS制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成品率高,使CMOS圖像傳感器在價(jià)格上與CCD圖像傳感器相比具有優(yōu)勢(shì)。(5)由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成,電荷激發(fā)的量子效應(yīng)易受輻射線的影響;而CMOS圖像傳感器的像素由光電二極管構(gòu)成,因此CMOS圖像傳感器的抗輻射能力比CCD大十多倍,有利于軍用和強(qiáng)輻射應(yīng)用。(6)CMOS圖像傳感芯片除了可見(jiàn)光,對(duì)紅外光也非常敏感,在890~980nm范圍內(nèi)其靈敏度遠(yuǎn)高于CCD圖像傳感芯片的靈敏度,并且隨波長(zhǎng)增加而衰減的梯度也相對(duì)較慢。如能設(shè)計(jì)制造出在1~3!m波長(zhǎng)范圍內(nèi)敏感的CMOS圖像芯片,則CIS在夜戰(zhàn)和夜間監(jiān)控上將有更廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入90年代,隨著多媒體市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大,對(duì)圖像傳感器的應(yīng)用要求也越來(lái)越高。對(duì)于許多成像系統(tǒng),將驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路集成在圖像傳感器上以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化和接口簡(jiǎn)單化已變得越來(lái)越重要。同時(shí),人們需要一種新的數(shù)字圖像獲取系統(tǒng),能夠直接將電視和照相2種圖像輸入到個(gè)人電腦中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。為此,人們希望有一種圖像傳感器,它具有簡(jiǎn)單的時(shí)鐘、單一的電源、可隨機(jī)快速讀取圖像信息、低系統(tǒng)功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn),以滿足成像系統(tǒng)小型化、數(shù)字化發(fā)展的需求。利用CMOS工藝技術(shù)制造的CMOS圖像傳感器,可以將圖像傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、改進(jìn)的界面完全集成在一起,在制造上,CMOS傳感器的加工采用的是大多數(shù)半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程,易于與其它CMOS電路集成在一起且成本較低;同時(shí),CMOS只需使用一個(gè)電源供電,在節(jié)能方面相對(duì)于CCD具有很大的優(yōu)勢(shì)。在不遠(yuǎn)的未來(lái),CMOS圖像傳感器將成為CCD圖像傳感器的替代者,這種成像技術(shù)將推動(dòng)下一代成像系統(tǒng)的發(fā)展。4cis的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)目前CMOS圖像傳感器的研究熱點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:(1)fpga圖像傳輸技術(shù)傳統(tǒng)的圖像傳感器僅局限于獲取被攝對(duì)象的圖像,圖像的傳輸和處理需要單獨(dú)的硬件和軟件來(lái)完成。由于CMOS圖像傳感器在系統(tǒng)集成上的優(yōu)點(diǎn),可以從系統(tǒng)級(jí)水平來(lái)設(shè)計(jì)芯片。如可以在芯片內(nèi)集成相應(yīng)的功能部件應(yīng)用于特定領(lǐng)域,如Transchip公司開(kāi)發(fā)的高質(zhì)量手機(jī)用攝像機(jī),內(nèi)部集成了ISP,并整合了JPEG圖像壓縮功能。也可以從通用角度考慮,在芯片內(nèi)部集成通用微處理器(如TrimediaProcessor)。為了消除數(shù)字圖像傳輸?shù)钠款i,還可以將高速圖像傳輸技術(shù)(如Firewire、USB、基于LVDS的高速并行傳輸)集成到同一塊芯片上,形成片上系統(tǒng)型數(shù)字相機(jī)(DigitalCameraSystemonChip)和智能CMOS圖像傳感器(IntelligentCMOSImageSensor)。斯坦福大學(xué)的PDC(ProgrammableDigitalCamera)研究小組和一些專(zhuān)業(yè)廠商合作,在新的圖像處理算法、體系結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)以及單片PDC的研究方面取了一些令人矚目的果。(2)高效幀速率由于CMOS圖像傳感器具有訪問(wèn)靈活的優(yōu)點(diǎn),所以可以通過(guò)只讀出感光面上感興趣的很小區(qū)域來(lái)提高幀速率。同時(shí),CMOS圖像傳感器本身在動(dòng)態(tài)范圍和光敏感度上的提高也有利于幀速率的提高。國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM9630可達(dá)到600幀/s的速度;斯坦福大學(xué)PDC(ProgrammableDigitalCamera)研究小組開(kāi)發(fā)的單片PDC,在352×288分辨率下,其掃描速度可達(dá)10000幀/s;Dalsa公司宣稱(chēng)其生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器掃描速度最高可達(dá)20000幀/s;Micron公司的MT9M413C36ST在1280×1024分辨率下可以達(dá)到0~500幀/s的幀速率,部分掃描時(shí)可達(dá)10000幀/s。(3)cd圖像傳感器系統(tǒng)研發(fā)以色列工業(yè)大學(xué)(IsraelInstituteofTechnolog