CMOS圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì)

1、CMOSS圖像傳傳感器的的基本原原理及設(shè)設(shè)計(jì)摘 要要：介紹紹CMOOS圖像像傳感器器的基本本原理、潛在優(yōu)優(yōu)點(diǎn)、設(shè)設(shè)計(jì)方法法以及設(shè)設(shè)計(jì)考慮慮。 關(guān)關(guān)鍵詞：互補(bǔ)型型金屬氧化物物半導(dǎo)導(dǎo)體圖像像傳感器器；無(wú)源源像素傳傳感器；有源像像素傳感感器 1引言 20世世紀(jì)700年代，CCDD圖像傳傳感器和和CMOOS圖像像傳感器器同時(shí)起起步。CCCD圖圖像傳感感器由于于靈敏度度高、噪噪聲低，逐步成成為圖像像傳感器器的主流流。但由由于工藝藝上的原原因，敏敏感元件件和信號(hào)號(hào)處理電電路不能能集成在在同一芯芯片上，造成由由CCDD圖像傳傳感器組組裝的攝攝像機(jī)體體積大、功耗大大。CMMOS圖圖像傳感感器以其其體積小小、功

2、耗耗低在圖圖像傳感感器市場(chǎng)場(chǎng)上獨(dú)樹樹一幟。但最初初市場(chǎng)上上的CMMOS圖圖像傳感感器，一一直沒有有擺脫光光照靈敏敏度低和和圖像分分辨率低低的缺點(diǎn)點(diǎn)，圖像像質(zhì)量還還無(wú)法與與CCDD圖像傳傳感器相相比。 如果把把CMOOS圖像像傳感器器的光照照靈敏度度再提高高5倍10倍倍，把噪噪聲進(jìn)一一步降低低，CMMOS圖圖像傳感感器的圖圖像質(zhì)量量就可以以達(dá)到或或略微超超過(guò)CCCD圖像像傳感器器的水平平，同時(shí)時(shí)能保持持體積小小、重量量輕、功功耗低、集成度度高、價(jià)價(jià)位低等等優(yōu)點(diǎn)，如此，CMOOS圖像像傳感器器取代CCCD圖圖像傳感感器就會(huì)會(huì)成為事事實(shí)。 由于CCMOSS圖像傳傳感器的的應(yīng)用，新一代代圖像系系統(tǒng)的開

3、開發(fā)研制制得到了了極大的的發(fā)展，并且隨隨著經(jīng)濟(jì)濟(jì)規(guī)模的的形成，其生產(chǎn)產(chǎn)成本也也得到降降低?，F(xiàn)現(xiàn)在，CCMOSS圖像傳傳感器的的畫面質(zhì)質(zhì)量也能能與CCCD圖像像傳感器器相媲美美，這主主要?dú)w功功于圖像像傳感器器芯片設(shè)設(shè)計(jì)的改改進(jìn)，以以及亞微微米和深深亞微米米級(jí)設(shè)計(jì)計(jì)增加了了像素內(nèi)內(nèi)部的新新功能。 實(shí)際際上，更更確切地地說(shuō)，CCMOSS圖像傳傳感器應(yīng)應(yīng)當(dāng)是一一個(gè)圖像像系統(tǒng)。一個(gè)典典型的CCMOSS圖像傳傳感器通通常包含含：一個(gè)個(gè)圖像傳傳感器核核心（是是將離散散信號(hào)電電平多路路傳輸?shù)降揭粋€(gè)單單一的輸輸出，這這與CCCD圖像像傳感器器很相似似），所所有的時(shí)時(shí)序邏輯輯、單一一時(shí)鐘及及芯片內(nèi)內(nèi)的可編編程功能

4、能，比如如增益調(diào)調(diào)節(jié)、積積分時(shí)間間、窗口口和模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換器器。事實(shí)實(shí)上，當(dāng)當(dāng)一位設(shè)設(shè)計(jì)者購(gòu)購(gòu)買了CCMOSS圖像傳傳感器后后，他得得到的是是一個(gè)包包括圖像像陣列邏邏輯寄存存器、存存儲(chǔ)器、定時(shí)脈脈沖發(fā)生生器和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器在在內(nèi)的全全部系統(tǒng)統(tǒng)。與傳傳統(tǒng)的CCCD圖圖像系統(tǒng)統(tǒng)相比，把整個(gè)個(gè)圖像系系統(tǒng)集成成在一塊塊芯片上上不僅降降低了功功耗，而而且具有有重量較較輕，占占用空間間減少以以及總體體價(jià)格更更低的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。22基本原原理 從從某一方方面來(lái)說(shuō)說(shuō)，CMMOS圖圖像傳感感器在每每個(gè)像素素位置內(nèi)內(nèi)都有一一個(gè)放大大器，這這就使其其能在很很低的帶帶寬情況況下把離離散的電電荷信號(hào)號(hào)包轉(zhuǎn)換換成電壓壓輸出，而且也也僅需

5、要要在幀速速率下進(jìn)進(jìn)行重置置。CMMOS圖圖像傳感感器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)之一一就是它它具有低低的帶寬寬，并增增加了信信噪比。由于制制造工藝藝的限制制，早先先的CMMOS圖圖像傳感感器無(wú)法法將放大大器放在在像素位位置以內(nèi)內(nèi)。這種種被稱為為PPSS的技術(shù)術(shù)，噪聲聲性能很很不理想想，而且且還引來(lái)來(lái)對(duì)CMMOS圖圖像傳感感器的種種種干擾擾。 然然而今天天，隨著著制作工工藝的提提高，使使在像素素內(nèi)部增增加復(fù)雜雜功能的的想法成成為可能能。現(xiàn)在在，在像像素位置置以內(nèi)已已經(jīng)能增增加諸如如電子開開關(guān)、互互阻抗放放大器和和用來(lái)降降低固定定圖形噪噪聲的相相關(guān)雙采采樣保持持電路以以及消除除噪聲等等多種附附加功能能。實(shí)際際上，在

6、在Connexaant公公司（前前Rocckweell半半導(dǎo)體公公司）的的一臺(tái)先先進(jìn)的CCMOSS攝像機(jī)機(jī)所用的的CMOOS圖傳傳感器上上，每一一個(gè)像素素中都設(shè)設(shè)計(jì)并使使用了66個(gè)晶體體管，測(cè)測(cè)試到的的讀出噪噪聲只有有1均方方根電子子。不過(guò)過(guò)，隨著著像素內(nèi)內(nèi)電路數(shù)數(shù)量的不不斷增加加，留給給感光二二極管的的空間逐逐漸減少少，為了了避免這這個(gè)比例例（又稱稱占空因因數(shù)或填填充系數(shù)數(shù)）的下下降，一一般都使使用微透透鏡，這這是因?yàn)闉槊總€(gè)像像素位置置上的微微小透鏡鏡都能改改變?nèi)肷渖涔饩€的的方向，使得本本來(lái)會(huì)落落到連接接點(diǎn)或晶晶體管上上的光線線重回到到對(duì)光敏敏感的二二極管區(qū)區(qū)域。 因?yàn)殡婋姾杀幌尴拗圃谙裣袼?/p>

7、以內(nèi)內(nèi)，所以以CMOOS圖像像傳感器器的另一一個(gè)固有有的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)就是它它的防光光暈特性性。在像像素位置置內(nèi)產(chǎn)生生的電壓壓先是被被切換到到一個(gè)縱縱列的緩緩沖區(qū)內(nèi)內(nèi)，然后后再被傳傳輸?shù)捷斴敵龇糯蟠笃髦?，因此不不?huì)發(fā)生生傳輸過(guò)過(guò)程中的的電荷損損耗以及及隨后產(chǎn)產(chǎn)生的光光暈現(xiàn)象象。它的的不利因因素是每每個(gè)像素素中放大大器的閾閾值電壓壓都有細(xì)細(xì)小的差差別，這這種不均均勻性就就會(huì)引起起固定圖圖像噪聲聲。然而而，隨著著CMOOS圖像像傳感器器的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)和和制造工工藝的不不斷改進(jìn)進(jìn)，這種種效應(yīng)已已經(jīng)得到到顯著弱弱化。 這種多多功能的的集成化化，使得得許多以以前無(wú)法法應(yīng)用圖圖像技術(shù)術(shù)的地方方現(xiàn)在也也變得可可行了，

8、如孩子子的玩具具，更加加分散的的保安攝攝像機(jī)、嵌入在在顯示器器和膝上上型計(jì)算算機(jī)顯示示器中的的攝像機(jī)機(jī)、帶相相機(jī)的移移動(dòng)電路路、指紋紋識(shí)別系系統(tǒng)、甚甚至于醫(yī)醫(yī)學(xué)圖像像上所使使用的一一次性照照相機(jī)等等，這些些都已在在某些設(shè)設(shè)計(jì)者的的考慮之之中。33設(shè)計(jì)考考慮 然然而，這這個(gè)行業(yè)業(yè)還有一一個(gè)受到到普遍關(guān)關(guān)注的問問題，那那就是測(cè)測(cè)量方法法，具體體指標(biāo)、陣列大大小和特特性等方方面還缺缺乏統(tǒng)一一的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。每一一位工程程師在比比較各種種資料一一覽表時(shí)時(shí)，可能能會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在一張張表上列列出的是是關(guān)于讀讀出噪聲聲或信噪噪比的資資料，而而在另一一張表上上可能只只是強(qiáng)調(diào)調(diào)關(guān)于動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍圍或最大大勢(shì)阱容容量的資資料。

9、因因此，這這就要求求設(shè)計(jì)者者們能夠夠判斷哪哪一個(gè)參參數(shù)對(duì)他他們最重重要，并并且盡可可能充分分利用多多產(chǎn)品的的CMOOS圖像像傳感器器家族。 一些些關(guān)鍵的的性能參參數(shù)是任任何一種種圖像傳傳感器都都需要關(guān)關(guān)注的，包括信信噪比、動(dòng)態(tài)范范圍、噪噪聲（固固定圖形形噪聲和和讀出噪噪聲）、光學(xué)尺尺寸以及及電壓的的要求。應(yīng)當(dāng)知知道并用用來(lái)對(duì)比比的重要要參數(shù)有有：最大大勢(shì)阱容容量、各各種工作作狀態(tài)下下的讀出出噪聲、量子效效率以及及暗電流流，至于于信噪比比之類的的其它參參數(shù)都是是由那些些基本量量度推導(dǎo)導(dǎo)出來(lái)的的。 對(duì)對(duì)于像保保安攝像像機(jī)一類類的低照照度級(jí)的的應(yīng)用，讀出噪噪聲和量量子效應(yīng)應(yīng)最重要要。然而而對(duì)于象象戶

10、外攝攝影一類類的中、高照度度級(jí)的應(yīng)應(yīng)用，比比較大的的最大勢(shì)勢(shì)阱容量量就顯得得更為重重要。 動(dòng)態(tài)范范圍和信信噪比是是最容易易被誤解解和誤用用的參數(shù)數(shù)。動(dòng)態(tài)態(tài)范圍是是最大勢(shì)勢(shì)阱容量量與最低低讀出噪噪聲的比比值，它它之所以以引起誤誤解，是是因?yàn)樽x讀出噪聲聲經(jīng)常不不是在典典型的運(yùn)運(yùn)行速度度下測(cè)得得的，而而且暗電電流散粒粒噪聲也也常常沒沒有被計(jì)計(jì)算在內(nèi)內(nèi)。信噪噪比主要要決定于于入射光光的亮度度級(jí)（事事實(shí)上，在亮度度很低的的情況下下，噪聲聲可能比比信號(hào)還還要大）。 所所以，信信噪比應(yīng)應(yīng)該將所所有的噪噪聲源都都考慮在在內(nèi)，有有些資料料一覽表表中常常常忽略散散粒噪聲聲，而它它恰恰是是中、高高信號(hào)電電平的主主要

11、噪聲聲來(lái)源。而SNNRDAARK得得到說(shuō)明明，實(shí)際際上與動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍圍沒有什什么兩樣樣。數(shù)字字信噪比比或數(shù)字字動(dòng)態(tài)范范圍是另另一個(gè)容容易引起起混淆的的概念，它表明明的只是是模擬/數(shù)字（A/DD）轉(zhuǎn)換換器的一一個(gè)特性性。雖然然這可能能很重要要，但它它并不能能精確地地描述圖圖像的質(zhì)質(zhì)量。同同時(shí)我們們也應(yīng)清清楚地認(rèn)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)圖像像傳感器器具有多多個(gè)可調(diào)調(diào)模擬增增益設(shè)置置時(shí)，模模擬/數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換換器的分分辨率不不會(huì)對(duì)圖圖像傳感感器的動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍圍產(chǎn)生限限制。 光學(xué)尺尺寸的概概念的模模糊，是是由于傳傳統(tǒng)觀念念而致。使用光光導(dǎo)攝像像管只能能在部分分范圍內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生有有用的圖圖像。它它的計(jì)算算包括度度量單位位的轉(zhuǎn)換換

12、和向上上舍入的的方法。采用向向上舍入入的方法法，先以以毫米為為單位測(cè)測(cè)量圖像像傳感器器的對(duì)角角線除以以16，就能得得到以英英寸為單單位的光光學(xué)尺寸寸。例如如0.997cmm的尺寸寸是1.27ccm而不不是0.85ccm。假假如你選選擇了一一個(gè)光學(xué)學(xué)尺寸為為0.885cmm的圖像像傳感器器，很可可能出現(xiàn)現(xiàn)圖像的的四周角角落上的的映影（陰影）現(xiàn)象。這是因因?yàn)橛行┬┵Y料一一覽表欺欺騙性地地使用了了向下舍舍入的方方法。例例如，將將0.997cmm的尺寸寸稱為00.855cm,理由很很簡(jiǎn)單：0.885cmm光學(xué)尺尺寸的圖圖像傳感感器的價(jià)價(jià)格要比比1.227cmm光學(xué)尺尺寸的圖圖像傳感感器的價(jià)價(jià)格低得得多

13、，但但是這對(duì)對(duì)系統(tǒng)工工作性能能產(chǎn)生不不利影響響。所以以，設(shè)計(jì)計(jì)者應(yīng)該該通過(guò)計(jì)計(jì)算試用用各種不不同的圖圖像傳感感器來(lái)得得到想要要的性能能。 CCMOSS圖像傳傳感器的的一個(gè)很很大的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)就是是它只要要求一個(gè)個(gè)單電壓壓來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)整個(gè)裝裝置。不不過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)者仍應(yīng)應(yīng)謹(jǐn)慎地地布置電電路板驅(qū)驅(qū)動(dòng)芯片片。根據(jù)據(jù)實(shí)際要要求，數(shù)數(shù)字電壓壓和模擬擬電壓之之間盡可可能地分分離開以以防止串串?dāng)_。因因此良好好的電路路板設(shè)計(jì)計(jì)，接地地和屏蔽蔽就顯得得非常重重要。盡盡管這種種圖像傳傳感器是是一個(gè)CCMOSS裝置并并具有標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的輸輸入/輸輸出（II/O）電壓，但它實(shí)實(shí)際的輸輸入信號(hào)號(hào)相當(dāng)小小，而且且對(duì)噪聲聲也很敏敏感。 到目前前

14、為止，已設(shè)計(jì)計(jì)出高集集成度單單芯片CCMOSS圖像傳傳感器。設(shè)計(jì)者者力求使使有關(guān)圖圖像的應(yīng)應(yīng)用更容容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)多功能能，包括括自動(dòng)增增益控制制（AGGC）、自動(dòng)曝曝光控制制（AEEC）、自動(dòng)平平衡（AAMB）、伽瑪瑪樣正、背景補(bǔ)補(bǔ)償和自自動(dòng)黑電電平校正正。所有有的彩色色矩陣處處理功能能都集成成在芯片片中。CCMOSS圖像傳傳感器允允許片上上的寄存存器通過(guò)過(guò)I2CC總線對(duì)對(duì)攝像機(jī)機(jī)編程，具有動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍圍寬、抗抗浮散且且?guī)缀鯖]沒有拖影影的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。4CCMOSS-APPS的潛潛在優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)方法441CCMOSS-APPS勝過(guò)過(guò)CCDD圖像傳傳感器的的潛在優(yōu)優(yōu)點(diǎn) CCMOSSAPSS勝過(guò)CCCD圖圖

15、像傳感感器的潛潛在優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)包括15： 11）消除除了電荷荷反復(fù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的麻麻煩，免免除了在在輻射條條件下電電荷轉(zhuǎn)移移效率（CTEE）的退退化和下下降。 2）工工作電流流很小，可以防防止單一一振動(dòng)和和信號(hào)閉閉鎖。 3）在在集成電電路芯片片中可進(jìn)進(jìn)行信號(hào)號(hào)處理，因此可可提供芯芯跡線，模/數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換的的自調(diào)節(jié)節(jié)，也能能提供由由電壓漂漂移引起起的輻射射調(diào)節(jié)。 與硅硅探測(cè)器器有關(guān)，需要解解決的難難題和爭(zhēng)爭(zhēng)論點(diǎn)包包括112： 1）在體材材料界面面由于輻輻射損傷傷而產(chǎn)生生的暗電電流的增增加問題題。 22）包括括動(dòng)態(tài)范范圍損失失的閾值值漂移問問題。 3）在在模/數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換電電路中，定時(shí)和和控制中中的信號(hào)號(hào)閉鎖和和單一

16、擾擾動(dòng)問題題。42CMMOS-APSS的設(shè)計(jì)計(jì)方法 CMOOS-AAPS的的設(shè)計(jì)方方法包括括： 11）為了了降低暗暗電流而而進(jìn)行研研制創(chuàng)新新的像素素結(jié)構(gòu)。 2）使用耐耐輻射的的鑄造方方法，再再研制和和開發(fā)中中等尺寸寸“duumb”（?。┏上駜x儀（通過(guò)過(guò)反復(fù)地地開發(fā)最最佳像素素結(jié)構(gòu)）。 33）研制制在芯片片上進(jìn)行行信號(hào)處處理的器器件，以以適應(yīng)自自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)本身電電壓Vtt的漂移移和動(dòng)態(tài)態(tài)范圍的的損失。 4）研制和和開發(fā)耐耐輻射（單一擾擾動(dòng)環(huán)境境）的定定時(shí)和控控制裝置置。 55）研制制和加固固耐輻射射的模/數(shù)轉(zhuǎn)換換器。 6）尋尋找低溫溫工作條條件，以以便在承承受最大大幅射強(qiáng)強(qiáng)度時(shí)，找到并并證實(shí)最最佳

17、的工工作溫度度。 77）研制制和開發(fā)發(fā)大尺寸寸、全數(shù)數(shù)字化、耐輻射射的CMMOS-APSS，以便便生產(chǎn)。 8）測(cè)試、評(píng)價(jià)和和鑒定該該器件的的性能。 9）引入當(dāng)當(dāng)代最高高水平的的組合式式光學(xué)通通信/成成像系統(tǒng)統(tǒng)測(cè)試臺(tái)臺(tái)。5像像素電路路結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì) 目目前，已已設(shè)計(jì)的的CMOOS圖像像傳感器器像素結(jié)結(jié)構(gòu)有：空隙積積累二極極管（HHAD）型結(jié)構(gòu)構(gòu)、光電電二極管管型無(wú)源源像素結(jié)結(jié)構(gòu)、光光電二極極管型有有源像素素結(jié)構(gòu)、對(duì)數(shù)變變換積分分電路型型結(jié)構(gòu)、掩埋電電荷積累累和敏感感晶體管管陣列（BCAAST）型結(jié)構(gòu)構(gòu)、低壓壓驅(qū)動(dòng)掩掩埋光電電二極管管（LVVBPPD）型型結(jié)構(gòu)、深P阱阱光電二二極管型型結(jié)構(gòu)、針型光光電

18、二極極管（PPPD）結(jié)構(gòu)和和光柵型型有源像像素結(jié)構(gòu)構(gòu)等。551CCMOSSPPSS像素結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì) 光電電二極管管型CMMOS無(wú)無(wú)源像素素傳感器器（CMMOS-PPSS）的結(jié)結(jié)構(gòu)自從從19667年WWeckklerr首次提提出以來(lái)來(lái)實(shí)質(zhì)上上一直沒沒有變化化，其結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖1所示示。它由由一個(gè)反反向偏置置的光敏敏二極管管和一個(gè)個(gè)開關(guān)管管構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)關(guān)管開啟啟時(shí)，光光敏二極極管與垂垂直的列列線連通通。位于于列線末末端的電電荷積分分放大器器讀出電電路保持持列線電電壓為一一常數(shù)，并減小小KTCC噪聲。當(dāng)光敏敏二極管管存貯的的信號(hào)電電荷被讀讀出時(shí)，其電壓壓被復(fù)位位到列線線電壓水水平，與與此同時(shí)時(shí)，與光光

19、信號(hào)成成正比的的電荷由由電荷積積分放大大器轉(zhuǎn)換換為電荷荷輸出。 單管的的PD-CMOOS-PPPS允允許在給給定的像像素尺寸寸下有最最高的設(shè)設(shè)計(jì)填充充系數(shù)，或者在在給定的的設(shè)計(jì)填填充系數(shù)數(shù)下，可可以設(shè)計(jì)計(jì)出最小小的像素素尺寸。另外一一個(gè)開關(guān)關(guān)管也可可以采用用，以實(shí)實(shí)現(xiàn)二維維的XY尋址。由于填填充系數(shù)數(shù)高且沒沒有許多多CCDD中多晶晶硅疊層層，CMMOS-PPSS像素結(jié)結(jié)構(gòu)的量量子效率率較高。但是，由于傳傳輸線電電容較大大，CMMOS-PPSS讀出噪噪聲較高高，典型型值為2250個(gè)個(gè)均方根根電子，這是致致命的弱弱點(diǎn)。552CCMOSS-APPS的像像素結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì) 幾乎在在CMOOS-PPPS像像

20、素結(jié)構(gòu)構(gòu)發(fā)明的的同時(shí)，科學(xué)家家很快認(rèn)認(rèn)識(shí)到在在像素內(nèi)內(nèi)引入緩緩沖器或或放大器器可以改改善像素素的性能能。雖然然CMOOS圖像像傳感器器的成像像裝置將將光子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電電子的方方法與CCCD相相同，但但它不是是時(shí)鐘驅(qū)驅(qū)動(dòng)，而而是由晶晶體三極極管作為為電荷感感應(yīng)放大大器。在在一些CCMOSS圖像傳傳感器中中，每組組像素的的頂端有有一個(gè)放放大器，每個(gè)像像素只有有一個(gè)作作為閾值值電流值值開關(guān)的的三極管管。開關(guān)關(guān)像素中中的電荷荷為放大大器充電電，其過(guò)過(guò)程類似似DRAAM中的的讀取電電路，這這種傳感感器被稱稱為PPPS。PPPS的的結(jié)構(gòu)很很簡(jiǎn)單，它具有有高填充充系數(shù)。各像元元沒有很很多的多多晶硅層層覆蓋，其

21、量子子效率很很高，但但是PPPS的讀讀取干擾擾很高，只適應(yīng)應(yīng)于小陣陣列傳感感器。 在CMMOS-APSS中每一一像素內(nèi)內(nèi)都有自自己的放放大器。CMOOS-AAPS的的填充系系數(shù)比CCMOSS-PPPS的小小，集成成在表面面的放大大晶體管管減少了了像素元元件的有有效表面面積，降降低了“封裝密密度”，使400550的的入射光光被反射射。這種種傳感器器的另一一個(gè)問題題是，如如何使傳傳感器的的多通道道放大器器之間有有較好的的匹配，這可以以通過(guò)降降低殘余余水平的的固定圖圖形噪聲聲較好地地實(shí)現(xiàn)。由于CCMOSS-APPS像素素內(nèi)的每每個(gè)放大大器僅在在此讀出出期間被被激發(fā)，所以CCMOSS-APPS的功功耗

22、比CCCD圖圖像傳感感器的還還小。與與CMOOS-PPPS相相比，CCMOSSAPPS的填填充系數(shù)數(shù)較小，其設(shè)計(jì)計(jì)填充系系數(shù)典型型值為22030，接近近內(nèi)線轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換CCCD的值值。5211光敏二二極管CCMOSS-APPS（PPD-CCMOSS-APPS）的的像素結(jié)結(jié)構(gòu) 119688年，NNoblle描述述了PDD-CMMOS-APSS。后來(lái)來(lái)，這種種像素結(jié)結(jié)構(gòu)有所所改進(jìn)。PD-CMOOS-AAPS的的像素結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖2所示示。 高性能能CMOOSAPSS由美國(guó)國(guó)哥倫比比亞大學(xué)學(xué)電子工工程系和和噴氣推推進(jìn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室（JJPL）在19994年年首次研研制成功功，像素素?cái)?shù)為11281288，像素素尺寸

23、為為40m440mm，管芯芯尺寸為為6.88mm6.88mm，采用11.2mCMMOSnn阱工藝藝試制，動(dòng)態(tài)范范圍為772dBB,固定定圖形噪噪聲小于于0.115飽飽和信號(hào)號(hào)水平。固定圖圖形噪聲聲小于00.155飽和和信號(hào)水水平。119977年日本本東芝公公司研制制成功了了64004880像素素光敏二二極管型型CMOOSAPSS，其像像素尺寸寸為5.6mm5.6mm,具有有彩色濾濾色膜和和微透鏡鏡陣列。20000年美美國(guó)Fooveoon公司司與美國(guó)國(guó)國(guó)家半半導(dǎo)體公公司采用用0.118mmCMOOS工藝藝研制成成功4009640996像素素CMOOSAPSS100，像像素尺寸寸為5m55m，管芯

24、尺尺寸為222mmm222mm，這是迄迄今為止止世界上上集成度度最高、分辨率率最高的的CMOOS固體體攝像器器件。有有關(guān)CMMOSAPSS的工作作原理、發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀及其其應(yīng)用，筆者已已作過(guò)詳詳細(xì)介紹紹688。 因?yàn)楣夤饷裘鏇]沒有多晶晶硅疊層層，PDD-CMMOS-APSS的量子子效率較較高，它它的讀出出噪聲由由復(fù)位噪噪聲限制制，典型型值為775均方方根電子子1000均方方根電子子。PDD-CMMOS-APSS的每個(gè)個(gè)像素采采用3個(gè)個(gè)晶體管管，典型型的像元元間距為為15m。PPD-CCMOSS-APPS適宜宜于大多多數(shù)低性性能應(yīng)用用。5222光柵型型CMOOSAPSS(PGG-CMMOS-APSS

25、)的像像素結(jié)構(gòu)構(gòu) 19993年年由JPPL最早早研制成成功PGG-CMMOS-APSS并用于于高性能能科學(xué)成成像的低低光照明明成像。PG-CMOOS-AAPS結(jié)結(jié)合了CCCD和和XY尋址的的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖33所示。 光柵信信號(hào)電荷荷積分在在光柵（PG）下，浮浮置擴(kuò)散散點(diǎn)（AA）復(fù)位位（電壓壓為VDDD），然后改改變光柵柵脈沖，收集在在光柵下下的信號(hào)號(hào)電荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到擴(kuò)擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電電壓水平平與信號(hào)號(hào)電壓水水平之差差就是傳傳感器的的輸出信信號(hào)。 當(dāng)采用用雙層多多晶硅工工藝時(shí)，PG與與轉(zhuǎn)移柵柵（TXX）之間間要恰當(dāng)當(dāng)交疊。在光柵柵與轉(zhuǎn)移移柵之間間插入擴(kuò)擴(kuò)散橋，可以采采用單層層多晶硅硅工藝，這種擴(kuò)擴(kuò)

26、散橋要要引起大大約1000個(gè)電電子的拖拖影。 光柵型型CMOOSAPSS每個(gè)像像素采用用5個(gè)晶晶體管，典型的的像素間間距為220mm（最小小特征尺尺寸）。采用00.255mCCMOSS工藝將將允許達(dá)達(dá)到5m的像像素間距距。浮置置擴(kuò)散電電容的典典型值為為1014FF量級(jí)，產(chǎn)生220VV/e的的增益，讀出噪噪聲一般般為100均方根根電子20均均方根電電子，已已有讀出出噪聲為為5均方方根電子子的報(bào)道道。 CCMOSS圖像傳傳感器的的設(shè)計(jì)分分為兩大大部分，即電路路設(shè)計(jì)和和工藝設(shè)設(shè)計(jì)，CCMOSS圖像傳傳感器的的性能好好壞，不不僅與材材料、工工藝有關(guān)關(guān)，更重重要的是是取決于于電路設(shè)設(shè)計(jì)和工工藝流程程以及

27、工工藝參數(shù)數(shù)設(shè)計(jì)。這對(duì)設(shè)設(shè)計(jì)人員員提出更更高的要要求，設(shè)設(shè)計(jì)人員員面要寬寬，在設(shè)設(shè)計(jì)中，不但要要懂電路路、工藝藝、系統(tǒng)統(tǒng)方面的的知識(shí)，還要有有較深的的理論知知識(shí)。這這個(gè)時(shí)代代對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)者來(lái)說(shuō)說(shuō)是一個(gè)個(gè)令人興興奮和充充滿挑戰(zhàn)戰(zhàn)的時(shí)代代。計(jì)算算機(jī)輔助助設(shè)計(jì)技技術(shù)為設(shè)設(shè)計(jì)者提提供了極極大的方方便，但但圖像系系統(tǒng)的用用途以及及目標(biāo)用用戶的范范圍由制制造商決決定。如如果用戶戶裝有WWinddowss95的的系統(tǒng)，那么就就要確定定圖像系系統(tǒng)不是是Winndowws988的。如如果你只只是為了了獲取并并存儲(chǔ)大大量的低低分辨率率圖像，那就不不要選擇擇一個(gè)能能夠提供供優(yōu)質(zhì)圖圖像但同同時(shí)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生更多多數(shù)據(jù)以以致于無(wú)

28、無(wú)法存儲(chǔ)儲(chǔ)的高分分辨率圖圖像傳感感器?，F(xiàn)現(xiàn)在還存存在許多多非標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的接口口系統(tǒng)。現(xiàn)在僅僅供數(shù)字字相機(jī)所所使用可可裝卸存存儲(chǔ)介質(zhì)質(zhì)就包括括PCMMCIAA卡、東東芝（TToshhibaa）的速速閃存儲(chǔ)儲(chǔ)器及軟軟磁盤。重要的的是，要要根據(jù)產(chǎn)產(chǎn)品未來(lái)來(lái)所在的的工作環(huán)環(huán)境，對(duì)對(duì)樣品進(jìn)進(jìn)行細(xì)致致的性能能評(píng)估。533CCDD和CMMOS系系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì) CCCD圖圖像傳感感器和CCMOSS圖像傳傳感器在在設(shè)計(jì)上上各不相相同，對(duì)對(duì)于CCCD圖像像傳感器器，不能能在同一一芯片上上集成所所需的功功能電路路。因此此，在設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，除設(shè)計(jì)計(jì)光敏感感部分（即CCCD圖像像傳感器器）外，還要考考慮設(shè)計(jì)計(jì)提供信信號(hào)和圖圖像處

29、理理的功能能電路，即信號(hào)號(hào)讀出和和處理電電路，這這些電路路需要在在另外的的基片上上制備好好后才能能組裝在在CCDD圖像傳傳感器的的外圍；而CMMOS圖圖像傳感感器則不不同，特特別是CCMOSSAPSS可以將將所有的的功能電電路與光光敏感部部分（光光電二極極管）同同時(shí)集成成在同一一基片上上，制作作成高度度集成化化的單芯芯片攝像像系統(tǒng)。與前者者相比，成本低低、制備備容易、體積小小、微型型化、功功耗低，雖然開開始有人人認(rèn)為光光照靈敏敏度不如如CCDD圖像傳傳感器的的高，并并且暗電電流和噪噪聲比較較大，近近來(lái)由于于改進(jìn)了了電路設(shè)設(shè)計(jì)，采采用亞微微米和深深亞微米米光刻技技術(shù)，使使CMOOS圖像像傳感器器

30、的性能能得到改改善。已已經(jīng)具備備與CCCD圖像像傳感器器進(jìn)行競(jìng)競(jìng)爭(zhēng)的條條件，221世紀(jì)紀(jì)，CMMOS攝攝像器件件將成為為信息獲獲取與處處理領(lǐng)域域的佼佼佼者。到到那時(shí)，單芯片片攝像機(jī)機(jī)和單芯芯片數(shù)碼碼相機(jī)將將進(jìn)入千千家萬(wàn)戶戶。這些些都得益益于CMMOSAPSS為人們們提供了了高度集集成化的的系統(tǒng)，如圖44所示。圖5示示出CMMOS數(shù)數(shù)碼相機(jī)機(jī)的框圖圖，從中中可見數(shù)數(shù)碼相機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)的的復(fù)雜性性。霍爾器件件是一種種基于霍霍爾效應(yīng)應(yīng)的磁傳傳感器,已發(fā)展展成一個(gè)個(gè)品種多多樣的磁磁傳感器器產(chǎn)品族族,并已已得到廣廣泛的應(yīng)應(yīng)用。本本文簡(jiǎn)要要介紹其其工作原原理、產(chǎn)產(chǎn)品特性性及其典典型應(yīng)用用。 圖39霍霍爾電流流傳

31、感器器在逆變變器中的的應(yīng)用（CS為為霍爾電電流傳感感器）圖40霍霍爾電流流傳感器器在UPPS中的的應(yīng)用（1、22、3均均為霍爾爾電流傳傳感器）圖41霍霍爾電流流傳感器器在電子子點(diǎn)焊機(jī)機(jī)中的應(yīng)應(yīng)用3.2.12.3在逆逆變器中中的應(yīng)用用 在逆逆變器中中，用霍霍爾電流流傳感器器進(jìn)行接接地故障障檢測(cè)、直接側(cè)側(cè)和交流流側(cè)的模模擬量傳傳感，以以保證逆逆變器能能安全工工作。應(yīng)應(yīng)用線路路如圖339所示示。3.2.112.44在不間間斷電源源中的應(yīng)應(yīng)用 如如圖400所示，霍爾電電流傳感感器1發(fā)發(fā)出信號(hào)號(hào)并進(jìn)行行反饋，以控制制晶閘管管的觸發(fā)發(fā)角，電電流傳感感器2發(fā)發(fā)出的信信號(hào)控制制逆變器器，傳感感器3控控制浮充充

32、電源。用霍爾爾電流傳傳感器進(jìn)進(jìn)行控制制，保證證逆變電電源正常常工作。由于其其響應(yīng)速速度快，特別適適用于計(jì)計(jì)算機(jī)中中的不間間斷電源源。3.2.112.55在電子子點(diǎn)焊機(jī)機(jī)中的應(yīng)應(yīng)用 在在電子點(diǎn)點(diǎn)焊機(jī)電電源中，霍爾電電流傳感感器起測(cè)測(cè)量和控控制作用用。它的的快速響響應(yīng)能再再現(xiàn)電流流、電壓壓波形，將它們們反饋到到可控整整流器AA、B，可控制制其輸出出。用斬?cái)夭ㄆ鹘o給直流迭迭加上一一個(gè)交流流，可更更精確地地控制電電流。用用霍爾電電流傳感感器進(jìn)行行電流檢檢測(cè)，既既可測(cè)量量電流的的真正瞬瞬時(shí)值，又不不致引入入損耗，如圖441所示示。3.2.112.66用于電電車斬波波器的控控制 電電車中的的調(diào)速是是由調(diào)整

33、整電壓實(shí)實(shí)現(xiàn)的。將霍爾爾電流傳傳感器和和其它元元件配合合使用，并將傳傳感器的的所有信信號(hào)輸入入控制系系統(tǒng)，可可確保電電車正常常工作。其控制制原理示示 圖42霍霍爾電流流傳感器器在電車車斬波器器中的應(yīng)應(yīng)用圖43在在變頻調(diào)調(diào)速電機(jī)機(jī)中的應(yīng)應(yīng)用（II，R，S，TT均為霍霍爾電流流傳感器器）圖44用用于電能能管理的的霍爾電電流傳感感器圖45霍霍爾接地地故障檢檢測(cè)器的的原理和和結(jié)構(gòu)于圖422。圖中中，SCCR1是是主串聯(lián)聯(lián)晶閘管管，SCCR2為為輔助晶晶閘管，Lo、Co組組成輸入入濾波器器，Lss是平滑滑扼流圈圈，M11M55是霍爾爾電流傳傳感器。3.22.122.7在在交流變變頻調(diào)速速電機(jī)中中的應(yīng)用用

34、 用變變頻器來(lái)來(lái)對(duì)交流流電機(jī)實(shí)實(shí)施調(diào)速速，在世世界各發(fā)發(fā)達(dá)國(guó)家家已普遍遍使用，且有取取代直流流調(diào)速的的趨勢(shì)。用變頻頻器控制制電機(jī)實(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)速速，可節(jié)節(jié)省100以上上的電能能。在變變頻器中中，霍爾爾電流傳傳感器的的主要作作用是保保護(hù)昂貴貴的大功功率晶體體管。由由于霍爾爾電流傳傳感器的的響應(yīng)時(shí)時(shí)間短于于1ss，因此此，出現(xiàn)現(xiàn)過(guò)載短短路時(shí)，在晶全全管未達(dá)達(dá)到極限限溫度之之前即可可切斷電電源，使使晶體管管得到可可靠的保保護(hù)，如如圖433所示。3.22.122.8用用于電能能管理 圖444給出一一種用于于電能管管理的電電流傳感感器的示示意圖。圖中，12是是通電導(dǎo)導(dǎo)線，111是導(dǎo)導(dǎo)磁材料料帶，117是霍霍爾

35、元件件，199是霍爾爾元件的的輸入、輸出引引線。由由此構(gòu)成成的電流流傳感器器，可安安裝到配配電線路路上進(jìn)行行負(fù)載管管理?；艋魻柶骷妮敵龀龊陀?jì)算算機(jī)連接接起來(lái)，對(duì)用電電情況進(jìn)進(jìn)行監(jiān)控控，若發(fā)發(fā)現(xiàn)過(guò)載載，便及及時(shí)使受受控的線線路斷開開，保證證用電設(shè)設(shè)備的安安全。用用這種裝裝置，也也可進(jìn)行行負(fù)載分分配及電電網(wǎng)的遙遙控、遙遙測(cè)和巡巡檢等。3.22.122.9在在接地故故障檢測(cè)測(cè)中的應(yīng)應(yīng)用 在在配電和和各種用用電設(shè)備備中，可可靠的接接地是保保證配電電和用電電設(shè)備安安全的重重要措施施。采用用霍爾電電流傳感感器來(lái)進(jìn)進(jìn)行接地地故障的的自動(dòng)監(jiān)監(jiān)測(cè)，可可保證用用電安全全。圖445示出出一種霍霍爾接地地故障監(jiān)監(jiān)

36、測(cè)裝置置。3.2.112.110在電電網(wǎng)無(wú)功功功率自自動(dòng)補(bǔ)償償中的應(yīng)應(yīng)用 電電力系統(tǒng)統(tǒng)無(wú)功功功率的自自動(dòng)補(bǔ)償償，是指指補(bǔ)償容容量隨負(fù)負(fù)荷和電電壓波動(dòng)動(dòng)而變化化，及時(shí)時(shí)準(zhǔn)確地地投入和和切除電電容器，避免補(bǔ)補(bǔ)償過(guò)程程中出現(xiàn)現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償償和欠補(bǔ)補(bǔ)償?shù)牟徊缓侠砗秃筒唤?jīng)濟(jì)濟(jì)，使電電網(wǎng)的功功率因數(shù)數(shù)始終保保持最佳佳。無(wú)功功功率的的自動(dòng)采采樣若用用霍爾電電流、電電壓傳感感器來(lái)進(jìn)進(jìn)行，在在保證“及時(shí)、準(zhǔn)確”上具有有顯著的的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈兊捻戫憫?yīng)速度度快，且且無(wú)相位位差，如如圖466所示。 圖46電電網(wǎng)無(wú)功功功率自自動(dòng)補(bǔ)償償控制器器的原理理框圖3.2.12.14霍霍爾鉗形形電流表表 將磁磁芯做成成張合結(jié)結(jié)構(gòu)，在在

37、磁芯開開口處放放置霍爾爾器件，將環(huán)形形磁芯夾夾在被測(cè)測(cè)電流流流過(guò)的導(dǎo)導(dǎo)線外，即可測(cè)測(cè)出其中中流過(guò)的的電流。這種鉗鉗形表既既可測(cè)交交流也可可測(cè)直流流。圖448示出出一種數(shù)數(shù)字鉗形形交流電電流表的的線路。 用鉗鉗形表可可對(duì)各種種供電和和用電設(shè)設(shè)備進(jìn)行行隨機(jī)電電流檢測(cè)測(cè)。3.2.113電功功率測(cè)量量 使負(fù)負(fù)載電壓壓變換，令其與與霍爾器器件的工工作電流流成比例例，將負(fù)負(fù)載電流流通入磁磁芯繞組組中，作作為霍爾爾電流傳傳感器的的被測(cè)電電流，即即可構(gòu)成成霍爾功功率計(jì)。由霍爾爾器件輸輸出的霍霍爾電壓壓來(lái)指示示功率，其工作作原理如如圖499所示。3.22.122.111在電力力工頻諧諧波分析析儀中的的應(yīng)用 在電

38、力力系統(tǒng)中中，電網(wǎng)網(wǎng)的諧波波含量用用電力工工頻諧波波儀來(lái)進(jìn)進(jìn)行測(cè)試試。為了了將被測(cè)測(cè)電壓和和電流變變換成適適合計(jì)算算機(jī)A/D采樣樣的電壓壓，將各各種電力力工頻諧諧波分析析儀的取取樣裝置置，如電電流互感感器、電電壓互感感器、電電阻取樣樣與光隔隔離耦合合電路等等和霍爾爾電流傳傳感取樣樣測(cè)試對(duì)對(duì)比，結(jié)結(jié)果表明明霍爾電電流傳感感器最為為適用。對(duì)比結(jié)結(jié)果如表表8所示示。 表8電力力工頻諧諧波分析析儀中使使用的33種接口口部件的的比較（LEMM模塊是是一種霍霍爾零磁磁通電流流傳感器器）CT和PPT 電阻取樣樣與光耦耦隔離電電路 LEM模模塊 線性度 0.55 0.11 頻率范圍圍 較窄 0300kHzz

39、01000kHHz 對(duì)各次諧諧波幅度度有否衰衰減及衰衰減一致致性 有，不一一致 無(wú) 無(wú) 對(duì)各次諧諧波有否否相移及及相移一一致性 有，不一一致 很小，可可以忽略略 很小，可可以忽略略 所需電源源 不需要 二組 一組 輔助電路路 無(wú) 恒溫電路路 無(wú) 體積 大 大 小 重量 重 輕 輕 安裝是否否方便 不便 不便 方便 調(diào)試難易易程度 容易 較難 容易 接口部件件性能、特點(diǎn)33.2.12.12在在 HYPERLINK /bbs/index.asp?boardid=10 開關(guān)電電源中的的應(yīng)用近近代出現(xiàn)現(xiàn)的 HYPERLINK 開關(guān)關(guān)電源，是將電電網(wǎng)的非非穩(wěn)定的的交流電電壓變換換成穩(wěn)定定的直流流電壓輸輸

40、出的功功率變換換裝置。無(wú)論是是電壓控控制型還還是電流流控制型型 HYPERLINK 開關(guān)電電源，均均采用脈脈沖寬度度調(diào)制，借助驅(qū)驅(qū)動(dòng)脈沖沖寬度與與輸出電電壓幅值值之間存存在的某某種比例例關(guān)系來(lái)來(lái)維持恒恒壓輸出出。其中中，寬度度變化的的脈沖電電壓或電電流的采采樣、傳傳感等均均需用電電流、電電壓傳感感器來(lái)完完成?；艋魻栯娏髁鳌㈦妷簤簜鞲衅髌饕云漕l頻帶寬、響應(yīng)時(shí)時(shí)間快以以及安裝裝簡(jiǎn)便而而成為首首選的電電流、電電壓傳感感器。33.2.12.13在在大電流流檢測(cè)中中的應(yīng)用用 在冶冶金、化化工、超超導(dǎo)體的的應(yīng)用以以及高能能物理（例如可可控核聚聚變）試試驗(yàn)裝置置中都有有許多超超大型電電流用電電設(shè)備。用多霍霍

41、爾探頭頭制成的的電流傳傳感器來(lái)來(lái)進(jìn)行大大電流的的測(cè)量和和控制，既可滿滿足測(cè)量量準(zhǔn)確的的要求，又不引引入插入入損耗，還免除除了像使使用羅果果勘斯基基線圈法法中需用用的昂貴貴的測(cè)試試裝置。圖477示出一一種用于于DD托托卡馬克克中的霍霍爾電流流傳感器器裝置。采用這這種霍爾爾電流傳傳感器，可檢測(cè)測(cè)高達(dá)到到3000kA的的電流。 圖47（a）為為G110安裝裝結(jié)構(gòu)，中心為為電流匯匯流排，(b)為電纜纜型多霍霍爾探頭頭，(cc)為霍霍爾電壓壓放大電電路。(a)GG100安裝結(jié)結(jié)構(gòu)(bb)電纜纜型多霍霍爾探頭頭(c)霍爾電電壓放大大電路圖圖47多多霍爾探探頭大電電流傳感感器圖48霍霍爾鉗形形數(shù)字電電流表線線路示意意圖圖49霍霍爾功率率計(jì)原理理圖(a)霍霍爾控制制電路(b)霍霍爾磁場(chǎng)場(chǎng)電路圖圖50霍霍爾三相相功率變變送器中中的霍爾爾乘法器器圖51霍霍爾電度度表功能能框圖圖52霍霍爾隔離離放大器器的功能能框圖3.2.13.1霍爾爾三相功功率變送送器 利利用霍爾爾器件的的乘法器器功能，還可構(gòu)構(gòu)成三相相功率變變送器，用以檢檢測(cè)三相相平衡