CMOS圖像傳感器的工作原理及研究

CMOS圖像傳感器的工作原理及研究摘要：介紹了CMOS圖像傳感器的工作原理，比較了CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了CMOS圖像傳感器的技術(shù)問題和解決途徑，綜述了CMOS圖像傳感器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。1引言自從上世紀(jì)60年代末期，美國貝爾實(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、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠，因而沒有得到重視和發(fā)展。而CCD器件因?yàn)橛泄庹侦`敏度高、噪音低、像素少等優(yōu)點(diǎn)一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。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，而且它固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無法比擬的，因而它再次成為研究的熱點(diǎn)。70年代初CMOS傳感器在NASA的JetPropulsionLaboratory(JPL)制造成功，80年代末，英國愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片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噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首先研制成功[1]，1997年英國愛丁堡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)的特征尺寸已達(dá)到0.35mm，東芝研制成功了光敏二極管型APS，其像元尺寸為5.6mm×5.6mm，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列，2000年日本東芝公司和美國斯坦福大學(xué)采用0.35mm技術(shù)開發(fā)的CMOS-APS已成為開發(fā)超微型CMOS攝像機(jī)的主流產(chǎn)品。2技術(shù)原理CCD型和CMOS型固態(tài)圖像傳感器在光檢測(cè)方面都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。CMOS圖像傳感器芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型的CMOS像素陣列，是一個(gè)二維可編址傳感器陣列。傳感器的每一列與一個(gè)位線相連，行允許線允許所選擇的行內(nèi)每一個(gè)敏感單元輸出信號(hào)送入它所對(duì)應(yīng)的位線上（圖2），位線末端是多路選擇器，按照各列獨(dú)立的列編址進(jìn)行選擇。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）和有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對(duì)數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS(digitalpixelsensor)概念。PPS[4,5]出現(xiàn)得最早，結(jié)構(gòu)也最簡單，使得CMOS圖像傳感器走向?qū)嵱没?，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。每一個(gè)像素包含一個(gè)光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管TX。當(dāng)TX選通時(shí)，光敏二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列線col,列線下端的積分放大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光敏二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號(hào)成一定的比例關(guān)系。無源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡單、尋址簡單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替光敏二極管像素單元[6]如圖4所示。它是由光敏二極管，復(fù)位管M4，源跟隨器M1和行選通開關(guān)管M2組成，此外還有電荷溢出門管M3，M3的作用是增加電路的靈敏度，用一個(gè)較小的電容就能夠檢測(cè)到整個(gè)光敏二極管的n+擴(kuò)散區(qū)所產(chǎn)生的全部光生電荷，它的柵極接約1V的恒定電壓，在分析器件工作原理時(shí)可以忽略將其看成短路。電荷敏感擴(kuò)散電容用做收集光生電荷。復(fù)位管M4對(duì)光敏二極管和電容復(fù)位，同時(shí)作為橫向溢出門控制光生電荷的積累和轉(zhuǎn)移。源跟隨器M1的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。源跟隨器還可加快總線電容的充放電，因而允許總線長度增加和像素規(guī)模增大。因此，APS比PPS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20%到30%。它的工作過程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，M1打開，對(duì)光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，M1關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨器M2放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時(shí)行選通管M3打開，信號(hào)通過列總線輸出。光柵型APS[7,8]是由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）首先推出的，其像素單元和讀出電路如圖5所示。其中感光結(jié)構(gòu)由光柵PG和傳輸門TX構(gòu)成。光柵輸出端為漂移擴(kuò)散端FD，它與光柵PG被傳輸門TX隔開。像素單元還包括一個(gè)復(fù)位晶體管M1，一個(gè)源跟隨器M2和一個(gè)行選通晶體管M3。當(dāng)光照射在像素單元時(shí)，在光柵PG處產(chǎn)生電荷；與此同時(shí)，復(fù)位管M1打開，對(duì)勢(shì)阱復(fù)位；然后復(fù)位管關(guān)閉，行選通管M3打開，復(fù)位后的電信號(hào)由此通路被讀出并暫存起來，之后傳輸門TX打開，光照產(chǎn)生的電信號(hào)通過勢(shì)阱并被讀出，前后兩次的信號(hào)差就是真正的圖像信號(hào)。對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS[9]擁有很高的動(dòng)態(tài)范圍，其像素單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。它由光敏二極管、負(fù)載管M1、源跟隨器M2和行選通管M3組成，負(fù)載管柵極是一恒定偏置電壓（不一定要是電源電壓），該像素單元輸出信號(hào)與入射光信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系，它的工作特點(diǎn)是光線被連續(xù)地轉(zhuǎn)化為信號(hào)電壓，而不像一般APS那樣存在復(fù)位和積分過程。但是，對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS的一個(gè)致命缺陷就是對(duì)器件參數(shù)相當(dāng)敏感，特別是閾值電壓。PPS和APS都是在像素外進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的，而DPS[3]將模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換集成在每一個(gè)像素單元里，每一個(gè)像素單元輸出的是數(shù)字信號(hào)，工作速度更快，功耗更低。這種傳感器還處于研究階段。3主要特點(diǎn)表1給出CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。CCD存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜，速度較慢。CMOS光電傳感器[10,11]經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電壓信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡單，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD快得多。CCD與CMOS兩種傳感器在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“外部結(jié)構(gòu)”上都是不同的[12]。CCD器件的成像點(diǎn)為X－Y縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)電荷存儲(chǔ)區(qū)組成；CCD僅能輸出模擬電信號(hào)，輸出的電信號(hào)還需經(jīng)后續(xù)地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還需提供三相不同電壓的電源和同步時(shí)鐘控制電路。CMOS器件的集成度高、體積小、重量輕，它最大的優(yōu)勢(shì)是具有高度系統(tǒng)整合的條件，因?yàn)椴捎脭?shù)字——模擬信號(hào)混合設(shè)計(jì)，從理論上講，圖像傳感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暫存器、傳感器陣列驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)（CDS）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接口電路等完全可以集成在一起，實(shí)現(xiàn)單芯片成像，避免使用外部芯片和設(shè)備，極大地減小了器件的體積和重量。安捷倫科技[13]采用一種新型的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)——32針CLCC（陶瓷無引線芯片載體）研制出應(yīng)用CMOS圖像傳感器的數(shù)碼相機(jī)原型產(chǎn)品，只有30mm×30mm×2.5mm大小，非常適合工程監(jiān)控和工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域。從功耗和兼容性來看[14]，CCD需要外部控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)來獲得滿意的電荷轉(zhuǎn)移效率，還需要多個(gè)電源和電壓調(diào)節(jié)器，因此功耗大；而CMOS-APS使用單一工作電壓，功耗低，僅相當(dāng)于CCD的1/10-1/100，還可以與其他電路兼容，具有功耗低、兼容性好的特點(diǎn)。CCD傳感器需要特殊工藝，使用專用生產(chǎn)流程，成本高；而CMOS傳感器使用與制造半導(dǎo)體器件90％的相同基本技術(shù)和工藝，且成品率高，制造成本低，目前用于攝像的50萬像素的CMOS傳感器不到10美元。CCD使用電荷移位寄存器，當(dāng)寄存器溢出時(shí)就會(huì)向相鄰的像素泄漏電荷，導(dǎo)致亮光彌散，在圖像上產(chǎn)生不需要的條紋。而CMOS-APS中光探測(cè)部件和輸出放大器都是每個(gè)像素的一部分，積分電荷在像素內(nèi)就被轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，通過X-Y輸出線輸出，這種行列編址方式使窗口操作成為可能，可以進(jìn)行在片平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，沒有拖影、光暈等假信號(hào)，圖像質(zhì)量高。高速性是CMOS電路的固有特性，CMOS圖像傳感器可以極快地驅(qū)動(dòng)成像陣列的列總線，并且ADC在片內(nèi)工作具有極快的速率，對(duì)輸出信號(hào)和外部接口干擾具有低敏感性，有利于與下一級(jí)處理器連接。CMOS圖像傳感器具有很強(qiáng)的靈活性，可以對(duì)局部像素圖像進(jìn)行隨機(jī)訪問，增加了工作靈活性。4問題及其解決途徑暗電流[15]是CMOS圖像傳感器的難題之一。迄今為止，CMOS成像器件均具有較大的像素尺寸，因此，在正常范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生一定的暗電流。通過改進(jìn)CMOS工藝，壓縮結(jié)面積可降低暗電流的發(fā)生率，也可通過提高幀速率（framerate）來縮短暗電流的匯集時(shí)間，從而減弱暗電流的影響。噪聲的大小直接影響CMOS圖像傳感器對(duì)信號(hào)的采集和處理，因此如何提高信噪比是CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一[16-19]。噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、非均勻噪聲和固定圖像噪聲。其中散粒噪聲和熱噪聲是由載流子引起的，1/f噪聲和非均勻噪聲是由材料的缺陷和不均勻性引起的，固定圖像噪聲是因?yàn)楣に嚨恼`差使相鄰輸出信號(hào)的源跟隨器不匹配引起的。采取以下措施可抑制噪聲和提高靈敏度：（1）采用減少失調(diào)的獨(dú)特電路，使用制造更加穩(wěn)定的晶體管專用工藝；（2）每個(gè)像元內(nèi)含一個(gè)對(duì)各種變化靈敏度相對(duì)較低的放大器；（3）借鑒CCD圖像傳感器的制備技術(shù)，采用相關(guān)雙取樣電路（CDS）技術(shù)和微透鏡陣列技術(shù)；（4）光敏二極管設(shè)計(jì)成針形結(jié)構(gòu)或掩埋形結(jié)構(gòu)。為了提高CMOS-APS的填充系數(shù)，近幾年國外開發(fā)的CMOS-APS均具有微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，在整個(gè)CMOS-APS像元上放置一個(gè)微透鏡將光集中到有效面積上，可以大幅度提高靈敏度和填充系數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍是反映圖像傳感器性能的主要指標(biāo)之一[6]，目前CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍還稍遜于CCD，雖然對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB，但同時(shí)也增加了圖像噪聲，影響了圖像質(zhì)量。提高動(dòng)態(tài)范圍的方法之一就是利用PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術(shù)，改進(jìn)光電二極管的材料組合，提高低灰度部位的感光度，同時(shí)在像素電路的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方法上下功夫，實(shí)現(xiàn)低灰度時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到線形輸出，高灰度時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到對(duì)數(shù)壓縮輸出。5研究進(jìn)展視頻便攜式攝像機(jī)、掌上電腦、PDA和保安設(shè)備的巨大需求推動(dòng)了CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用。其中以APS發(fā)展最為迅速，過去工藝中各種不易解決的技術(shù)問題現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，圖像質(zhì)量得到大大改善，像素規(guī)模已由最初的幾萬像素發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬上千萬像素。CDS電路，技術(shù)彩色濾波器陣列技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，噪聲抑制技術(shù)不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素?cái)?shù)已與CCD相當(dāng)，因此可基本達(dá)到CCD器件的高分辨率。為了適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)的需要，業(yè)界近年主要致力于深亞微米（主要是0.25mm和0.18mm）技術(shù)的開發(fā)。2000年9月美國Foveon和國家半導(dǎo)體公司采用0.18mmCMOS工藝開發(fā)出1600萬像素（4096×4096）CMOS圖像傳感器，是目前最大的數(shù)字-模擬混合芯片。其像素是以前發(fā)表的照相機(jī)CMOS圖像傳感器的3倍，是當(dāng)今低檔消費(fèi)數(shù)碼相機(jī)中普遍使用CMOS圖像傳感器的50倍，其芯片內(nèi)的晶體管數(shù)為7000萬個(gè)，芯片尺寸為22mm×22mm，這是迄今為止全球集成度最高的器件，這種圖像傳感器在分辨率和圖像質(zhì)量方面取得了重大突破，標(biāo)志著CMOS圖像傳感器在分辨率和質(zhì)量兩方面的飛躍。CMOS傳感器芯片已廣泛用于數(shù)碼相機(jī)、保安監(jiān)控和醫(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域。在低分辨率應(yīng)用領(lǐng)域中，Pinkhill[21]公司用于娛樂和玩具行業(yè)的成像系統(tǒng)，Marshall公司推出的單片照相機(jī)，VLSIVision公司生產(chǎn)的用于兒童娛樂即時(shí)拍照新概念相機(jī)，韓國漢城國立大學(xué)電子工程學(xué)院集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室利用64×256陣列傳感器開發(fā)的指紋識(shí)別系統(tǒng)等；在中、高分辨率應(yīng)用領(lǐng)域[22]，CMOS圖像傳感器也得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，如VLSIVision生產(chǎn)的單色384×287像素和320×243像素的CMOS攝像機(jī)及陣列達(dá)1000×800的用于數(shù)字相機(jī)的彩色圖像傳感器，美國Omnivision公司開發(fā)的CMOS圖像傳感器系列產(chǎn)品有640×480，1024×768(黑白、彩色)圖像傳感器及正在開發(fā)的高分辨率1280×1024圖像傳感器，Rockwell半導(dǎo)體系統(tǒng)所研制的用于數(shù)字和視頻領(lǐng)域的640×480，800×600，960×720陣列高分辨率CMOS圖像傳感器，美國宇航局噴氣實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造的含有1024×1024陣列CMOS圖像傳感器的彩色相機(jī)，Sunni公司正在開發(fā)用于指紋識(shí)別和二維條形碼識(shí)別的高集成度CMOS圖像傳感器。目前CMOS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向發(fā)展[22]。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的完善和發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也會(huì)不斷拓寬，全球CMOS圖像傳感器銷售量將逐年大幅度增長。據(jù)In-Stat[11,12]的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，1997年全球CMOS圖像傳感器銷售