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CMOS图像传感器的发展与现状一.引言自上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念以来，固体图像传感器得到了迅速的发展。在早期的70年代时期，电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、光敏二极管阵列(PDA)得到了发展。而这其中，CCD发展尤为迅速，到90年代时，CCD技术已经比较成熟。然而，随着CCD的应用开始广泛起来，其缺点也开始逐一显露。例如：CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成,不易处理一些模拟和数字功能,这些功能包括模/数转换器、精密放大器、存贮器、运算单元等元件的功能;CCD阵列驱动脉冲复杂,需要使用相对高的工作电压,不能与深亚微米超大规模集成(VLSI)技术兼容。因此,人们又开发了另外几种固体图像传感器技术,CMOS图像传感器便是其中的一种。早期的CMOS图像传感器，受制于当时的工艺水平，其图像质量差、分辨率、低噪声高、光照灵敏度不够。相比之下，CCD在这些方面有着出色的性能。因而早期的图像传感器市场一直是CCD器件的天下。而近年来，随着集成电路设计与制造工艺的发展，CMOS传感器的上述缺陷得到了克服或改进，而其固有的优势开始体现出来，这使得CMOS传感器开始迅速占领市场，其研究也再次成为了热点。二．CMOS传感器发展历史CMOS图像传感器的研发大致经历了3个阶段:CMOS无源像素传感器(CMOS-PPS,PassivePixelSensor)阶段、CMOS有源像素传感器(CMOS-APS,ActivePixelSensor)阶段和CMOS数字像素传感器(CMOS-DPS,DigitalPixelSensor)阶段。1.CMOS无源像素传感器自从1967年Weckler首次提出光敏二极管型无源像素结构以来。其结构基本没有发生变化。无源像素结构如图2,它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启,光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数,并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出。单管的光敏二极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有最高的设计填充系数;或者在给定的设计填充系数下,可以设计出最小的像元尺寸。此外，无源像素传感器的量子效率也很高。但是，无源像素传感器的读出噪声较高，这是其主要缺陷。2.有源像素传感器有源像素传感器在象元内引入了缓冲器或者放大器，以此改善象元的性能。与无源像素结构相比,有源像素结构的填充系数小,其设计填充系数典型值为20%~30%。由于增加了有源放大管,于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快。由于有源像素传感器驱动能力较强，列线分布参数的影响相对较小,因而有利于制作像元阵列较大的器件;另外,由于有源放大管仅在读出状态下才工作,所以CMOS有源像素传感器的功耗比CCD图像传感器的还小。3.数字像素传感器无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号,它们通称为模拟像素传感器。近年来,美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS图像传感器结构—数字像素传感器(DPS),在像素单元里集成了ADC(Analog-to-DigitalConvertor)和存储单元。由于这种结构的像素单元读出为数字信号,其它电路都为数字逻辑电路,因此数字像素传感器的读出速度极快,具有电子快门的效果,非常适合高速应用,而且它不像读出模拟信号的过程,不存在器件噪声对其产生干扰。另外,由于DPS充分利用了数字电路的优点,因此易于随着CMOS工艺的进步而提高解析度,性能也将很快达到并超过CCD图像传感器,并且实现系统的单片集成。三．CMOS传感器发展现状1.国内发展现状国内的西安交通大学、华北工学院、中国科学院微电子研究中心、北京思比科微电子公司、文哗科技香港有限公司、联想企业集团等单位较早展开了CMOS图像传感器的设计，研究，也取得了一定的成果。其中，西安交通大学开元微电子科技有限公司于1998年3月研制成功我国第一块CMOS彩色微型摄像芯片，近年来致力于高集成度草色摄像芯片M60等专用摄像芯片的研究和开发。北京思比科于2011年推出1200万像素CMOS图像传感器SP8AC08，该芯片为中国首款突破千万像素级的国产高端芯片，打破了国外厂家在该领域的长期技术垄断。2012年年底，中芯国际宣布，该公司在背照式CMOS图像传感器的开发中取得突破，第一款测试芯片即使是在弱光环境下也能取得不错的图像效果。中芯国际将于2013年与合作伙伴一起生产这款芯片。中芯国际在背照式处理技术方面的成功将扩大该公司的CMOS图像传感器产品线，包括500万或更高像素的手机摄像头，以及高性能视频摄像头。然而，国内目前CMOS图像传感器与国际水平依然有所差距。2.国外发展现状豪威科技于2008年6月领先业界宣布投产背照式（BSI）CMOS传感器,所谓背照式CMOS传感器就是将它掉转方向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，从而显著提高低光照条件下的拍摄效果。其最新推出的OV9740采用了1.75微米的OmniBSI背面照度技术，能够在提供更出色影像质量的同时将其像素尺寸降低，这是数字影像技术不断小型化的关键。传感器配备的高性能信号处理器可以达到1300mV/lux-sec的低光照敏感度。还拥有电键自动增益控制，自动曝光控制，自动黑平衡，伽马校正，像素缺陷校正，图像边缘增强，校正透镜等多种功能。OmniVision的微型800万像素CMOS传感器OV8850，像素元尺寸达到1.1微米。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得专利授权的一项技术，可以大幅度地提高填充因子，这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。2010年赛普拉斯半导体公司推出230万像素的VITA2000和530万像素的VITA500两款图像传感器。新的传感器具有一系列精密功能，包括流水线式和触发式全局快门（globalshutter）模式以及传统的行曝光模式，VITA2000的速度最快可达92帧/每秒（FPS），而VITA5000则可达到75FPS。Aptina公司在近期公布了两款新型CMOS图像传感器，具体型号为AR1011HS和AR1820HS，AR1011HS是一枚1英寸CX格式的图像传感器。总体像素输出值达到了1000万像素，而单位像素尺寸3.4微米。该产品支持特有的DR-Pix技术，可以支持60fps连拍，120帧/秒的1080p高清视频录制及慢动作回放等功能。AR1820HS也是一款支持背照射技术的1800万像素CMOS传感器，物理尺寸为1/2.3英寸。它可以支持A-PixHS技术，支持连拍速度达到了约24张/秒，还可以支持高质量的高清视频录制功能。四．结语CMOS的发展十分迅速，从当初CCD传感器独占市场到如今CMOS传感器与CCD传感器各有千秋。如今CMOS传感器噪声逐渐减小，成像质量逐渐提高，加上它所固有的低功耗，高集成度，高速的特点。使得它逐渐成为图像传感器的主流。随着多媒体、数字电视、可视通讯产品的增加，CMOS图像传感器的应用前景一定会更加广阔。参考文献1.江文杰，曾学文，施建华.光电技术[M].北京：科学出版社，2009，,219-2222.李继军，杜云刚，张丽华等.CMOS图像传感器的研究进展[J].激光与光电子学进展2009，46（4），45-523.赵文伯，刘俊刚.CMOS图像传感器发展现状[J].半导体光学1999,20（1）4.陈慧敏,栗苹,张英文等.CMOS图像传感器的研究新进展[J].半导体光学.2006,27(6)