CMOS图像传感器工作原理及研究报告 .docx

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1、精品名师归纳总结CMOS 图像传感器的工作原理及争论摘要：介绍了 CMOS图像传感器的工作原理，比较了 CCD图像传感器与 CMO图S 像传感器的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结优缺点，指出了 CMO图S和进展趋势。 1 引言像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结自从上世纪 60 岁月末期，美国贝尔试验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了快速进展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不行缺少的外设， 也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体CMO）S 图像传感 器与电荷耦合器件制造成功

2、， 80岁月末，英国爱丁堡高校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128128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推动试验室第一研制成功1 ， 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，就在这一年，有用CMOS技术的特点尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为 5.6mm5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000 年日本东芝公司和美国斯 坦福高校接受0.35mm技术开发的 CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。2 技术原理CCD型和 CMOS型固

3、态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。 CMOS图像传感器芯片的结构 2 如图 1 所示。典型的 CMOS像素阵列 3 ，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行答应线答应所选择的行内每一个敏捷单元输出信号送入它所对应的位线上 图 2），位线末端是多路选择器，依据各列独立的列编址进行选择。依据像素的不同结构 4 ， CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器 PPS）和有源像素 主动式传感器 概念。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结PPS4,5 显现得最早，结构也最简洁，使得CMOS图像传感器走向有用化，其结构

4、原理如图 3 所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当 TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col, 列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成确定的比例关系。无源像素具有单元结构简洁、寻址简洁、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列进展，所以限制了应用，很快被APS代替光敏二极管像素单元 6 如图 4 所示。它是由光敏二极管，复位管M4，源跟随器 M1和行选通开关管 M2组成，此外仍有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散

5、区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V 的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽视将其看成短路。电荷敏捷扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门把握光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随 器仍可加快总线电容的充放电，因而答应总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比 PPS 具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有 20%到 30%。它的工作过程是：第一进入“复位状态”，M1打开，对光敏二极管复位。然后进入“取样状态”，M1关闭，光照射到光敏二极管上产生光生

6、载流子，并通过源 跟随器 M2放大输出。最终进入“读出状态”，这时行选通管M3打开，信号通过列总线输出。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结光栅型 APS7,8 是由美国喷气推动试验室JPL）第一推出的，其像素单元和读出电路如图5 所示。其中感光结构由光栅PG 和传输门 TX构成。光栅输出端为漂移扩散端FD，它与光栅 PG被传输门 TX 隔开。像素单元仍包括一个复位晶体管M1，一个源跟随器 M2和一个行选通晶体管 M3。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷。与此同时，复位管M1打开，对势阱复位。然后复位管关闭，行选通管M3打开，复位后的电信号由此通路被读出并 暂存起来，之后传

7、输门TX 打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。对数响应型 CMOS-APS9拥有很高的动态范畴，其像素单元结构如图6 所示。它由光敏二极管、负载管M1、源跟随器 M2和行选通管 M3组成，负载管栅极是一恒定偏置电压不愿定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续的转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏捷，特殊是阈值电压。PPS和 APS都是在像素外进行模 / 数A/D）转换的，而 DPS3 将模 / 数A/D）转换集成在每一个像素单

8、元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。这种传感器仍处于争论阶段。3 主要特点表 1 给出 CCD与 CMOS图像传感器的性能比较，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明显的优势。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结CCD储备的电荷信息，需在同步信号把握下一位一位的实施转移后读取，电荷信息转移和 读取输出需要有时钟把握电路和三组不同的电源相协作，整个电路较为复杂，速度较慢。CMOS光电传感器 10,11经光电转换后直接产生电压信号，信号读取特殊简洁，仍能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。CCD与 CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结

9、构”上都是不同的12 。CCD器件的成像点为 X Y 纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其把握的一个电荷储备区组成。 CCD仅能输出模拟电信号，输出的电信号仍需经后续的址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且仍需供应三相不同电压的电源和同步时钟把握电路。CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻，它最大的优势是具有高度系统整合的条件，由于接受数字模拟信号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的全部功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动 与把握系统 CDS）、模数转换器 ADC）接口电路等完全可以集成在一起，实现单芯片成像，防止使用外部芯片和设备，极大的减小了器件的体积和重量。

10、安捷伦科技 13 接受一种新型的业内标准 32 针 CLCC陶瓷无引线芯片载体）研制出应用 CMOS图像传感器的数码相机原型产品，只有 30mm30mm2.5mm 大小，特殊适合工程监控和工厂自动化等领域。从功耗和兼容性来看 14 ， CCD需要外部把握信号和时钟信号来获得中意的电荷转移 效率，仍需要多个电源和电压调剂器，因此功耗大。而CMOS-APS使用单一工作电压，功耗低，仅相当于CCD的 1/10-1/100，仍可以与其他电路兼容，具有功耗低、兼容性好的特点。CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高。而CMOS传感器使用与制造半导体器件 90的相同基本技术和工艺，且成品率高，制

11、造成本低，目前用于摄像的50 万像素的 CMOS传感器不到 10 美元。CCD使用电荷移位寄存器，当寄存器溢出时就会向相邻的像素泄漏电荷，导致亮光弥散，在图像上产生不需要的条纹。而 CMOS-APS中光探测部件和输出放大器都是每个像素的一部分，积分电荷在像素内就被转为电压信号，通过 X-Y 输出线输出，这种行列编址方式使窗口操作成为可能，可以进行在片平移、旋转和缩放，没有拖影、光晕等假信号，图像质量高。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结高速性是 CMOS电路的固有特性，CMOS图像传感器可以极快的驱动成像阵列的列总线，并且 ADC在片内工作具有极快的速率，对输出信号和外部接口干扰

12、具有低敏捷性，有利于与下一级处理器连接。CMOS图像传感器具有很强的灵敏性，可以对局部像素图像进行随机拜望，增加了工作灵敏性。4 问题及其解决途径暗电流 15 是 CMOS图像传感器的难题之一。迄今为止，CMOS成像器件均具有较大的 像素尺寸，因此，在正常范畴内也会产生确定的暗电流。通过改进CMOS工艺，压缩结面积可降低暗电流的发生率，也可通过提高帧速率frame rate）来缩短暗电流的集合时间，从而减弱暗电流的影响。噪声的大小直接影响CMOS图像传感器对信号的采集和处理，因此如何提高信噪比是CMOS图像传感器的关键技术之一16-19。噪声主要包括散粒噪声、热噪声、1/f噪声、非均匀噪声和固

13、定图像噪声。其中散粒噪声和热噪声是由载流子引起的，1/f噪声和非均匀 噪声是由材料的缺陷和不均匀性引起的，固定图像噪声是由于工艺的误差使相邻输出信号的源跟随器不匹配引起的。实行以下措施可抑制噪声和提高灵敏度：1）接受削减失调的特殊电路，使用制造更加稳固的晶体管专用工艺。2）每个像元内含一个对各种变化灵敏 度相对较低的放大器。3）借鉴 CCD图像传感器的制备技术，接受相关双取样电路CDS）技术和微透镜阵列技术。4）光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。为了提高 CMOS-APS的填充系数，近几年国外开发的CMOS-APS均具有微透镜阵列结构，在整个 CMOS-APS像元上放置一个微透镜将光集中到

14、有效面积上，可以大幅度提高灵敏 度和填充系数。动态范畴是反映图像传感器性能的主要指标之一 6 ，目前 CMOS图像传感器的动态范畴仍稍逊于 CCD，虽然对数响应型 CMOS图像传感器的动态范畴可达 120dB，但同时也增加了图像噪声，影响了图像质量。提高动态范畴的方法之一就是利用 PECVD超高真空系统以及专用集成电路 ASIC）薄膜技术，改进光电二极管的材料组合，提高低灰度部位的感光度，同时在像素电路的结构及驱动方法上下功夫，实现低灰度时自动转换到线形输出，高灰度时自动转换到对数压缩输出。5 争论进展视频便携式摄像机、掌上电脑、PDA和保安设备的巨大需求推动了CMOS图像传感器的广泛应用。其

15、中以APS进展最为快速，过去工艺中各种不易解决的技术问题现在都能找到相应的解决方法，图像质量得到大大改善，像素规模已由最初的几万像素进展到现在的几百万上千万像素。 CDS电路，技术彩色滤波器阵列技术，数字信号处理DSP）技术，噪声抑制技术不断有新突破，目前CMOS传感器大都接受 0.35mm或 0.5mm的 CMOS制造工艺， CMOS单元面积上的像素数已与CCD相当，因此可基本达到CCD器件的高辨论率。为了适应技术进展和市场的需要，业界近年主要致力于深亚微M主要是 0.25mm和 0.18mm）技术的开发。 2000 年 9 月美国 Foveon 和国家半导体公司采用 0.18mm CMOS

16、工艺开发出 1600 万像素图像传感器及正在开发的高辨论率12801024 图像传感器， Rockwell半导体系统所研制的用于数字和视频领域的640480，800600，960720阵列高辨论率 CMOS图像传感器，美国宇航局喷气试验室设计制造的含有10241024 阵列CMOS图像传感器的彩色相机，Sunni 公司正在开发用于指纹识别和二维条形码识别的高集成度 CMOS图像传感器。目前 CMOS图像传感器主要朝着高辨论率、高动态范畴、高灵敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向进展22 。随着 CMOS图像传感器技术的完善和进展，它的应用范畴也 会不断拓宽，全球CMOS图像传感器销售量将逐年

17、大幅度增长。据In-Stat11,12的统计和推测， 1997 年全球 CMOS图像传感器销售总额为0.54 亿美元， 1998 年增至 2.18 亿美元， 1999 年就达到了 10.03 亿美元。 2000 年销售总额在 1999 年的基础上翻了大约一番， 增至 20.58 亿美元， 2001 年增至 36.78 亿美元，其中， 2005 年 CMOS图像传感器出货量占全部图像传感器的比例将由2001 年的 23%提高至 47%。CMOS图像传感器的价格也将从1999年的 10 美元下跌至 2004 年的 5 美元以下。到 2004 年，置入移动设备的CMOS相机，在全 球市场将达到600

18、0 万部，销售额达到3 亿美元。专家们认为， 21 世纪初全球 CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在将来的几年时间内，在130 万像素至200 万像素之下的产品中，将开头以CMOS传感器为主流。 2003 年全球个人电脑的发货量达到 1.9 亿台，数码相机和PDA的销量将分别超过5400 万台和 1900 万台，移动电话的发货量也达到 4.18 亿台，其中有很多带有数码摄像装置。以小型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展。业界分析推测，在2004-2005 年，国际应用市场上CMOS图像传感器将超越CCD图像传感器，可以信任一个崭新的数字图像技术时代即将来临。可编辑资料 - - - 欢迎下载