CMOS圖像傳感器技術發展趨勢

傳統的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器技術已不再能夠滿足當前的工業和專業圖像捕獲的需要。基于標準CMOS技術的創新面型傳感器是一種可行的替代方案，因為它們具有驚人的靈活性、卓越的靜態和動態特性并可容易地集成到各類系統環境中(醫療電子產品領域中的新穎應用便是其中的典型)。
從CCD向CMOS的過渡趨勢
在過去的大約30年時間里，CCD一直被用于圖像轉換。作為一種成熟的技術，它們提供了上佳的圖像質量和低噪聲。由于是電荷耦合器件，因而它們在像素之間順次傳遞其圖像數據。為此，它們需要多種工作電壓、外部時鐘發生器和精細復雜的驅動及評估電子電路，從而產生了相當大的空間需求和功耗。于是，這些圖像傳感器的性能特征和使用靈活性不再能夠完全滿足現今的系統要求。因而導致了目前的技術世代更替，就是從CCD圖像傳感器過渡到CMOS面型傳感器，因為人們最向往的特性是：更加優良的系統集成、較低的功率要求、更加靈活的圖像捕獲、智能化程度更高的接口、更大的動態范圍以及更高的感光度。
更加優越的系統集成
隨著數字融合技術(即：把諸如圖像捕獲、圖像處理和無線通信等過去分離的功能整合到一個緊湊型設備之中)的發展，人們對于至少具有部分自主性的子系統(它們在一個標準部件中提供了盡可能多的功能單元)的需求呈上升勢頭。例如：在專業測量技術中，具有靈活數字攝像機、PDA用戶接口和WLAN(無線局域網)連接的便攜式檢查設備非常有效地擴展了光學測試和監視任務的范圍。醫學圖像處理是圖像傳感器的另一個傳統應用領域，從大型X光片到所有的內窺鏡檢查法、再到作為一種易于處理的清潔產品的可吞咽型“藥丸式攝像機”等不一而足。這里，CMOS技術提供了一種能力極強的實現平臺：雖然CCD圖像傳感器仍然需要采用另一種技術的外部邏輯電路(用于控制和模擬/數字轉換)，但CMOS攝像芯片則允許采用相同的技術來實現圖像傳感器、控制器、轉換器和評估邏輯電路以及HF發送器，因而可將它們置于同一塊芯片之上。將更多的系統功能集成到一個自主型光電傳感器系統中是可能的，并且基本上取決于指定的使用范圍以及基本的經濟性條件(比如：開發成本和單位數量)。
低功率要求
與電源網絡無關的便攜式設備的經濟型操作只有在元件和子系統具有低功率要求時才會奏效。顯然，CMOS技術在這方面是具有優勢的，因為CMOS圖像傳感器指定用于單獨的低電源電壓(約3.3V或2.5V)，而大多數CCD芯片則需要采用多個且數值較高的電源電壓(例如：12V)。這些電壓必須采用耗能而且占用寶貴電路板空間的變壓器來生成。如果控制和系統功能被集成于CMOS傳感器中，則整體性能甚至將更加優越，這是因為在省卻了至其他半導體元件的外部互連電纜的同時，其功耗極高的驅動器也被免除：與通過電路板或襯底所進行的外部通信相比，芯片內部通信所需的功率要低得多。一個令人欣喜的附帶效果是CMOS圖像傳感器的低噪聲輻射。另一方面，由于把模擬/數字轉換器集成在圖像傳感器內部意味著容易遭受干擾的模擬信號線無須引出，因此它們的抗噪聲性能相當高。取而代之的是，數字圖像輸出信號使得系統集成人員能夠更加容易地在不產生重大開銷的情況下組裝一個堅固的CMOS攝像機，令其亦可在嚴酷惡劣的工作環境中使用。諸如藥丸式攝像機和內診鏡等人體內部的醫療應用由于冷卻可能性有限、功率受限(對于藥丸式攝像機)以及溫度需與人體相符等緣故，因而要求低功耗。
更加靈活的圖像捕獲
在醫療和工業應用中，被捕獲圖像常常只有一個特定的細節是相關的，但是，由于CCD圖像傳感器的順序電荷轉移，因此只能讀出其完整的圖像內容(即：全幀)。然后，必須采用一個單獨的評估電路從中提取所需的部分。
而CMOS圖像傳感器的結構則與存儲器陣列相似，因此可通過二次采樣或選擇圖像區域的一部分(即：開窗口)來對單獨的像素或像素組進行尋址和讀出操作。
盡管二次采樣提供了一個分辨率較低(但幀速率提高了許多倍)的規則采樣模式，但開窗口功能卻允許選擇一個有用的部分。窗口四角的坐標通過一個串行或并行接口傳輸至CMOS傳感器，傳感器將自動對其加以處理，以控制讀出操作。這也是把附加邏輯電路集成到CMOS傳感器之中的一個典型的例子，而這在CCD中是無法實現的，因為它們所采用的技術并非特別適合于邏輯電路。
更高的動態范圍
在逆光條件下(此時要求圖像傳感器具有高動態范圍)，工業和醫學領域中會出現許多有趣的場景。在采用線性傳感器時，動態范圍與信噪比(SNR)精確對應，而CMOS圖像傳感器的多斜率操作則使得動態范圍能夠在SNR保持不變的情況下大幅度增加。這一點從光強和輸出電壓之間的分段線性關系當中即可看出，它在整個轉換范圍內產生了一種非線性特性。
因此，模擬/數字轉換器的轉換范圍將充斥著一幅場景的黑暗部分：這里，轉換特性曲線最陡峭，并確保了高感光度和對比度。通過使特性曲線的上部變得水平，還能夠適當地捕獲明亮區域中的小面積過度曝光。這樣，就可以把一個高達100dB的場景動態范圍映射到一個10位的A/D轉換范圍。
更高的感光度
圖像傳感器的發展趨勢是更高的感光度、更短的曝光時間和越來越小的像素尺寸。因此，圖像傳感器必須充分利用其接收到的為數不多的光子。填充因數與量子效率的乘積是判斷像素感光度的關鍵標準，量子效率表示在光子的作用之下所生成的電子數量。幾何填充因數是感光像素面積所占的百分比，這是因為一個CMOS像素只有一部分能夠“看見東西”，這與CCD傳感器是不同的。因此，實現高填充因數是主要的目標之一。
利用一項專利技術，賽普拉斯公司使其CMOS工藝有源像素傳感器(APS)擁有了高填充因數。它把采用標準CMOS工藝時硅芯片表面大多數惰性/非光敏部分變換成感光區域。小型像素對呈任何入射角度的光線進行處理，并表現出低電平暗電流的特征。這是可能的，因為光敏二極管也檢測在位于整個像素表面之下的外延層中產生的光電子。
當前的發展趨勢
以賽普拉斯所屬的FillFactory公司(一家在有源像素CMOS圖像傳感器技術領域居領先地位的企業)推出的創新產品為例，我們將其目前的一些發展趨勢重點闡述如下。FillFactory公司于1999年從IMEC(歐洲領先的納米技術和納米電子研究中心，地處比利時Leuven)獨立出來，并且從該中心接收了許多有經驗的員工和專利。去年，賽普拉斯出于完善其產品門類的考慮而收購了FillFactory公司。
在與FillFactory公司CMOS圖像傳感器的制造商和最終用戶保持溝通的支持之下，賽普拉斯正通過旨在實現最佳品質和成品率的CMOS圖像傳感器設計、現行CMOS生產工藝的最佳使用、封裝中的優化安裝以及靜態和動態性能特征與功能的改善、并按照經濟性和技術性的原則始終如一地開發、拓寬自己的產品門類。
發展趨勢之一是減小傳感器面積：一個典型的例子就是安裝于STM Medizintechnik公司推出的新穎的一次性結腸鏡(用于檢測發病率居第二位的癌癥)上的用戶定制設計彩色圖像傳感器BOCA(512×512像素，每個像素的尺寸為6μm×6μm)。集成時鐘發生和FPN校正實現了一種非常緊湊的結構，從而推動了這種高度清潔的患者友好型內窺鏡檢查法的誕生。
另一個趨勢是采用具有極大面積的傳感器，將其作為傳統、復雜的X光片程序的替代方案。利用這種所謂“滾壓”技術，即可在8英寸晶圓(今后還可在12英寸晶圓)上實現CMOS圖像傳感器的經濟型生產。這正在加快現代醫學圖像處理方法(迄今為止一直采用的是由非晶硅制成的光電二極管陣列)的進步。
同樣，分辨率也始終在提高。例如：6.6M像素傳感器IBIS4-6600憑借一個DIN A4頁面的上佳分辨率而在面向視覺受損者的自動閱讀裝置中證明了自己。該傳感器是一個完整的子系統，由片內模擬圖像捕獲、數字化和信號預處理電路組成，工作電源電壓為2.5V。其2210×3002像素的傳感器陣列基于把已獲專利的三晶體管單元作為一個具有高填充因數的N阱像素(尺寸為3.5×3.5μm)。憑借40Msps的采樣速率，該10位分辨率的并行輸出轉換器每秒可提供5幅完整的圖像。為了與標準視頻編碼器相連，除了10位寬度的圖像數據之外，該圖像傳感器還提供了用于圖像、線路和像素的同步信號。
分辨率為3048×4560像素的該新型IBIS4-14000-M圖像傳感器是與地處Erfurt的X-Fab公司共同開發的，并提供了13.85M像素的分辨率。像素尺寸為8μm×8μm，從而總共形成了一個與完整的35mm格式相等的傳感器面積。幀重復頻率高于三幀/秒(通過四個模擬輸出)。它支持任何可編程開窗口和二次采樣操作模式，而且，其光學動態范圍被規定為65dB。不少公司目前都在采用該傳感器來開發各種生物特征識別應用。
CMOS圖像傳感器所適用的頻譜范圍正在變得越來越寬。利用進一步改良的CMOS工藝，其感光性可擴展至近紅外(NIR)區域。這是通過(多個)EPI層來實現的，而且對多晶硅的依賴程度正日益降低。
前景展望
CMOS圖像傳感器市場的發展態勢十分迅猛，正逐步成為一個大眾化市場。這一部分是借助通用的標準解決方案來實現的，這些解決方案憑借較高的分辨率和幀速率以及更高的光敏性和較低的成本而令其在日趨廣泛的應用領域中一展身手。不過，更多的做法是采用特征值和系統集成的一種定制應用模式來進行客戶化開發。