關鍵詞： CMOS , 進展 , 圖像傳感器

隨著多媒體、數(shù)字電視，可視通信等領域的熱點增加，CMOS圖像傳感器應用前景更加廣闊，在實現(xiàn)小像素尺寸方面，CMOS圖像傳感器取得了快速的進步，已有3.3 m 3.3 m像素尺寸的報道。采用0.25 m CMOS工藝技術，將生產出高性能的CMOS圖像傳感器，高性能CMOS攝像機有希望短期內大量出現(xiàn)，彩色CMOS攝像機在近兩年內有望普及。目前已批量生產出了用于成像的CMOS圖像傳感器。該器件已成為攝像機（黑白、彩色）、微型（或超微型）攝像機和數(shù)碼相機的心臟。Foven公司還研制出了具有世界上最高分辨率（1600萬像素）的CMOS圖像傳感器，這種圖像傳感器在分辨率和圖像質量方面取得了重大突破。  

Foven研制的1600萬像素圖像傳感器標志著CCD和CMOS圖像傳感器在分辨率和質量兩方面的飛躍。Foven的1600萬像素圖像傳感器的分辨率是以前發(fā)表的照相機CMOS圖像傳感器的3倍，是當今低檔消費數(shù)碼相機中普遍使用的CMOS圖像傳感器的50倍。  

最新進展及發(fā)展趨勢  

1、低壓驅動掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感器  

CMOS圖像傳感器在低照度下成像質量一直不如CCD，因而提高圖像質量是CMOS圖像傳感器開發(fā)的重點。東芝采用掩埋光電二極管新型結構，降低了漏泄電流，在低壓下也能確保無電荷殘余地完全讀出，實現(xiàn)了與CCD攝像器件同等的高質量圖像。  

2、低噪聲高畫質CMOS圖像傳感器  

索尼采用獨特的"DRSCAN"噪聲消除技術和抑制暗電流的"HAD"結構，成功地試制出低噪聲高畫質1/3英寸33萬像素CMOS圖像傳感器，并計劃盡快實現(xiàn)商品化。  

獨特的"DRSCAN"（Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal Output Noise Reduction Circuit）技術即是在逐點順次讀出每像素信號和噪聲成分的同時，在同一電路中消除晶體管特性不均引起的固定圖形噪聲，這是以前逐行消除難以做到的。為了消除暗電流引起的固定圖形噪聲，還借鑒CCD的"HAD"（Hole accumulation diode）結構。在傳感器表面形成空穴積累層，從而抑制非入射光引起的暗電流。這兩種固定圖形噪聲的降低，使S/N比提高了25倍，實現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的高畫質。而且HAD結構中采用L形門的像素結構，使幾乎所有的電子完全轉移，實現(xiàn)了無拖影圖像信號輸出。  

3、高靈敏度CMOS圖像傳感器  

日本NEC公司采用0.35 m CMOS工藝技術研制成功了具有雙金屬光電屏蔽和氮化硅（Si3N4）抗反射膜的深P阱光電二極管結構的CMOS-APS。為了改善器件的靈敏度，NEC公司在研制中采用了深P阱，磷摻雜P型硅襯底，Si3N4、抗反射膜、耗盡晶體管、雙金屬光電屏蔽等新技術。光入射到常規(guī)光電二極管和新型光電二極管的反射率，前者為20% 30%，后者小于10%。由于入射光反射率的降低，提高了器件的靈敏度。其性能參數(shù)為：光學尺寸為1/3英寸，像素數(shù)為658(H) 493(V)，像素尺寸為7.4 m(H) 7.4 m(V)，芯片尺寸為7.4mm 7.4mm，填充系數(shù)為20%，飽和信號為770mV。靈敏度為1090mV/Lx.s-1（無微透鏡），轉換增益為30 V/e，動態(tài)范圍為51dB，暗電流為1.5fA/像素（25℃時），功耗為69mW，電源電壓為3.3V。  

4、軌對軌CMOS-APS  

美國Photo Vision Systems公司2002年4月開發(fā)出一種高分辨率CMOS圖像傳感器，它具有830萬像素的分辨率（3840 2160），比高清晰度電視（HDTV）的分辨率高4倍，比標準電視的分辨率高32倍。該器件適用于數(shù)字電視，演播室廣播，安全/生物測定學、科學分析和工業(yè)監(jiān)視等應用場合。這種超高清晰度電視彩色攝像機可以最大30幀每秒的速度拍攝2500萬像素的圖像（漸進或隔行掃描）。同樣，IBM公司也將這種傳感器集成到一種具有9.2兆像素22.2英寸大小的液晶顯示器中。該傳感器使用了Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素圖像傳感器技術，從而使該傳感器的分辨率指標達到甚至超過CCD圖像傳感器。  

5、單斜率模式CMOS-APS  

美國Photon Vision Systems公司采用常規(guī)SOI（silicon-on-insulator）CMOS工藝研制成功了單斜率模式CMOS-APS。像素數(shù)為64 64；像素尺寸為20 m(H) 15 m(V)；填充系數(shù)為50%；芯片尺寸為2mm 2mm；幀速為60幀/秒。該器件的單個像素由源跟隨器、行選擇晶體管n+-P二極管和復位晶體管等組成。另外我國香港科技大學采用2 mSOI CMOS工藝開發(fā)出了低壓混合體/SOI CMOS有源像素傳感器，在1.2V VDD工作時，暗電流小于50nA/cm2；二極管響應率為500mA/W；轉換增益為1 V/e-；輸出擺幅大于0.5V；動態(tài)范圍為74dB。采用常規(guī)SOI CMOS工藝制備CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS），是CMOS-APS制備工藝的發(fā)展方向。因為采用該工藝容易獲得低電壓、微功耗的CMOS-APS。因此，混合體（hybrid bulk）/SOI CMOS-APS技術是很有吸引力的。使用SOI CMOS工藝是未來制作CMOS圖像傳感器的理想工藝。  

6、CMOS數(shù)字像素傳感器  

CMOS圖像傳感器的發(fā)展至今有三大類，即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS（Digital Pixel sensor），而CMOS-DPS是最近兩年才開發(fā)出來的。2001年12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent Technolgies和Stanford大學和California大學等采用標準數(shù)字式0.18 m CMOS工藝開發(fā)成功了高幀速(10000幀/秒)CMOS數(shù)字像素傳感器。其性能參數(shù)為：像素數(shù)為352 288；芯片尺寸為5mm 5mm；晶體管數(shù)為380萬個；讀出結構為64bit（167MHz）；最大輸出數(shù)據速率大于1.33GB/s；最大連續(xù)幀速大于10000幀/秒；最大連續(xù)像素速率大于1Gpixels/s；像素尺寸為9.4 m(H) 9.4 m(V)；光電探測器類型為n MOS光電柵；每個像素的晶體管數(shù)為37；該器件的單個像素由光電二極管，模擬數(shù)字轉換（ADC）、數(shù)字存儲器和相關雙取樣（CDS）電路等組成。  

CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/數(shù)（A/D）轉換是在像素外進行，而是將模/數(shù)（A/D）轉換集成在每一個像素單元里，每一像素單元輸出的是數(shù)字信號，該器件的優(yōu)點是高速數(shù)字讀出，無列讀出噪聲或固定圖形噪聲，工作速度更快，功耗更低。  

7、寬動態(tài)范圍圖像傳感器  

繼CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS發(fā)展之后，德國西根大學半導體電子學研究所采用0.7 m CMOS工藝、PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術；設計和制造了寬動態(tài)范圍圖像傳感器。該器件由兩部分組成：即PECVD氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜是在超高真空中制成的，而ASIC使用標準CMOS工藝制備。這是繼CMOS圖像傳感器問世之后，同CMOS圖像傳感器一樣已經引起人們的重視。薄膜專用集成電路（TFA）圖像傳感器由正面電極、a-Si:H、背面電極、絕緣層和專用集成電路等組成。像素數(shù)為368 256、495 128、1024 108像元，像元尺寸分別為30 m 38 m、10 m 10 m、芯片尺寸分別為16.5mm 14.9mm，16.6mm 12.6mm，動態(tài)范圍為60dB 125dB。  

8、APD圖像傳感器  

2001年，瑞士聯(lián)邦技術學院電子學實驗室的Alice Biber和Peter Seitz等人，采用1.2 m標準BiCMOS工藝研制成功了雪崩光電二極管圖像傳感器（APDIS），每個像素由雪崩光電二極管（APD）、高壓穩(wěn)定電路和圖像讀出電子部件組成。與常規(guī)CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS）比較，集成APD像素現(xiàn)存的反饋電阻將由反饋電容代替，放大器的熱噪聲為Vn,amp=30nV/Hz1/2，源跟隨器熱噪聲為Vn,sf=17nV/Hz1/2，C=200fF時（1fF=10-15F），復位（KT/C）噪聲的計算值為144 V；增益為1和15時，APD的噪聲（i n,APD）分別為3.2 10-33A2/Hz和14.4 10-27A2/Hz。每個球形結構的APD的外部直徑為48 m，像素數(shù)為12 24，芯片尺寸為2.4mm 2.4mm，總的像素尺寸為154 m 71.5 m。用該器件已組裝成了首臺APDIS攝像機，拍攝出了清晰的黑白圖像。  

國內發(fā)展現(xiàn)狀  

為了在CMOS圖像傳感器技術領域占有一席之地，目前國內開展CMOS圖像傳感器設計、研制和應用開發(fā)工作的單位主要有、復旦大學、浙江大學、武漢大學、西安電子科技大學、國防科技大學、中國紡織大學機械系、中國科學院微電子研究中心等院所廠商均開展了CMOS圖像傳感器的設計、研制和應用開發(fā)等工作。北京大學和武漢喜瑪拉雅數(shù)字成像有限公司共同研制成功了具有自主知識產權的30萬像素CMOS數(shù)碼機相，并且已產品化。西安交通大學開元微電子科技有限公司已研制成功了369 287、768 574、640 480、512 512像素CMOS圖像傳感器，像素尺寸均為10.8 10.8 m，功耗為150 200mW。并且用該器件開發(fā)出了M-N型系列CMOS微型攝像機和可視電話。中國科學院成都光電技術研究所用CMOS-APS開發(fā)成功了微型星載敏感器成像系統(tǒng)。北京中星科技有限公司在推出30 130萬像素CMOS數(shù)碼相機的基礎上，2001年3月開發(fā)出具有國際一流水準的百萬門級超大規(guī)模CMOS數(shù)碼圖像處理芯片"星光一號"，這是具有自主知識產權的百萬門級大規(guī)模數(shù)碼攝像芯片。2001年5月該芯片實現(xiàn)產業(yè)化并投入國際市場。為三星、飛利浦和富士通等國際知名品牌視頻攝像頭所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型數(shù)碼相機單芯片CMOS圖像處理芯片列為北京市重大高新技術成果轉化項目。2002年9月5日該公司又研制成功了我國第一枚具有世界領先水平的發(fā)聲圖像處理芯片"星光二號"。該芯片首次將音頻和視頻固化一體并同步工作。   

應用及市場前景  

1、在醫(yī)學上的應用  

在醫(yī)療領域，可將CMOS圖像傳感器應用于一種醫(yī)療X射線機，該機的優(yōu)點是病人所承受X射線的劑量較小，比傳統(tǒng)方式的1%還要低，同時其形成的數(shù)字圖像不僅比X射線膠片更易保存，而且由于它可以進行進一步的修改、比較等操作，所以可以為醫(yī)生提供診斷和治療幫助。1998年IEEE國際固體電路會議上，Photobit的一篇文章是關于一種CMOS牙齒X射線芯片，這個芯片是放在病人的口中來檢測X射線輻射，并合成圖像。2000年還提出用CMOS圖像傳感器和一個微電子激勵器實現(xiàn)一種視網膜植入系統(tǒng)，這個系統(tǒng)用電子激勵為有感光惡化的病人提供視覺感受。美光公司曾經為許多客戶定制設?quot;藥丸式攝像機（Cameral-in-a-Pilly）"并成功地將一個超低功耗的微型CMOS圖像傳感器放在一個特制藥丸內，病人服下此藥丸以后可以讓醫(yī)生清楚地看到胃里的情況，從而更好地實現(xiàn)治療。  

CMOS圖像傳感器除用于醫(yī)用X射線產品外，還可用CMOS圖像傳感器組裝成超微型攝像機，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個微型CMOS攝像機（俗稱"電子眼"），以便在手術后監(jiān)視手術效果，CCD圖像傳感器就很難實現(xiàn)這種應用。  

除了在醫(yī)學領域應用外。CMOS圖像傳感器將廣泛用于保安監(jiān)控、可視門鈴、視頻電子郵件、汽車尾視、數(shù)碼相機、可視電話、視頻會議、指紋識別，視覺玩具、星載、制導、醫(yī)療等等。   

2、CMOS圖像傳感器的市場  

據美國國際市場調查公司的統(tǒng)計和預測報告顯示，1997年，全球CMOS圖像傳感器的銷售總額為0.54億美元，1998年增至2.18億美元；1999年增至10.03億美元，2000年增至20.58億美元；2001年增至36.78億美元；2005年突破100億美元。iSuppli公司市場情報服務部門日前預測，2005年CMOS圖像傳感器單位出貨量將由2001年的1800萬個增長至7200萬個。其中，2005年CMOS圖像傳感器出貨量占所有圖像傳感器的比例將由2001年的23%提高至47%。In-Stat預測CMOS圖像傳感器的價格將從1999年的10美元下跌至2004年的5美元以下。到2004年，預計置入移動設備的CMOS相機全球市場將達到6000萬部，銷售額達到3億美元。專家們認為，21世紀初全球CMOS圖像傳感器市場將在PC攝像機，移動通信市場、數(shù)碼相機、攝像機市場、游戲機市場等領域獲得大幅度增長，呈現(xiàn)出一派紅紅火火的興旺景象。