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CMOS图像传感器的最新进展及应用
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Development Status of CMOS Image Sensors
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■中国电子科技集团公司第44研究所 程开富
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随着多媒体、数字电视，可视通信等领域的热点增加，CMOS图像传感器应用前景更加广阔，在实现小像素尺寸方面，CMOS图像传感器取得了快速的进步，已有3.3
m 3.3 m像素尺寸的报道。采用0.25 m CMOS工艺技术，将生产出高性能的CMOS图像传感器，高性能CMOS摄像机有希望短期内大量出现，彩色CMOS摄像机在近两年内有望普及。目前已批量生产出了用于成像的CMOS图像传感器。该器件已成为摄像机（黑白、彩色）、微型（或超微型）摄像机和数码相机的心脏。Foven公司还研制出了具有世界上最高分辨率（1600万像素）的CMOS图像传感器，这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破。
Foven研制的1600万像素图像传感器标志着CCD和CMOS图像传感器在分辨率和质量两方面的飞跃。Foven的1600万像素图像传感器的分辨率是以前发表的照相机CMOS图像传感器的3倍，是当今低档消费数码相机中普遍使用的CMOS图像传感器的50倍。
最新进展及发展趋势
1 低压驱动掩埋光电二极管型CMOS图像传感器
CMOS图像传感器在低照度下成像质量一直不如CCD，因而提高图像质量是CMOS图像传感器开发的重点。东芝采用掩埋光电二极管新型结构，降低了漏泄电流，在低压下也能确保无电荷残余地完全读出，实现了与CCD摄像器件同等的高质量图像。
2 低噪声高画质CMOS图像传感器
索尼采用独特的"DRSCAN"噪声消除技术和抑制暗电流的"HAD"结构，成功地试制出低噪声高画质1/3英寸33万像素CMOS图像传感器，并计划尽快实现商品化。
独特的"DRSCAN"（Dot Sequential Readout System with Current Amplified
Signal Output Noise Reduction Circuit）技术即是在逐点顺次读出每像素信号和噪声成分的同时，在同一电路中消除晶体管特性不均引起的固定图形噪声，这是以前逐行消除难以做到的。为了消除暗电流引起的固定图形噪声，还借鉴CCD的"HAD"（Hole
accumulation diode）结构。在传感器表面形成空穴积累层，从而抑制非入射光引起的暗电流。这两种固定图形噪声的降低，使S/N比提高了25倍，实现了CMOS图像传感器的高画质。而且HAD结构中采用L形门的像素结构，使几乎所有的电子完全转移，实现了无拖影图像信号输出。
3 高灵敏度CMOS图像传感器
日本NEC公司采用0.35 m CMOS工艺技术研制成功了具有双金属光电屏蔽和氮化硅（Si3N4）抗反射膜的深P阱光电二极管结构的CMOS-APS。为了改善器件的灵敏度，NEC公司在研制中采用了深P阱，磷掺杂P型硅衬底，Si3N4、抗反射膜、耗尽晶体管、双金属光电屏蔽等新技术。光入射到常规光电二极管和新型光电二极管的反射率，前者为20%
30%，后者小于10%。由于入射光反射率的降低，提高了器件的灵敏度。其性能参数为：光学尺寸为1/3英寸，像素数为658(H) 493(V)，像素尺寸为7.4
m(H) 7.4 m(V)，芯片尺寸为7.4mm 7.4mm，填充系数为20%，饱和信号为770mV。灵敏度为1090mV/Lx.s-1（无微透镜），转换增益为30
V/e，动态范围为51dB，暗电流为1.5fA/像素（25℃时），功耗为69mW，电源电压为3.3V。
4 轨对轨CMOS-APS
美国Photo Vision Systems公司2002年4月开发出一种高分辨率CMOS图像传感器，它具有830万像素的分辨率（3840
2160），比高清晰度电视（HDTV）的分辨率高4倍，比标准电视的分辨率高32倍。该器件适用于数字电视，演播室广播，安全/生物测定学、科学分析和工业监视等应用场合。这种超高清晰度电视彩色摄像机可以最大30帧每秒的速度拍摄2500万像素的图像（渐进或隔行扫描）。同样，IBM公司也将这种传感器集成到一种具有9.2兆像素22.2英寸大小的液晶显示器中。该传感器使用了Photon
Vision Systems公司的CMOS有源像素图像传感器技术，从而使该传感器的分辨率指标达到甚至超过CCD图像传感器。
5 单斜率模式CMOS-APS
美国Photon Vision Systems公司采用常规SOI（silicon-on-insulator）CMOS工艺研制成功了单斜率模式CMOS-APS。像素数为64
64；像素尺寸为20 m(H) 15 m(V)；填充系数为50%；芯片尺寸为2mm 2mm；帧速为60帧/秒。该器件的单个像素由源跟随器、行选择晶体管n+-P二极管和复位晶体管等组成。另外我国香港科技大学采用2
mSOI CMOS工艺开发出了低压混合体/SOI CMOS有源像素传感器，在1.2V VDD工作时，暗电流小于50nA/cm2；二极管响应率为500mA/W；转换增益为1
V/e-；输出摆幅大于0.5V；动态范围为74dB。采用常规SOI CMOS工艺制备CMOS有源像素传感器（CMOS-APS），是CMOS-APS制备工艺的发展方向。因为采用该工艺容易获得低电压、微功耗的CMOS-APS。因此，混合体（hybrid
bulk）/SOI CMOS-APS技术是很有吸引力的。使用SOI CMOS工艺是未来制作CMOS图像传感器的理想工艺。
6 CMOS数字像素传感器
CMOS图像传感器的发展至今有三大类，即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS（Digital Pixel sensor），而CMOS-DPS是最近两年才开发出来的。2001年12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent
Technolgies和Stanford大学和California大学等采用标准数字式0.18 m CMOS工艺开发成功了高帧速(10000帧/秒)CMOS数字像素传感器。其性能参数为：像素数为352
288；芯片尺寸为5mm 5mm；晶体管数为380万个；读出结构为64bit（167MHz）；最大输出数据速率大于1.33GB/s；最大连续帧速大于10000帧/秒；最大连续像素速率大于1Gpixels/s；像素尺寸为9.4
m(H) 9.4 m(V)；光电探测器类型为n MOS光电栅；每个像素的晶体管数为37；该器件的单个像素由光电二极管，模拟数字转换（ADC）、数字存储器和相关双取样（CDS）电路等组成。
CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/数（A/D）转换是在像素外进行，而是将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一像素单元输出的是数字信号，该器件的优点是高速数字读出，无列读出噪声或固定图形噪声，工作速度更快，功耗更低。
7 宽动态范围图像传感器
继CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS发展之后，德国西根大学半导体电子学研究所采用0.7 m CMOS工艺、PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术；设计和制造了宽动态范围图像传感器。该器件由两部分组成：即PECVD氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜是在超高真空中制成的，而ASIC使用标准CMOS工艺制备。这是继CMOS图像传感器问世之后，同CMOS图像传感器一样已经引起人们的重视。薄膜专用集成电路（TFA）图像传感器由正面电极、a-Si:H、背面电极、绝缘层和专用集成电路等组成。像素数为368
256、495 128、1024 108像元，像元尺寸分别为30 m 38 m、10 m 10 m、芯片尺寸分别为16.5mm 14.9mm，16.6mm
12.6mm，动态范围为60dB 125dB。
8 APD图像传感器
2001年，瑞士联邦技术学院电子学实验室的Alice Biber和Peter Seitz等人，采用1.2 m标准BiCMOS工艺研制成功了雪崩光电二极管图像传感器（APDIS），每个像素由雪崩光电二极管（APD）、高压稳定电路和图像读出电子部件组成。与常规CMOS有源像素传感器（CMOS-APS）比较，集成APD像素现存的反馈电阻将由反馈电容代替，放大器的热噪声为Vn,amp=30nV/Hz1/2，源跟随器热噪声为Vn,sf=17nV/Hz1/2，C=200fF时（1fF=10-15F），复位（KT/C）噪声的计算值为144
V；增益为1和15时，APD的噪声（i n,APD）分别为3.2 10-33A2/Hz和14.4 10-27A2/Hz。每个球形结构的APD的外部直径为48
m，像素数为12 24，芯片尺寸为2.4mm 2.4mm，总的像素尺寸为154 m 71.5 m。用该器件已组装成了首台APDIS摄像机，拍摄出了清晰的黑白图像。
国内发展现状
为了在CMOS图像传感器技术领域占有一席之地，目前国内开展CMOS图像传感器设计、研制和应用开发工作的单位主要有、复旦大学、浙江大学、武汉大学、西安电子科技大学、国防科技大学、中国纺织大学机械系、中国科学院微电子研究中心等院所厂商均开展了CMOS图像传感器的设计、研制和应用开发等工作。北京大学和武汉喜玛拉雅数字成像有限公司共同研制成功了具有自主知识产权的30万像素CMOS数码机相，并且已产品化。西安交通大学开元微电子科技有限公司已研制成功了369
287、768 574、640 480、512 512像素CMOS图像传感器，像素尺寸均为10.8 10.8 m，功耗为150 200mW。并且用该器件开发出了M-N型系列CMOS微型摄像机和可视电话。中国科学院成都光电技术研究所用CMOS-APS开发成功了微型星载敏感器成像系统。北京中星科技有限公司在推出30
130万像素CMOS数码相机的基础上，2001年3月开发出具有国际一流水准的百万门级超大规模CMOS数码图像处理芯片"星光一号"，这是具有自主知识产权的百万门级大规模数码摄像芯片。2001年5月该芯片实现产业化并投入国际市场。为三星、飞利浦和富士通等国际知名品牌视频摄像头所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型数码相机单芯片CMOS图像处理芯片列为北京市重大高新技术成果转化项目。2002年9月5日该公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的发声图像处理芯片"星光二号"。该芯片首次将音频和视频固化一体并同步工作。
应用及市场前景
1在医学上的应用
在医疗领域，可将CMOS图像传感器应用于一种医疗X射线机，该机的优点是病人所承受X射线的剂量较小，比传统方式的1%还要低，同时其形成的数字图像不仅比X射线胶片更易保存，而且由于它可以进行进一步的修改、比较等操作，所以可以为医生提供诊断和治疗帮助。1998年IEEE国际固体电路会议上，Photobit的一篇文章是关于一种CMOS牙齿X射线芯片，这个芯片是放在病人的口中来检测X射线辐射，并合成图像。2000年还提出用CMOS图像传感器和一个微电子激励器实现一种视网膜植入系统，这个系统用电子激励为有感光恶化的病人提供视觉感受。美光公司曾经为许多客户定制设?quot;药丸式摄像机（Cameral-in-a-Pilly）"并成功地将一个超低功耗的微型CMOS图像传感器放在一个特制药丸内，病人服下此药丸以后可以让医生清楚地看到胃里的情况，从而更好地实现治疗。
CMOS图像传感器除用于医用X射线产品外，还可用CMOS图像传感器组装成超微型摄像机，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个微型CMOS摄像机（俗称"电子眼"），以便在手术后监视手术效果，CCD图像传感器就很难实现这种应用。
除了在医学领域应用外。CMOS图像传感器将广泛用于保安监控、可视门铃、视频电子邮件、汽车尾视、数码相机、可视电话、视频会议、指纹识别，视觉玩具、星载、制导、医疗等等。
2 CMOS图像传感器的市场
据美国国际市场调查公司的统计和预测报告显示，1997年，全球CMOS图像传感器的销售总额为0.54亿美元，1998年增至2.18亿美元；1999年增至10.03亿美元，2000年增至20.58亿美元；2001年增至36.78亿美元；2005年突破100亿美元。iSuppli公司市场情报服务部门日前预测，2005年CMOS图像传感器单位出货量将由2001年的1800万个增长至7200万个。其中，2005年CMOS图像传感器出货量占所有图像传感器的比例将由2001年的23%提高至47%。In-Stat预测CMOS图像传感器的价格将从1999年的10美元下跌至2004年的5美元以下。到2004年，预计置入移动设备的CMOS相机全球市场将达到6000万部，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、游戏机市场等领域获得大幅度增长，呈现出一派红红火火的兴旺景象。
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