CMOS图像传感器

1CMOS图像传感器是什么
2CMOS图像传感器的构成

3CMOS图像传感器工作原理
4CMOS图像传感器核心技术指标

5CMOS图像传感器分类
6CMOS图像传感器产业链

CMOS图像传感器是什么

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。CMOS图像传感器如今已经广泛应用于手机、汽车、安防、医疗、单反、电脑等领域。

CMOS图像传感器的优点是允许将传感器与模拟和数字电路集成在金属氧化物半导体上，生产成本低，集成度高，功耗低，读取速度快，可随机采样；缺点是每个像素点都有各自的信号放大器，输出信号一致性较差；固定噪声较高。

CMOS图像传感器的构成

CMOS图像传感器主要包括图像传感器和CMOS器件，它将光敏器件、微弱信号放大器、模数转换器、存储器、信号处理器和控制接口等器件组合在同一芯片上，完成复杂的光电信号处理功能。光敏器件用来获取图像，其核心为随光照强弱变化产生对应大小电流的光电二极管，在一定范围内，产生的电流与入射光照度成正比。除此之外，为了提高CMOS芯片的成像质量，还可在芯片上添加如γ校正、自动曝光时间控制、自动处理白平衡、非均匀性补偿、黑电平控制等处理电路，同时为了加快芯片的计算功能可以在芯片上集成DPS器件(具有可编程功能)，从而在单芯片上形成完整的图像处理系统

CMOS图像传感器工作原理

CMOS图像传感器利用场效应管实现光电信号的多路传输，当金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极电压V_GS小于阈值电压V_T时，由于PN结的存在，漏极和源极间等效一个大阻值的电阻，可看作打开的开关，当其栅极上的正电压V_GS大于阈值电压V_T时，由于电场作用，P区的表面电子浓度将会上升并大于空穴浓度从而使P型成为N型半导体，该反型层形成导通的N型沟道，此时漏极和源极间等效一个小阻值的电阻，可看作闭合的开关

CMOS图像传感器利用上述原理形成CMOS开关来控制光电二极管，将一个CMOS开关和一个光电二极管组合成一个像元。当入射光照射光敏面时，每个像素内产生对应大小的电荷，该行的电路根据需要导通某一行的CMOS开关，行像素内的信号通过它所在列的传输线传输到其信号处理电路，处理过后的模拟信号通过模数转换电路转换成相应的数字信号并输出，图像的窗口提取功能可以通过行列选择逻辑单元联合使用来实现^[1]。

CMOS图像传感器核心技术指标

1、高像素

(1)像素总数和有效像素总数(个)：像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨率以及图像的清晰度。

(2)像素尺寸(μm)：像素尺寸是指每个像素点的尺寸，在有限的感光元件尺寸下，更小的像素点尺寸意味着元件上能够容纳更多的像素数目，分辨率更高。但像素尺寸减小的同时单像素的进光量也会减少，感光度性能下降。

(3)光学尺寸(英寸)：光学尺寸是指传感器感光元件的尺寸，通常指图像传感器对角线的长度，该尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

2、高帧率

帧率(fps)：指单位时间记录图像的帧数，决定了CMOS图像传感器录像的流畅程度和抓拍能力。

3、高成像效果

(1)信噪比(dB)：指信号电压相对于噪声电压的比值，体现了CMOS图像传感器对信号的控制能力。信噪比越高，噪声抑制的效果越好，在图像中体现出来的噪声越不明显。

(2)动态范围(dB)：指输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比，为CMOS图像传感器的工作范围，反映了其图像信号处理能力。

(3)感光度(V/lux*sec)：感光度指图像传感器对入射光功率的响应能力，也被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说，通常采用电流灵敏度来反映响应能力，电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。

(4)量子效率：量子效率指某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，体现了CMOS图像传感器的光转换为电子的能力。量子效率越高，光电转换能力越强，感光度越高，成像也越明亮。

CMOS图像传感器分类

1、根据CMOS图像传感器快门曝光方式不同，可分为全局快门(Global Shutter，GS)式和卷帘快门(Rolling Shutter，RS)式CMOS图像传感器

(1) 卷帘快门(RS)：卷帘快门式CMOS图像传感器指同一帧图像中，各行的曝光时刻不同，下一行的曝光时刻比上一行推迟一整行读出周期，图像中最后一行的曝光时刻比第一行推迟了一整帧读出周期，因此对于运动物体，卷帘快门CMOS图像传感器拍摄的图像会存在较大的形变。卷帘快门通过控制光敏元逐行或逐列进行曝光，扫描完成所有像素单元的曝光，更适用于远距离拍摄静止或者移动速度较慢的对象；

(2) 全局快门(GS)：全局快门式CMOS图像传感器是指所有像素的曝光时刻均相同，同时开始曝光，同时结束曝光，但为了实现全局曝光，器件成本会大幅提高，同时成像质量也要降低。全局快门可使全部光敏元像素点在同一时间接收光照，是高速摄影等应用场景下的最佳快门方式，但其相比于卷帘快门读出噪声较高。

2、从经营模式上看，CMOS图像传感器设计行业主要分为Fabless(无晶圆厂芯片设计)、IDM(垂直整合制造商)和Fab-lite(介于前两者之间)三类。Fabless模式将芯片的生产加工环节放在代工厂完成，其优点集中在其轻资产、低运行费用和高灵活度，可以专注于芯片的设计和创研工作。

3、根据感光元件安装位置，CMOS图像传感器的主要分为三种：前照式(FSI)、背照式(BSI)及堆栈式(Stack)。其中，BSI是中高端CIS主流技术结构。

(1)前照式结构(FrontSide Illumination，FSI)：为过往CMOS图像传感器的传统结构。即自上而下分别是微透镜层、彩色滤色片层、金属线路层、感光元件层和基板层。对于采用FSI结构的CMOS图像传感器，当光从正面入射透镜和滤色片层后，光线需要经过金属线路层的开口，方可到达感光元件层以进行光电转换。

(2)背照式结构(BackSide Illumination，BSI)：针对FSI结构中金属线层对光线的损耗进行改良，将感光元件层更换至线路层上方，感光层仅保留感光元件的部分逻辑电路。这一结构使得光线从微透镜和滤色片层入射后直接到达感光二极管，光线反射、散射等效应带来的光线损失大幅减少，同时也能减少光入射角度变化导致感光度下降的问题。因此，BSI结构对于低照度应用场景如夜间摄像、夜间安防监控是主流方案。但是，BSI结构CMOS图像传感器的制造工艺涉及晶圆的正面和背面，生产工艺比FSI结构复杂、成本较高。

(3)堆栈式结构(Stack)：在BSI结构的基础上的进一步改良，所有逻辑电路层被移至感光元件的下方，芯片的整体面积得以极大地缩减，并且新逻辑电路层可以集成额外的功能；尤其适合智能手机摄像头的小型化、多功能需求。采用堆栈式结构的CMOS图像传感器可在同尺寸规格下将填充因子从传统方案中的近60%提升到近90%，因而图像质量大大优化。此外，由于感光元件周围的逻辑电路移至底层，可有效抑制电路噪声从而获取更优质的感光效果^[2]。