转自：CMOS图像传感器的最新进展和应用（Development Status of CMOS Image Sensors）
在多媒体、数字电视、可视通信等领域，CMOS在实现小像素尺寸方面，图像传感器具有更广阔的应用前景，CMOS图像传感器取得了快速进步，已有3个.3 m 3.3 m报告像素尺寸。采用0.25 m CMOS工艺技术将产生高性能CMOS高性能图像传感器CMOS相机希望在短时间内大量出现，颜色CMOS摄像机在近两年内有望普及。目前已批量生产成像CMOS图像传感器。该装置已成为摄像头(黑白、彩色)、微型(或超微型)摄像头和数码相机的心脏。Foven该公司还开发了世界上最高分辨率（1600万像素）CMOS图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破。 Foven开发的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上的飞跃。Foven1600万像素图像传感器的分辨率是以前发布的相机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CMOS图像传感器 CMOS图像传感器，图像传感器的成像质量一直不如CCD，因此，提高图像质量是必要的CMOS图像传感器开发的重点。东芝采用新型埋地光电二极管结构，降低泄漏电流，保证低压下完全读取无电荷残余，实现CCD相机器件等高质量图像。 2 低噪音高画质CMOS图像传感器 索尼采用尼"DRSCAN"噪声消除技术和抑制暗电流"HAD"结构，低噪音高画质1/3英寸33万像素成功试制CMOS图像传感器计划尽快商业化。 独特的"DRSCAN"（Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal OutputNoise Reduction Circuit）技术是在逐点读取每个像素信号和噪声成分的同时，在同一电路中，很难消除晶体管特性不均匀引起的固定图形噪声。为了消除暗电流引起的固定图形噪声，还从中学习CCD的"HAD"（Holeaccumulation diode）结构。为了消除暗电流引起的固定图形噪声，还从中学习CCD的"HAD"（Holeaccumulation diode）结构。在传感器表面形成空穴积累层，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比例增加了25倍，实现了CMOS图像传感器画质高。而且HADL形门的像素结构用于实现无拖影图像信号输出，使几乎所有电子都完全转移。 3 高灵敏度CMOS图像传感器 日本NEC公司采用0.35 m CMOS成功开发了双金属光电屏蔽和氮化硅（Si3N4)抗反射膜的深P陷阱光电二极管结构CMOS-APS。为提高设备的灵敏度，NEC在开发过程中，公司采用了深P陷阱，磷与P型硅衬底混合，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%，后者不到10%。由于入射光反射率的降低，提高了设备的灵敏度。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(无微镜)转换增益为30 V/e，动态范围为51dB，暗电流为1.5fA/像素（25℃功耗为69mW，电源电压为3.3V。 4 轨对轨CMOS-APS 美国PhotoVision Systems2002年4月，该公司开发了一种高分辨率CMOS图像传感器具有830万像素的分辨率(3840 2160)高清电视（HDTV）分辨率高4倍，比标准电视高32倍。该设备适用于数字电视、工作室广播、安全/生物测定、科学分析和工业监控。这种超高清晰度的电视彩色摄像头可以每秒以每秒30帧的速度拍摄2500万像素的图像(渐进或隔行扫描)。同样，IBM该公司还将该传感器集成到9.2兆像素22.2英寸大小的液晶显示器中。使用了传感器Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素图像传感器技术使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成功开发了单斜率模式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。该装置的单像素源跟踪器，行选晶体管n -P由二极管和复位晶体管组成。此外，香港科技大学采用2 mSOI CMOS低压混合物/工艺开发SOI CMOS1.2V VDD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。由于该工艺容易获得低电压和微功耗CMOS-APS。因此，混合体（hybrid bulk）/SOI CMOS-APS技术很有吸引力。使用SOI CMOS工艺是未来的生产CMOS图像传感器的理想工艺。 6 CMOS数字像素传感器 CMOS图像传感器的发展有三大类，即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS（Digital Pixel sensor），而CMOS-DPS最近两年才开发出来。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高帧速(10000帧/秒)工艺开发成功CMOS数字像素传感器。其性能参数为352 288.芯片尺寸为5mm 5mm；晶体管数为380万，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1万帧/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)；光电探测器的类型为n MOS光电栅；每个像素的晶体管数为37；该装置的单个像素为光电二极管，模拟数字转换（ADC）、数字存储器及相关双取样（CDS）电路等。 CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/数（A/D）转换是在像素外进行的，而是模/数（A/D）转换集成在每个像素单元中，每个像素单元输出数字信号。该设备具有高速数字读取、无列读取噪声或固定图形噪声、工作速度快、功耗低等优点。 7 图像传感器 继CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS德国西根大学半导体电子研究所发展后采用0.7 m CMOS工艺、PECVD超高真空系统，专用集成电路（ASIC）薄膜技术；宽动态范围图像传感器的设计和制造。该装置由两部分组成：PECVD氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜是在超高真空中制成的，ASIC使用标准CMOS工艺制备。这是继CMOS图像传感器问世后，同CMOS图像传感器已经引起了人们的关注。薄膜专用集成电路（TFA）图像传感器由前电极组成，a-Si:H、由背面电极、绝缘层和专用集成电路组成。像素数为368 256、495 128、1024 108像元的大小分别为300 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实验室Alice Biber和Peter Seitz等人，采用1.2 m标准BiCMOS成功开发了雪崩光电二极管图像传感器（APDIS），雪崩光电二极管每个像素（APD）、电子部件由高压稳定电路和图像读取组成。与常规CMOS有源像素传感器（CMOS-APS）比较，集成APD反馈电容将取代像素现有的反馈电阻，放大器的热噪声为Vn,amp=30nV/Hz1/2，源跟随器的热噪声Vn,sf=17nV/Hz1/2，C=200fF时（1fF=10-15F），复位（KT/C）噪声的计算值为144 V；1、15点，APD的噪声（i n,APD）分别为3.210-33A2/Hz和14.4 10-27A2/Hz。每一个球形结构APD外径48 m，像素数为1224，芯片尺寸为2.4mm 2.4mm，总像素尺寸为154m 71.5 m。每一个球形结构APD外径48 m，像素数为1224，芯片尺寸为2.4mm 2.4mm，总的像素尺寸为154m 71.5 m。该装置已组装成第一台APDIS摄像，拍摄清晰的黑白图像。 国内发展现状 为了在CMOS在图像传感器技术领域占有一席之地，目前在国内发展CMOS图像传感器的设计、开发和应用开发主要包括复旦大学、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CMOS图像传感器的设计、开发和应用开发。北京大学与武汉喜玛拉雅数字成像有限公司共同成功开发了30万像素，具有自主知识产权CMOS数码机相，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、640480、512 512像素CMOS图像传感器的像素尺寸为10.8 10.8 m，功耗为150 200mW。西安交通大学开元微电子科技有限公司已成功开发369 287、768 574、640480、512 512像素CMOS图像传感器的像素尺寸为10.8 10.8 m，功耗为150 200mW。并用该器件开发出来M-N型系列CMOS微型摄像和可视电话。中国科学院成都光电技术研究所CMOS-APS微型星载敏感器成像系统成功开发。北京中北京中兴科技有限公司 130万像素CMOS在数码相机的基础上，2001年3月开发出具有国际一流水平的百万门级超大规模CMOS芯片的数字图像处理"星光一号"，这是一款具有自主知识产权的百万门级大型数码相机芯片。芯片于2001年5月产业化并投入国际市场。采用三星、飞利浦、富士通等国际知名品牌的视频摄像头。2002年5月22日，中兴科技有限公司微型数码相机单芯片CMOS图像处理芯片被列为北京重大高新技术成果转化项目。2002年9月5日，该公司成功开发了中国第一款具有世界领先水平的声音图像处理芯片"星光二号"。该芯片首次固化了音频和视频同步工作。 应用和市场前景 1.医学应用 可将在医疗领域CMOS图像传感器用于医用X射线机。该机器的优点是患者承受的X射线剂量小，低于传统方法的1%。同时，它形成的数字图像不仅比X射线胶片更容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。