關鍵詞： CMOS , 進展 , 圖像傳感器

隨著多媒體、數字電視，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，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表的照相機CMOS圖像傳感器的3倍，是當今低檔消費數碼相機中普遍使用的CMOS圖像傳感器的50倍。  

最新進展及發展趨勢  

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。其性能參數為：光學尺寸為1/3英寸，像素數為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。該器件適用于數字電視，演播室廣播，安全/生物測定學、科學分析和工業監視等應用場合。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SOI（silicon-on-insulator）CMOS工藝研制成功了單斜率模式CMOS-APS。像素數為64 64；像素尺寸為20 m(H) 15 m(V)；填充系數為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；動態范圍為74dB。采用常規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數字像素傳感器  

CMOS圖像傳感器的發展至今有三大類，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大學等采用標準數字式0.18 m CMOS工藝開發成功了高幀速(10000幀/秒)CMOS數字像素傳感器。其性能參數為：像素數為352 288；芯片尺寸為5mm 5mm；晶體管數為380萬個；讀出結構為64bit（167MHz）；最大輸出數據速率大于1.33GB/s；最大連續幀速大于10000幀/秒；最大連續像素速率大于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為37；該器件的單個像素由光電二極管，模擬數字轉換（ADC）、數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（A/D）轉換是在像素外進行，而是將模/數（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字信號，該器件的優點是高速數字讀出，無列讀出噪聲或固定圖形噪聲，工作速度更快，功耗更低。  

7、寬動態范圍圖像傳感器  

繼CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS發展之后，德國西根大學半導體電子學研究所采用0.7 m CMOS工藝、PECVD超高真空系統以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術；設計和制造了寬動態范圍圖像傳感器。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，動態范圍為60dB 125dB。  

8、APD圖像傳感器  

2001年，瑞士聯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）、高壓穩定電路和圖像讀出電子部件組成。與常規CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS）比較，集成APD像素現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。  

國內發展現狀  

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、研制和應用開發等工作。北京大學和武漢喜瑪拉雅數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開發成功了微型星載敏感器成像系統。北京中星科技有限公司在推出30 130萬像素CMOS數碼相機的基礎上，2001年3月開發出具有國際一流水準的百萬門級超大規模CMOS數碼圖像處理芯片"星光一號"，這是具有自主知識產權的百萬門級大規模數碼攝像芯片。2001年5月該芯片實現產業化并投入國際市場。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、在醫學上的應用  

在醫療領域，可將CMOS圖像傳感器應用于一種醫療X射線機，該機的優點是病人所承受X射線的劑量較小，比傳統方式的1%還要低，同時其形成的數字圖像不僅比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一種視網膜植入系統，這個系統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生清楚地看到胃里的情況，從而更好地實現治療。  

CMOS圖像傳感器除用于醫用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"），以便在手術后監視手術效果，CCD圖像傳感器就很難實現這種應用。  

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

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，呈現出一派紅紅火火的興旺景象。