cmos图像传感器的基本原理及设计(doc19)-经营管理(编辑修改稿)

cmos图像传感器的基本原理及设计(doc19)-经营管理(编辑修改稿)内容摘要：

此资料来自企业 在 CMOSAPS中每一像素内都有自己的放大器。 CMOSAPS的填充系数比 CMOSPPS的小，集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了 “ 封装密度 ” ，使 40％～50％的入射光被反射。 这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。 由于 CMOSAPS 像素内的每个放大器仅在此读出期间被 激发，所以 CMOSAPS 的功耗比 CCD 图像传感器的还小。 与CMOSPPS 相比， CMOS－ APS 的填充系数较小，其设计填充系数典型值为 20％～ 30％，接近内线转换 CCD的值。 5． 2． 1光敏二极管 CMOSAPS（ PDCMOSAPS）的像素结构 1968年， Noble描述了 PDCMOSAPS。 后来，这种像素结构有所改进。 PDCMOSAPS的像素结构如图 2所示。 高性能 CMOS APS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进实验室（ JPL）在 1994年首次研制成功，像素数为 128128 ，像素尺寸为 40μm40μm ，管芯尺寸为 ，采用 阱工艺试制，动态范围为 72dB,固定图形噪声小于 ％饱和信号水平。 固定图形噪声小于 ％饱和信号水平。 1997年日本东芝公司研制成功了 640480 像素光敏二极管型 CMOS APS，其像素尺寸为 , 具有彩色滤色膜和微透镜阵列。 2020年美国 Foveon公司与美国国家半导体公司采用 工艺研制成功 40964096 像素CMOS APS[10]，像素尺寸为 5μm5μm ，管芯尺寸为 22mm22mm ，这是迄今为止世界上集成度最高、分辨率最高的 CMOS固体摄像器件。 有关 CMOS APS的工作原理、发展现状及其应用，笔者已作过详细介绍 [6]～ [8]。 因为光敏面没有多晶硅叠层， PDCMOSAPS的量子效率较高，它的读出噪声由复位噪声限制，典型值为 75均方根电 子～ 100均方根电子。 PDCMOSAPS的每个像素采用 3个晶体管，典型的像元间距为 15μm。 PDCMOSAPS适宜于大多数低性能应用。 5． 2． 2光栅型 CMOS APS(PGCMOSAPS)的像素结构 此资料来自企业 1993 年由 JPL 最早研制成功 PGCMOSAPS 并用于高性能科学成像的低光照明成像。 PGCMOSAPS结合了 CCD和 X Y寻址的优点，其结构如图 3所示。 光栅信号电荷积分在光栅（ PG）下，浮置扩散点（ A）复位（电压为 VDD），然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号。 当采用双层多晶硅工艺时， PG 与转移栅（ TX）之间要恰当交叠。 在光栅与转移栅之间插入扩散桥，可以采用单层多晶硅工艺，这种扩散桥要引起大约 100个电子的拖影。 光栅型 CMOS APS每个像素采用 5个晶体管，典型的像素间距为 20μ m（最小特征尺寸）。 采用 工艺将允许达到 5μm 的像素间距。 浮置扩散电容的典型值为 10－ 14F量级，产生 20μV/e 的增益，读出噪声一般为 10均方根电子～ 20均方根电子，已有读出噪声为 5均方根电子的报道。 CMOS图像传感器的设计分为两大部分，即电路设计和工艺设计， CMOS图像传感器的性能好坏，不仅与材料、工艺有关，更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计。 这对设计人员提出更高的要求，设计人员面要宽，在设计中，不但要懂电路、工艺、系统方面的知识，还要有较深的理论知识。 这个时 代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代。 计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的方便，但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商决定。 如果用户装有 Windows95的系统，那么就要确定图像系统不是 Windows98的。 如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像，那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会产生更多数据以致于无法存储的高分辨率图像传感器。 现在还存在许多非标准的接口系统。 现在仅供数字相机所使用可装卸存储介质就包括 PCMCIA卡、东芝（ Toshiba）的速闪存储器及软磁盘。 重要的是，要根据产品未来 所在的工作环境，对样品进行细致的性能评估。 此资料来自企业 5． 3CCD和 CMOS系统的设计 CCD图像传感器和 CMOS 图像传感器在设计上各不相同，对于 CCD 图像传感器，不能在同一芯片上集成所需的功能电路。 因此，在设计时，除设计光敏感部分（即 CCD图像传感器）外，还要考虑设计提供信号和图像处理的功能电路，即信号读出和处理电路，这些电路需要在另外的基片上制备好后才能组装在 CCD图像传感器的外围；而 CMOS图像传感器则不同，特别是 CMOS APS 可以将所有的功能电路与光敏感部分（光电二极管）同时集成在同一基片上，制作成 高度集成化的单芯片摄像系统。 与前者相比，成本低、制备容易、体积小、微型化、功耗低，虽然开始有人认为光照灵敏度不如 CCD图像传感器的高，并且暗电流和噪声比较大，近来由于改进了电路设计，采用亚微米和深亚微米光刻技术，使 CMOS图像传感器的性能得到改善。 已经具备与 CCD 图像传感器进行竞争的条件， 21世纪， CMOS摄像器件将成为信息获取与处理领域的佼佼者。 到那时，单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户。 这些都得益于 CMOS APS为人们提供了高度集成化的系统，如图 4所示。 图 5示出 CMOS数码相机的框图，从中可见 数码相机设计的复杂性。 霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器 ,已发展成一个品种多样的磁传感器 产品族 ,并已得到广泛的应用。 本文简要介绍其工作原理、产品特性及其典型应用。