cmos圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì)(doc19)-經(jīng)營(yíng)管理(編輯修改稿)
2024-09-21 15:51 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 此資料來(lái)自企業(yè) 在 CMOSAPS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。 CMOSAPS的填充系數(shù)比 CMOSPPS的小，集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了 “ 封裝密度 ” ，使 40％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問(wèn)題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過(guò)降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于 CMOSAPS 像素內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀出期間被 激發(fā)，所以 CMOSAPS 的功耗比 CCD 圖像傳感器的還小。與CMOSPPS 相比， CMOS－ APS 的填充系數(shù)較小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為 20％～ 30％，接近內(nèi)線轉(zhuǎn)換 CCD的值。 5． 2． 1光敏二極管 CMOSAPS（ PDCMOSAPS）的像素結(jié)構(gòu) 1968年， Noble描述了 PDCMOSAPS。后來(lái)，這種像素結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)。 PDCMOSAPS的像素結(jié)構(gòu)如圖 2所示。 高性能 CMOS APS由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)電子工程系和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（ JPL）在 1994年首次研制成功，像素?cái)?shù)為 128128 ，像素尺寸為 40μm40μm ，管芯尺寸為 ，采用 阱工藝試制，動(dòng)態(tài)范圍為 72dB,固定圖形噪聲小于 ％飽和信號(hào)水平。固定圖形噪聲小于 ％飽和信號(hào)水平。 1997年日本東芝公司研制成功了 640480 像素光敏二極管型 CMOS APS，其像素尺寸為 , 具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。 2020年美國(guó) Foveon公司與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司采用 工藝研制成功 40964096 像素CMOS APS[10]，像素尺寸為 5μm5μm ，管芯尺寸為 22mm22mm ，這是迄今為止世界上集成度最高、分辨率最高的 CMOS固體攝像器件。有關(guān) CMOS APS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，筆者已作過(guò)詳細(xì)介紹 [6]～ [8]。 因?yàn)楣饷裘鏇](méi)有多晶硅疊層， PDCMOSAPS的量子效率較高，它的讀出噪聲由復(fù)位噪聲限制，典型值為 75均方根電 子～ 100均方根電子。 PDCMOSAPS的每個(gè)像素采用 3個(gè)晶體管，典型的像元間距為 15μm 。 PDCMOSAPS適宜于大多數(shù)低性能應(yīng)用。 5． 2． 2光柵型 CMOS APS(PGCMOSAPS)的像素結(jié)構(gòu) 此資料來(lái)自企業(yè) 1993 年由 JPL 最早研制成功 PGCMOSAPS 并用于高性能科學(xué)成像的低光照明成像。PGCMOSAPS結(jié)合了 CCD和 X Y尋址的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。 光柵信號(hào)電荷積分在光柵（ PG）下，浮置擴(kuò)散點(diǎn)（ A）復(fù)位（電壓為 VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電壓水平與信號(hào)電壓水平之差就是傳感器的輸出信號(hào)。 當(dāng)采用雙層多晶硅工藝時(shí)， PG 與轉(zhuǎn)移柵（ TX）之間要恰當(dāng)交疊。在光柵與轉(zhuǎn)移柵之間插入擴(kuò)散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴(kuò)散橋要引起大約 100個(gè)電子的拖影。 光柵型 CMOS APS每個(gè)像素采用 5個(gè)晶體管，典型的像素間距為 20μ m（最小特征尺寸）。采用 工藝將允許達(dá)到 5μm 的像素間距。浮置擴(kuò)散電容的典型值為 10－ 14F量級(jí)，產(chǎn)生 20μV/e 的增益，讀出噪聲一般為 10均方根電子～ 20均方根電子，已有讀出噪聲為 5均方根電子的報(bào)道。 CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)分為兩大部分，即電路設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)， CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關(guān)，更重要的是取決于電路設(shè)計(jì)和工藝流程以及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。這對(duì)設(shè)計(jì)人員提出更高的要求，設(shè)計(jì)人員面要寬，在設(shè)計(jì)中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識(shí)，還要有較深的理論知識(shí)。這個(gè)時(shí) 代對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時(shí)代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標(biāo)用戶的范圍由制造商決定。如果用戶裝有 Windows95的系統(tǒng)，那么就要確定圖像系統(tǒng)不是 Windows98的。如果你只是為了獲取并存儲(chǔ)大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個(gè)能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無(wú)法存儲(chǔ)的高分辨率圖像傳感器?，F(xiàn)在還存在許多非標(biāo)準(zhǔn)的接口系統(tǒng)。現(xiàn)在僅供數(shù)字相機(jī)所使用可裝卸存儲(chǔ)介質(zhì)就包括 PCMCIA卡、東芝（ Toshiba）的速閃存儲(chǔ)器及軟磁盤。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來(lái) 所在的工作環(huán)境，對(duì)樣品進(jìn)行細(xì)致的性能評(píng)估。 此資料來(lái)自企業(yè) 5． 3CCD和 CMOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì) CCD圖像傳感器和 CMOS 圖像傳感器在設(shè)計(jì)上各不相同，對(duì)于 CCD 圖像傳感器，不能在同一芯片上集成所需的功能電路。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除設(shè)計(jì)光敏感部分（即 CCD圖像傳感器）外，還要考慮設(shè)計(jì)提供信號(hào)和圖像處理的功能電路，即信號(hào)讀出和處理電路，這些電路需要在另外的基片上制備好后才能組裝在 CCD圖像傳感器的外圍；而 CMOS圖像傳感器則不同，特別是 CMOS APS 可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時(shí)集成在同一基片上，制作成 高度集成化的單芯片攝像系統(tǒng)。與前者相比，成本低、制備容易、體積小、微型化、功耗低，雖然開(kāi)始有人認(rèn)為光照靈敏度不如 CCD圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來(lái)由于改進(jìn)了電路設(shè)計(jì)，采用亞微米和深亞微米光刻技術(shù)，使 CMOS圖像傳感器的性能得到改善。已經(jīng)具備與 CCD 圖像傳感器進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的條件， 21世紀(jì)， CMOS攝像器件將成為信息獲取與處理領(lǐng)域的佼佼者。到那時(shí)，單芯片攝像機(jī)和單芯片數(shù)碼相機(jī)將進(jìn)入千家萬(wàn)戶。這些都得益于 CMOS APS為人們提供了高度集成化的系統(tǒng)，如圖 4所示。圖 5示出 CMOS數(shù)碼相機(jī)的框圖，從中可見(jiàn) 數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。 霍爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器 ,已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器 產(chǎn)品族 ,并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹其工作原理、產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。
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