原创 CMOS Sensor图像传感器的技术演进

郭长祐／DIGITIMES

引言：从多项层面看，CMOS图像传感器的持续强劲发展，最终将超越CMOS图像传感器，且这样的转变预计在往后几年内就会实现，不过与其他变革相同的，从旧变革到新，其利、弊两者必然纷陈，CMOS图像传感器如何累积能量与优势，将弊处降至最低、益处持续提升，这将成为CMOS图像传感器后续发展推进的主要课题……

部份分析观察家指出：2010年时，笔记型电脑的总产值将超越桌上型电脑、2011年32位元微控制器的总产值将超越8位元微控制器。类似的，自从90年代末CMOS图像传感器即开始在一些应用上逐步取代CCD（Charge-Coupled Devices）图像传感器，而这样的取代效应仍持续酝酿发酵，再加上多项新影像感测应用的出现，如拍照手机、指纹辨识、网际视讯等，使CMOS图像传感器的用量进一步的扩增，加上品质技术的强化改进，因此人们预估约在今年、明年，CMOS图像传感器的总产值就会超越CCD图像传感器。

虽然CMOS图像传感器超越CCD图像传感器已成时间问题，但即便总产值超越CCD也不代表CMOS影像感测器的一切表现都将超越CCD图像传感器，虽然CMOS图像传感器在多项表现上优于CCD影像感测器，但仍有许多方面不如CCD图像传感器，如果CMOS图像传感器不能在这些落后项目上力求改进，那么CCD图像传感器将持续在某些应用领域中佔有市场，且不一定拘限于利基市场，如此将有可能影响到CMOS图像传感器在应用范畴上的持续推进。

因此，本文以下将针对现有CMOS图像传感器的发展、技术等进行更多探讨，同时也再次审视、比较CMOS图像传感器与CCD图像传感器的优劣性，做为日后各项应用设计时的评估参考。

CMOS感测品质大跃进：主动式像素技术 52RD.com

首先我们必须从过往的技术歷程来瞭解CMOS图像传感器与CCD图像传感器，老实说CCD图像传感器的运用歷史远比CMOS悠久，CCD图像传感器的应用至今已超过30年的歷史，相对的CMOS图像传感器的应用约在1990年中期才展露。

在1990年中期以前，CMOS图像传感器并没有受到重视，原因在于感测影像品质的低落，然1990年中期对CMOS图像传感器而言实是一个技术发展演进的转捩点，此时美国国家航空暨太空总署（National Aeronautics and Space Administration；NASA）的喷射推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发明了主动式像素（Active Pixel）的CMOS图像传感器架构，此架构提出后大幅改善CMOS图像传感器的影像感测品质，自此以后CMOS图像传感器的应用才逐渐开展。也因为主动式像素架构的提出，为了与过往的架构有所区别，因此将过去的传统架构称为被动式像素（Passive Pixel）架构。

为何主动式像素感测器架构能大幅改善CMOS图像传感器的影像感测品质呢？这必须从架构设计上来说明，传统被动式像素是将每个独立电晶体（并搭配电容器）做为每个影像感测像素的开关（Switch），将感测器感应到光源，并将光转换成电子后，将这些输出的电子储存到电容器内，之后再读取行列交会处的电容器，并将电容器内的电子讯号透过讯号放大器加以放大。

相对的，主动式像素架构的作法是在每个影像感测像素上都设置讯号放大器与杂讯控制元件，这样就可以避免被动式像素架构的一些缺陷，被动式像素架构的主要弱处就在于讯号运送过程中遭受到杂讯干扰，而主动式像素感测因为就近在为每个像素设置专属的讯号放大器、杂讯控制等设计，使杂讯的影响大幅降低，进而提升了影像感测品质。

图说：韩国MagnaChip公司的CMOS图像传感器之摄影机模组：HV7171SP（210万像素），该模组为固定对焦型，图中为模组与一般迴纹针的尺寸比较。（www.magnachip.com）

CMOS与CCD之比较

在感测品质大幅改善后，CMOS图像传感器在诸多的本质特性上反而优于CCD图像传感器，这也使得愈来愈多的应用设计者愿意用CMOS图像传感器来取代CCD图像传感器，到底有哪些本质特性是CMOS优于CCD，以下将逐一说明。

◆低成本性、高整合性

CCD图像传感器使用特有的成形结构，需要独有、专属的制造、制程技术来实现，因此制造成本较高。相对的，CMOS图像传感器能够用标准的制造设备来产制，现今所有的半导体晶片有90%都是透过这些标准化设备、设施所产出，包括CPU、RAM、ROM等晶片都是，标准化的结果可以让CMOS图像传感器的成本降低。

也因为使用标准的半导体制程，所以CMOS图像传感器不仅可以使用较先进的缩密制程，也才能方便整合讯号放大器、杂讯控制等电路，来实现主动式像素的感测器架构，同时标准制程也让CMOS图像传感器能方便整合影像处理方面的电路，高整合度不仅也有助于降低制造成本，同时也更适合一些以轻便为主要诉求的应用中，如照相手机即是一例。（附註1）（www.52RD.com）

◆低功耗、易驱动性

主动式像素感测器架构的CMOS影像感测器的用电相当少，与CCD图像传感器相比可相差达近100倍，这对行动应用（如：笔记型电脑）、手持式应用（如：手持式扫描器）等使用电池运作的装置而言相当重要，在相同像素下CMOS图像传感器约只要20mW～50mW的用电，相对的CCD影像感测器却需要2W～5W的用电。

此外CMOS图像传感器只要单一固定电压（5V或者是3.3V）的供电就可驱动运作，但CCD图像传感器却需要摆盪性的电压（5V～15V间变化）才能运作，这对应用开发设计者而言，CCD设计反而是较困难与繁琐。

◆随机读取像素区　增加感测应用弹性

由于主动式像素结构的CMOS图像传感器，其每个感应像素都具有独立配属的光电二极体（Photodiode，也称：感光二极体）及读取感测信号用的放大器（Readout Amplifier），如此感应的电荷可以从行列线路上（X-Y Wires）读取，相对的CCD影像感测器的每一个电荷区（Charge Domain）是用移位暂存器（Shift Register）来读取，所以CMOS影像感测器无论从行或列都可以进行定址，如此与一般的RAM记忆体相当类似。

具有此一独到特性后，CMOS图像传感器可以实现只读取整体影像感应中的部分窗区内容，此称之为「Windowing」，此可以用来实现晶片内的电子式镜头移动、偏向、缩放等效果。更广义地说，Windowing特性对影像感测应用而言能带来压缩、移动性侦测、或目标追踪等功效，此一特性对保全监视用的摄影系统设计而严格外受用。

◆更快速的画框率

主动式像素在结构上就具有快速感测的天性，因此适合用在一些（移动）动作分析方面的应用，主动式像素在驱动影像阵列中的栏（Column）匯流排的速度上能够过去的被动式像素结构快速，同时也比CCD影像感测器快速。另外CMOS图像传感器可以内建类比数位转换器（Analog Digital Converter；ADC），使感测资料可以尽快输出到感测晶片外，内建类比数位转换器的另一好处是感测影像直接在晶片内就转换成数位信号，如此可以免去类比信号因传输而遭受到杂讯干扰。

◆更容易实现智慧型功效

同样是CMOS制程的天性使然，CMOS图像传感器可以与信号处理整合设计，如此可让CMOS影像感测器的功效超越传统的标准摄影机功效，例如透过信号处理可以实现自动曝光控制（Auto Exposure Control；AGC），另外也可以抵抗抖动（Anti Jitter），使影像画面更为稳定，此即是一般所言的「防手振」功能，另外也可以进行影像画面的压缩，在影像资料尚未输出到晶片外部前就已经完成压缩程序，可加速影像资料的传输，或者为了设计弹性也可用原生方式传出影像资料，再于晶片外进行压缩程序。

不仅如此，其他的信号处理功效还有色彩编码（Color Encoding）、内建电脑用的资料匯流排介面电路、提供多种解析度的成像方式、画面动作追踪等，甚至可针对某些影像应用而进行信号处理的支援性，例如视讯会议（Video Conferencing）、无线控制等。

图说：美国美光（Micron）公司的CMOS图像传感器：MT9E001，该图像传感器具有800万像素，解析度为3,264（水平）x2,448（垂直），MT9E001并不是单晶片型态的图像传感器，而是单纯的图像传感器，其他相关影像处理必须将感测资料读出后才能进行。
（www.Micron.com）

CMOS如何改善画质

CMOS图像传感器虽然有诸多特点胜过CCD图像传感器，但CMOS图像传感器依然有些方面不如CCD图像传感器，例如在亮度不足、偏暗的情况下，其影像感测效果就会大幅转劣，但CCD影像感测器却没有这样的问题。为了改善此一问题，目前业界已经提出一些改善尝试，包括如何让更多的光引入感测器内，以及降低影像感测器的杂讯问题。

以加强引光而言，业者提出微透镜（Micro Lens）技术，让更多的光源能导入到影像感测器的表面（光电二极体）上，言下之意是增加感应的亮度，不过微透镜技术已属微机电系统（MEMS）的层次，而非原有的单纯半导体电路层次，所以挑战难度的增加自是不难想像。

另外一种作法是在原有半导体制程上强化，业者CMOS电路的硅表面上掺入杂质，以此形成1个针扎层（Pinning Layer），新增此结构可将光源吸收到硅晶片的内部，进而降低（光电二极体）表面的杂讯，此种作法也称为针扎光电二极体（Pinned Photodiode）目前此种作法确实改善了杂讯问题，使感测品质提升，不过现阶段此种制程也会增加晶片的制造成本。

不过，上述两种改善感测画质的方式，都尚未真正成熟普及，其它的尝试技术也都类似，一旦CMOS影像感测器在感测画质上能再行提升，那么取代CCD图像传感器的进度也会更为加速。

附註1：朝「标准CMOS制程」方向统一不仅是影像感测器（Image Sensor）如此，无线射频收发器（RF Transceiver）也是一样，今日愈来愈多半导体业者以全CMOS制程来产制蓝牙收发器晶片、WiFi收发器晶片（如：Broadcom、CSR、TI等），不仅可以达到单晶片化的高整合度，同时也降低制造成本，但缺点上却也相同，影像感测方面将降低感测品质（与CCD结构相比），无线收发方面将降低收发效率（与BiCMOS制程相比）。

本文来自：我爱研发网(52RD.com) 详细出处：http://www.52rd.com/S_TXT/2008_7/TXT10560.HTM